機器人在工業 4.0 中演進成協作機器人

工業機器人伴隨著電腦化控制與自動化，問世於工業 3.0 時代初期，經過多年的發展已日臻專業化，並應用於各種產業與製程。機器人專為量產而設計，通常獨立運作，並以相對孤立的狀態完成特定任務。隨著工業 4.0、網路實體系統和物聯網 (IoT) 的興起，一些機器人演進成協作機器人(cobot)。協作機器人可與其環境互動，包括人員和其他機器人，並可支援彈性生產和大規模客製化作業 (圖 1)。

圖 1：傳統的工業機器人是在孤立狀態下運作 (左)，而協作機器人(右) 則可與其所在的環境互動，包括人員、其他機器人或機器。(圖片來源：Omron)

從機器人到協作機器人的演進過程涉及多次改造：協作機器人的運作方式不同，編程方式也不同，它們往往更小、更簡單，在某些情況下還可以移動。與機器人相比，協作機器人能用於不同的製程，而且還須符合不同的安全標準。協作機器人通常不會與機器人競爭或取代機器人，而是增加採用自動化製程的機會。

本文將追溯機器人演進成協作機器人的過程：比較機器人與協作機器人的運作方式；檢視協作機器人所使用的不同編程方法；還將討論為了實現協作機器人的機動性及其與人員之間的互動，而使用的人工智慧 (AI)、IoT 及其他技術；並詳細介紹協作機器人擅長的部分應用，例如製程加工作業、品質控制、物流／材料運輸等；最後探討協作機器人的擴大安全標準。全文描繪了網路實體運作的遠景，即機器人、協作機器人和操作人員將一同合作，最大程度提升生產力和品質，同時將總成本降至最低。

協作機器人不僅可以和人員一同工作，還可以在不同位置之間移動 (圖 2)。這些特性對協作機器人的編程、應用場地與時機以及安全要求都有重大影響。

圖 2：協作機器人可以根據特定任務的需要，在不同位置移動。(圖片來源：Omron)

訓練協作機器人

工業機器人使用 C 和 C++ 等語言進行編程。而協作機器人更進一步，可以使用各種無程式碼的工具 (例如懸吊設備、平板電腦) 進行訓練，甚至可以透過手動將協作機器人手臂從一點移至另一點加以訓練 (圖 3)。若採用不同的教學方法，而不是傳統的編程，可讓協作機器人更快速學習新任務，而這對於協作機器人從一個任務切換到另一個任務很重要。對工業機器人進行編程所花時間可帶來經濟效益，原因在於工業機器人會在相當長的時間內用於高生產的應用。協作機器人則需要快速學習新的製程，避免因長時間停機而帶來高昂的成本。機器操作人員可以訓練協作機器人完成特定任務，而無需專業編程者的協助。只需短短幾分鐘，就可以訓練協作機器人執行拾放等任務，包括目視檢查最後結果。

圖 3：協作機器人可將其手臂從一處移至另一處進行訓練。操作人員的右手放在一部高解析度相機上，供協作機器人查看其位置所在以及此位置的物品。(圖片來源：Omron)

AI 加上機械視覺，有助於改善協作機器人的學習與運作。智慧型協作機器人視覺系統提供多種功能，例如物件識別與定位、條碼與圖騰解析、模式匹配及色彩辨識。此外，視覺系統還允許透過手勢引導協作機器人從一個位置移至另一個位置，並訓練其執行新的製程。有時，機器操作人員可以使用平板電腦上的拖放式流程圖系統，快速、有效地對協作機器人進行訓練 (圖 4)。

圖 4：直覺拖放式訓練／編程可最大程度提升協作機器人的生產力與靈活性。(圖片來源：Omron)

除了與人員合作以外，協作機器人還可以和自主移動機器人 (AMR) 合作，從一個任務切換至另一個任務 (圖 5)。自主移動機器人是專業協作機器人，可與人員、協作機器人、機器人和機器協作，以優異的效率執行物料搬運等任務。與物料搬運一樣，將協作機器人從一處移至另一處，並非一項需要高度技巧的作業，因此非常適合透過自主移動機器人實作。自主移動機器人之所以能從一處移至另一處，是因為其整合板載感測器和運算元件，可以瞭解緊鄰的環境，同時又透過無線網路與整個設施中的集中式運算資源和複雜的感測器網路連線，進而有助於其瞭解規畫路線上障礙物的位置，並有效繞過固定的障礙物 (如工作站、機架和機器人) 及活動的障礙物 (如堆高機、其他自主移動機器人和人員)。

圖 5：操作式協作機器人(上) 可由自主移動機器人 (下) 拾起並移至新的工作站。(圖片來源：Omron)

協作機器人有何用途？

協作機器人能與自主移動機器人、人員、其他機器人和機器協同工作，為自動化作業開創新的機會。協作機器人正在廣泛應用於多種產業和製程的大量客製化作業，例如組裝、分配、鎖螺絲、機器管理、堆垛、拾放等，同時也廣泛應用於一系列工業領域，包括汽車、食品加工及半導體製造等 (圖 6)。

圖 6：協作機器人可以靈活地用於各種應用。(圖片來源：Omron)

