協作機器人為工廠導入未來

飛天車和家事機器人將在廿一世紀問世的夢想,至今尚未成真。但拜半導體科技進展之賜,各地的工廠廠區正逐漸為我們勾勒出未來願景。

6月 9, 2022

飛天車和家事機器人將在廿一世紀問世的夢想,至今尚未成真。但拜半導體科技進展之賜,各地的工廠廠區正逐漸為我們勾勒出未來願景。

數十年來機器人已成為流程自動化的關鍵技術,是汽車組裝生產線等製造環境中不可或缺的一部分。但通常業者還是會因為安全疑慮而將機器人與真人隔開。

然而現在的創新技術卻開始翻轉這種關係,讓協作機器人(cobot)可以更接近他們的人類夥伴。

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利用機器學習以及先進的感測技術,現在協作機器人可以安全地與人類並肩工作,承擔各種危險、重複性高和越來越複雜的任務。它們正在改變組裝產線的面貌,最後甚至可能帶動工業設計轉型,因為製造商會發現,結合人類與協作機器人的勞動力將大幅提振營運效率。

半導體技術持續帶動馬達控制、感測與工業通訊技術進步,讓協作機器人能有效且安全地運轉,在工廠廠區與人類近距離合作。半導體産業正循以下五種途徑帶動次世代機器人轉型:

小體積更添自主性

用來組裝汽車或其他重型產品的機器人體積大又壯觀,但現在工廠環境所採用的協作機器人更小更輕且方便攜帶,還能量身訂製以執行特定任務。小型協作機器人得以實現,是因為外型尺寸改進後,更多電子零件得以放進越來越小的設計單元裡,而不必犧牲電源效率或精準度。

除了讓協作機器人體積更小,電子技術的進展也允許產品整合更多處理及智慧功能,如此一來機器便可自主運作,而不必透過雲端或中央處理器(CPU)下達指令或進行操控。

最後,小型協作機器人將使製造商有能力滿足客製化產品的利基市場需求,而無須大幅更動現有生產線。製造商將可依照需求,重新配置協作型機器人以管理庫存與成本,同時維持正常運轉。

感測技術提升敏捷度

前幾代的工廠自動化機器人靠六到八軸(或自由度)的馬達控制來協調動作。但現在的協作機器人運作時能搭配十幾個軸,可做出更細微且精準的動作。

能達到此般準確是因為感測技術而得以實現,其中包括德州儀器(TI)的工業毫米波(mmWave)創新技術。攝影機搭配TI毫米波技術,就能幫助協作機器人偵測人員及其動作,讓他們可以安全地協同工作。

協作機器人真正的訣竅,在於它能快速分析資料並即時做出決策。要在攝影機、感測器與本機處理引擎之間達到這種程度的通訊成效,就需要半導體的高速連網與處理功能。

由於這對處理和即時通訊功能有更高需求,因此帶動一股追求更快速資料通訊標準的趨勢,從100-megabit升級到1-gigabit乙太網路通訊應用。EtherCAT等工業協定正從EtherCAT轉換到Gigabit EtherCAT。與此同時,分散式協作機器人也要考慮如何讓攜帶資料用的佈線越少越好,而處理能力也很重要,才能在更少的線路上管理快速通訊。

機器學習推升效率

機器學習的進步是協作機器人部署持續成長的另一個因素,因為它們能互相或從人類身上學習。現已陸續推出不少應用,讓協作機器人只需看著人類工作就能學習,跟人類實習生差不多。這可以省下原本需要的程式設計時間。接著協作機器人就能「教導」其他協作機器人,透過本機連線或直接連結雲端來分享學到的資訊。

協作機器人部署在整個供應鏈,以進行庫存管理、倉儲作業和訂單履行時,最後還能管理自身運作及生產日程以因應供需波動。

有效率的電源管理能增加靈活度

部署協作型機器人時,可能會在電源供給和管理方面遇到特別挑戰。從電流消耗與散熱的角度來看,工廠必須確保電源管理盡可能維持高效率。

電子零件會製造數位「雜訊」,可能干擾磁場。工廠該如何處理電磁干擾,正是設計上的一大挑戰。如何為負載管理找出具有彈性的解決方案,並設計出使用既有電源配置即可進行部署的系統,則是半導體供應商正攜手顧客希望解決的其他挑戰。

工廠以外的應用

目前協作機器人也開始用在遠距醫療、老人照護,以及採礦、石油和天然氣生產等產業。協作機器人也可能在教育領域大有所為。

協作機器人不會取代勞動人口裡的真人,而是幫助人類釋放創造力,讓他們更靈活、更有效率,更快回應顧客需求。人類將不斷想出創新點子,而由半導體技術所驅動的協作機器人,將協助人類實現這些聰明的點子。
 

(1) hbr.org/2018/07/collaborative-intelligence-humans-and-ai-are-joining-forces