机器手臂的创新应用：轻薄短小、智能高效

　　数据显示，2025年全球机器人市场规模将成长2.5倍，达267亿美元规模。今年8月举办的「2022台湾机器人与智慧自动化展(TAIROS)」中，经济部技术处展出12项最新智慧机器人科技，包含可同时控制3个机器人协作的全球最多轴机器人控制器，透过单一系统整合多手臂应用，可提升50%以上的产能。受疫情影响，自动化、高弹性的制造业需求快速成长，欧美日等国已启动新一代工业革命，结合物联网、机器人推动智能制造，未来机器人产业布局将朝多机化、智慧化与系统化等方向发展。

　　机器手臂的创新应用

　　回顾疫情垄罩的三年，制造业积极导入自动化生产或努力转型走向智能制造，生产线或工作场域中出现愈来愈多机器人、机器手臂应用场景，取代人类操作仪器设备或其他人力作业。随着AI快速导入机器手臂，传统机器手臂开始拥有自主学习能力，生产效率大为提升。

　　AI机器人不仅可以控制机器手臂的速度、力道与精准度，还能透过感测、数字孪生等高阶技术与各种数据链接，降低错误率。机器手臂不仅能运用于制造业生产线及仓储物流，智慧医疗、智慧生活等场域中也能看到各种机器手臂协作案例。

　　如Skyline Robotics开发Ozmo系统执行自动化清洗外墙任务。Ozmo集结AI、机器学习、KUKA的KR AGILUS小型机器人、计算机辅助图像处理系统等优势，只需1名工作人员控制作业平台、电源、水源供给与起重机，由机器手臂负责清洗玻璃外墙即可。过去需要花3-4个月时间，动用3-4名工作人员执行的清洁工作不到50%的时间内就可以完成，省时，而且安全。

　　图1 : KUKA的KR AGILUS小型机器人执行自动化清洗外墙任务??。(Source：Skyline Robotics)

　　智慧医疗方面，台大癌医中心及新竹台大分院设有「机器手臂微创手术」系统，迄今已完成超过5,000例机器手臂辅助手术。相较于传统手术，外科医师可以透过3D立体高分辨率视觉影像、仿人类手腕关节的手术器械搭配精准的操作系统，大幅提高手术质量。机器手臂协助下，可以减少手术失血量、降低术后并发症，大幅缩短患者住院时间，而且预后效果更好。

　　AI让机器手臂朝智慧化、轻量化、小型化方向发展，协作型机器手臂甚至可以包揽日常庶务，如采摘水果、泡茶、逗弄宠物，还有协助折迭衣物的机器人，如伯克利人工智能(BAIR)实验室调教原型机器人BRETT，利用两只机器手臂与红外线扫瞄技术折迭毛巾，几经修正后，现在只要90秒就能完成折迭T恤的工作，折衣机器人被命名为SpeedFolding。研究员Yahav Avigal指出，SpeedFolding系统采用神经网络BiManual Manipulation Network学习4,300 次抚平和折迭动作，每小时可抚平、折迭30-40件衣物，成功率达93%，唯一的小缺点是速度仍不够快、衣物表面仍有小皱褶，还有进步空间。

　　图2 : SpeedFolding折衣机器人利用两只机器手臂与红外线扫瞄技术，90秒就能折迭T恤。(source：Griffig)

　　协作型机器人及机器手臂需要仰赖感知、视觉感知及计算能力，才能确认是否需要因应外在环境变化而减缓或停止运动，视觉雷达可以协助判断距离是否安全、机械手臂是否需要减速，而计算能力则是藉由软件演算前述感知数据，进一步下达正确指令或反馈。由于3D视觉、自主路径规划、AI识别等技术日益精进，加速协作型机器人及机器手臂的智慧化进程。鉴于协作型机器人与机器手臂具有极高的成本效益，灵活、安全、易于使用，传统的工业机器人四大巨头瑞士ABB、日本发那科(FANUC)、德国库卡(KUKA)及日本安川电机(YASKAWA)也开始布局相关业务。

　　工业机器人、服务型机器人不再泾渭分明

　　相较于智慧医疗与智慧生活场域中的协作型机器人与机器手臂，智能制造场域中相关应用同样发展快速，2021-2022年台北国际自动化工业大展及2022年德国汉诺威工业展(Hannover MESSE)中可以看出产业发展趋势。

　　以2021年台北国际自动化工业大展为例，ABB机器人与华硕智慧物联网(ASUS IoT)、友达光电(AUO)、达详自动化(DSA)、碁仕科技(G4)、新台通商(SINTAI)合作，展出多项机器人智能弹性制造方案及应用技术。自主移动机器人智能移载方案整合速度较同级协作型机器人更快、重复精度更高的ABB GoFa CRB 15000协作型机器人，具备全向移动、AI智能避障等功能，AMR可以穿梭于狭小走道、左右横移，提升半导体制程的顺畅度;AI智能检测弹性自动化方案则结合高生产弹性的ABB IRB 1200小型机器手臂与ASUS AISVision，仅需改动机器手臂的检测流程并搭配不同AI模型，就能快速调整产线的检测能力。

　　达明机器人于2022年台北国际自动化工业大展中展示全方位智慧协作机器人AI Cobot—以原生AI引擎结合智能视觉和协作机器手臂，以及快速整合AI智能堆栈及瑕疵检测应用方案、焊接机器人案例;全面升级的AI Cobot S软硬件可以整合更智能的视觉与周边软件及更直觉操作的人机接口，有助提升自动化生产效能，全面落实AI加值智能制造。