協作機器人可與人員合作，有效地執行重複性或複雜的組裝任務。搭配自主移動機器人使用，協作機器人則可改進複雜的揀料操作，將材料運送到工作地點。在材料運送至生產線末端後，協作機器人可以快速地堆垛產品，準備出貨。藉助機械視覺和 AI，協作機器人可以在輸送帶上檢查、分類和拾取成品零件，並將其放在紙箱中。協作機器人能夠快速調整其行為，適應新產品和季節性變化的需求。

協作機器人可以適應各種生產製程，包括 (如上所述的) 機器管理、鎖螺絲和分配作業等。協作機器人可執行 CNC 機器、沖壓機、沖床機、各種切割機以及注模站等機器管理任務，將人員從重複性且有潛在危險性的作業中解放出來。若用於鎖螺絲，協作機器人可提升準確度並提供穩定的扭力，進而實現比手動組裝更高的品質。此外，協作機器人還可以高準確度分配各種材料，例如黏膠、密封膠、油漆和其他塗層等。協作機器人的末端效應器是可互換的，這可讓協作機器人根據需要在任務之間切換 (圖 7)。

圖 7：協作機器人末端效應器可輕鬆切換用於任何任務。這會給協作機器人帶來極大的靈活性，使其能夠在最短的停機時間內進行切換，滿足不同的生產要求。上面的兩個末端效應器包含適用於 AI 型視覺系統的高解析度相機。(圖片來源：Omron)

另外，協作機器人配備機器視覺後，還非常適合檢查成品零件或產品。如果零件很複雜，全面的檢查可能需要多部固定式相機相互協作，從不同的角度拍攝高解析度圖片。或者，協作機器人若僅配備一個相機，則可以識別所檢查的零件並圍繞零件做對應的移動，然後拍攝所有必要的圖片，進行全面的視覺檢查。

不斷演進的協作機器人安全性

隨著協作機器人的發展，安全性考量也隨之演進。相較於工業機器人，協作機器人的安全性要求更為複雜。由協作機器人和人員組成團隊，可以將協作機器人的重複性作業能力與人的個體技能和靈活性相整合。協作機器人(以及機器人) 擅長處理需要準確度、耐力和力度的任務，而人員則擅長處理不確定的情況和多變的問題。整合這些互補的技能組合後，將會在人員與協作機器人之間的安全互動方面產生新的挑戰。

工業機器人的安全標準基準通常是：當機器人於啟用狀態時，須將操作人員排除在工作區之外。協作機器人的安全性則須預先考量到與人員的互動。協作機器人的安全標準將由其速度、扭矩和力度上限定義，且包括緊急停機與保護性停機。

協作機器人的緊急停機由操作者啟動；它會停止協作機器人的所有動作，並會斷開協作機器人的電源。重新啟動後方可從緊急停機中恢復。保護性停機則是在有人員進入協作機器人周圍的保護空間時自動執行 (圖 8)。在保護性停機期間，協作機器人仍然保持通電。此外，保護性停機將會監測協作機器人動作編碼器，檢測有無意外動作。如果檢測到意外動作，則會斷開電源。

圖 8：協作機器人周圍的笛卡兒安全空間 (藍色框) 可以是矩形，也可以是圓柱形，它將定義出禁區範圍。如果在協作機器人旁工作的人員進入禁區，協作機器人就會啟動保護性停機。(圖片來源：Omron)

有些協作機器人設計有兩個操作速度設定，一個是用於最大效能，另一個則是用於最大安全性。效能設定是假定沒有人員進入協作機器人的受保護空間，協作機器人可以高速運作來實現最高生產力。如果有人員進入受保護空間，協作機器人會自動進入「人員與協作機器人共存」的設定，降低速度、扭矩和力度，以實現最高安全性。

關於協作機器人的安全性，目前已有多項持續演進的標準和準則。ISO 技術標準 15066:2016 及 RIA 技術報告 15.606-2016，均描述四種用來降低操作人員風險的協作技術，即安全級監控停止、手動引導、速度和距離監控，以及功率和力度限制 (PFL) 系統。TS 15066 的規範性更強，其中詳細描述為符合標準所需遵循的步驟。而 TS 15.606 的資訊性更強，它提供用於檢驗標準合規性的資訊和方法。

RIA TR R15.806-2018 描述一種測試 PFL 系統施力的方法。對於速度與距離監控，標準要求部署感測器系統。對於 PFL 系統和安全級監控停止，標準要求在禁區內實施防護措施。

ISO 13855:2010 則針對協作機器人接近人體特定部位的速度，定義了防護裝置的位置。提供一種方法來確定從偵測區／禁區或致動防護裝置到危險區域的最小距離。

總結

協作是工業 4.0 與網路實體系統的指標，而協作機器人則是推動更高程度協作的關鍵角色。協作機器人在不斷發展，使用起來也更加容易、安全和靈活。協作機器人訓練工具和 AI 的進步，讓協作機器人的使用更加直觀。隨著協作機器人的人機介面 (HMI) 不斷演進，大規模客製化生產的效率及品質都得到提升。協作機器人並不會取代機器人，而是會擴大自動化的機會，這會讓協作機器人、機器人和人的協作日益流暢。協作機器人會變得更像是工作夥伴，而不太像是工業機器人，其安全標準也會隨之擴充並變得日益重要，確保在實現「協作機器人與人」協作的生產力目標的同時，安全性也獲得保障。