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协作机器人百家争呜 灵活性和感测技术定天下
比较12家大厂商解决方案

【作者: 吳雅婷】2019年08月13日 星期二

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工业4.0的进展马不停蹄,勤业众信的《2019科技趋势:跨越数位边界》(2019 Tech Trends: Beyond the digital frontier)报告指出,近两年科技产业新兴技术的前三大亮点,分别是人工智慧(AI)、智慧型介面(intelligent interface)和体验行销(experiential marketing)。而协作机器人(cobot)便大大地应用了其中两项关键技术人工智慧和智慧型介面,在智慧制造版图中,各工业机器人大厂纷纷进驻协作机器人市场,透过精进这些技术,得以更稳健地逐步扩张领地,市场呈现一片百家争呜。


奠基前业 负载和精度再提升


图一 : 12家大厂商解决方案比较
图一 : 12家大厂商解决方案比较

世界四大工业机器人厂商瑞士的ABB、德国的库卡(KUKA)和日本的发那科(Fanac)、安川电机(YASKAWA),各自奠基在数位控制、运动控制、伺服控制系统和电力等方面的技术强项,其协作机器人在负载和反复精度上表现亮眼。这两项性能指标显现各款机器人在从事高重复性、高度依赖劳力的工作时的高效率,反应普遍对工业自动化设备需求的认知取代人力以及准确性。在负载能力上,Fiat旗下的科马(Comau)最为突出,高达170kg;而在反复精度方面,反复精度和负载能力基本上成反比,一般常规负载能力(10kg以下)的机型中,发那科最为精确,其次是ABB,再来是优傲、博世(Bosch)。



图二 : 世界四大工业机器人厂商ABB、库卡、发那科和安川电机生产的协作机器人负载能力比较。(制图/CTIMES 2019)
图二 : 世界四大工业机器人厂商ABB、库卡、发那科和安川电机生产的协作机器人负载能力比较。(制图/CTIMES 2019)
图三 : 12家厂商各协作机器人型号的反复精度比较。(制图/CTIMES 2019)
图三 : 12家厂商各协作机器人型号的反复精度比较。(制图/CTIMES 2019)

人机协作 轻巧安全是关键

和关节型机器人(articulated robots)、SCARA机器人等其他工业机器人相比,协作机器人的优势,便在於其操作灵活性和感测技术带来的安全性。灵活性包含机器人机身设计上硬体设置和实际运作时的弹性和机动性,以及直观的操作介面。後者决定了如何让操作人员更快且更便利地学习操作机器人,进而在无围篱的工作环境下近距离协助人类完成工作。


而前者操作灵活性,和机器人的自由度、单臂或双臂的设计有关。由於协作机器人对灵活性的需求,市面上的机型基本上都配备六个关节,也就是六个自由度,让机器人能在X、Y、Z轴上移动,并可以在这三轴上独立旋转。


除了主打低成本工业自动化设备的公司,像是美国的ST Robotics,其机型基本上是五轴,六轴为选择性配置;而配有七个关节或自由度的机型则能完成更复杂的操作,并节省操作空间,目前已有七轴机型的厂商有ABB、库卡和其投资的德国新兴机器人技术公司Franka Emica、美国MIT团队创立的Rethink Robotics,还有以仿生机器人闻名的德国自动化技术供应商飞斯妥(Festo)。


另一个精进灵活度的设计是双臂,和人类手臂的生物特徵呼应,双臂设计可扩大工作半径,方便机器人完成更复杂的动作,然而这类发展仍在研发阶段,其负载和精度能力较单臂不足,能应用的领域有限,12家厂商中仅Rethink Robotics和ABB两家推出。


此外,协作机器人的本身重量和占地面积也是决定硬体设置灵活性的重点。12家厂商大部分机型皆在60公斤以下,仅发那科和科马推出超过一百公斤的高负载机型。除了这些大型机型外,各家厂商其馀机型有一半的机身重量皆在25公斤以下,可见机身轻巧是目前市场趋势。


同样是机器人制造商的优傲(Universal Robots),其UR系列便是以轻量型机型着称;台湾广达集团旗下的达明机器人(Techman Robot)更结合自动搬运车和协作机器人,推出了常规和中高负载的移动式协作机器人,增加机器人活动的灵活性,目前在协作机器人市场已成功超越发那科,升为前二大厂。



图四 : 12家厂商各协作机器人型号的机身设计比较。(制图/CTIMES 2019)
图四 : 12家厂商各协作机器人型号的机身设计比较。(制图/CTIMES 2019)

而安全性方面更是协作机器人和工业机器差异化的根本,透过人工智慧增强的机器视觉和触觉技术,各家厂商加装2D、2.5D或3D摄影机,以及力和力矩感测器等,确保人机协作过程中人类靠近或碰触到机身时,机器人能即时感测并做出减速或停止运作的判断。


市场黑马 未来需求高成长

在全球的模组化机器人市场中,协作机器人可能成为黑马,异军突起。根据市场调查机构Transparency Market Research的《模组化机器人的全球市场产业分析、市场规模、市场占有率、成长性、市场趋势及未来预测》(Modular Robotics MarketGlobal Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends, and Forecast, 2019-2027)报告,高度自动化产业像是汽车和电子产业,生产过程除了运用传统工业机器人,现在更利用协作机器人完成特定工作,因此预计协作机器人在2027年前的发展,将有大幅度的成长。


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