　　AI Cobot搭配达明自行研发的智能视觉解决方案TM AI+，内建智能视觉系统，涵盖传统机器视觉与先进AI视觉能力，能轻松找出难以辨识的瑕疵，可广泛应用于制造业、汽车业及食品业。AI Robot S系列中的高负载手臂则适用于AMR移动式机器人搬运大重量的晶圆盒，而且更为强化人机协同的工作安全性。

　　图3 : 全方位智慧协作机器人AI Cobot以原生AI引擎结合智能视觉和协作机器手臂。(source：达明机器人)

　　2022年德国汉诺威工业展中，不少参展业者展示创新技术、产品或应用方案，如德国机器人新创公司Aeon Robotics展出DROID机器人系统。DROID具有AI辅助力量感知功能，能适应不同的抓取物体和工作场域变化，结合机器手臂及仿人类手指的5指夹持器架构，5指夹持器和机器手臂组合是根据人体模型设计，操作人员无需具备程序设计技能就能透过穿戴式力反馈控制器，以手部的肢体动作教导机器人完成预定动作与任务，而DROID机器手掌可藉由力反馈控制系统将力量直接传递给操作人员。

　　图4 : 5指夹持器和机器手臂组合根据人体模型设计，可在专为人类设计的环境中操作。(Source：Aeon Robotics)

　　擅长机器人技术研发及自主移动机器人(AMR)产品开发的Robotnik Automation研发多种应用于工厂、仓储领域的室内AMR，以及户外多用途AMR，如SUMMIT-XL STEEL自主移动机器人平台可应用于工厂、物流、室内运输等场域，操作模式包含自主导航、摄影机实时影像传输，操作人员远程遥控即可，搭载UR公司协作机器手臂，可执行零件抓取工作。

　　Hyundai Robotics展出多款自主移动的服务型机器人，可应用于商店、卖场或餐厅，如Hyundai S1具有三层餐食置放盘，可承载30公斤重的物品，移动速度每秒达1.5公尺，采用SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)自主导引，透过语音或面板就能设定与控制。

　　OMRON公司展出Cell-Line Control System智能化生产系统，整合中国台湾达明机器人的协作型机器人、AI、机器视觉及多种传感器，可实时侦测生产质量、人员是否依标准作业程序执行作业，满足少量多样的生产需求。

　　工研院产科国际所执行产业技术基盘研究与知识服务计划产业分析师熊治民认为，从「2022年德国汉诺威工业展」中可以观察智慧机器人的发展趋势，如更具安全性与应用弹性的服务型机器人创新技术。综观全球机器人发展趋势，以往泾渭分明的工业机器人、服务型机器人界线逐渐模糊，二者融合的趋势明显，部分仿生工业机器人与协作型机器人由于具备更大的应用弹性与安全性，相关应用在非工业领域中持续增加，未来发展值得重视。

　　小型机器手臂崛起：更智慧、更轻盈、更小巧

　　小型机器手臂存在多年，近几年受惠于技术创新，带动小型协作机器手臂快速朝创新应用靠拢，如前述各项智能医疗、智能制造、智能生活中出现的机器手臂及应用案例已能看出传统机器手臂与AI融合的新趋势：跳脱传统中大型机械手臂及不太具有美感的笨重、坚硬外型，数字科技让机器手臂朝智慧化、轻量化、小型化发展。

　　AI、5G、元宇宙、AR/VR赋予机器手臂更高阶的智慧应用可能性，比方台湾的新创公司乐飞特科技(ROBOENTER)就专注于机器手臂搭配互动展演的设计规划与建置，将机器手臂与娱乐概念相结合，串联VR、XR、AI、5G、显示、摄影等技术，打造不同的互动艺术展演、VR展演及虚拟飞行市场，未来可能结合智慧联网(AIoT)应用，仿效Skyline Robotics与KUKA机器手臂的合作模式，切入高楼外墙清洗市场，透过AI分析运算机器手臂最佳清洗轨迹、5G远程遥控、XR/VR情境串连，就能大幅缩短清洗作业时间。

　　图5 : 乐飞特科技于信息月中发表的机器手臂VR。(Source：乐飞特)

　　未来趋势：没有最小，只有更小!

　　除了前述多元、体型愈来愈小的机器手臂，还有更迷你的工业用机器手臂应用。新创公司Mecademic成功打造六轴机器手臂Meca500，手掌大小的体积只有其他小型工业机器人的一半，重量只有5公斤，但小巧的机器手臂却能负重500公克，而且具有防碰撞及零重力模式等功能。内建控制器不但可以节省空间，而且大幅简化操作方式，仅需24V供电、一台计算机及一条以太网络线就能为Meca500进行程序设定和操作。

　　Mecademic采用maxon的无刷盘式DC马达，与无背隙减速机和高分辨率编码器结合，重复精度达0.005mm，比印刷用纸还细致约20倍!未来Mecademic将为机器手臂研发专用夹爪，可以针对个别需求提供客制化韧体，如此一来，Meca500也可以成为另一种协作型机器人。

　　中国台湾的直得科技也成功打造收折后仅有一张A4纸张大小的cpc Robot微型六轴机器手臂，具有体积小、重量轻、低噪音等特性，更符合节能减碳、自动化、多样性及灵活搬移等市场应用趋势，可投入半导体产业、生医产业，以及实验室自动化、微型产品生产组装自动化、测试设备自动化等领域。

　　工业机器人、服务型机器人逐渐融合，机器手臂朝轻薄短小趋势发展，未来机器人制造业者必须有能力将各式控制设备及操作系统整合到更小的平台上，为各种使用情境规划更多解决方案，而且必须软硬件兼备，才能打造轻薄短小、聪明、高效率的未来机器手臂。