無(wú)人搬運車(chē)建立多機協(xié)作雛型 輸送機械迎接自主移動(dòng)變局

迎接近年來(lái)智能工廠(chǎng)對于彈性變化越來(lái)越大，傳輸機械已無(wú)法如過(guò)去從新廠(chǎng)規劃之初，即完成就定位配置。反觀(guān)AGV則受惠于機械視覺(jué)、光達地圖導引等技術(shù)不斷推陳出新，逐漸將無(wú)軌自主移動(dòng)的潮流自物流業(yè)引進(jìn)工廠(chǎng)，組成AMR，甚至還可望打造多機協(xié)作的「超自動(dòng)化」雛型，并開(kāi)發(fā)足型機器人跨越最后一哩路。

基于當前全球供應鏈重組或更破碎化浪潮，導致從世界各地回流的制造業(yè)將同時(shí)面臨缺工、缺地等困境，勢將難以復制如過(guò)去大規模量產(chǎn)，以降低成本的生產(chǎn)模式。工廠(chǎng)物流除了向來(lái)是生產(chǎn)制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節，新一代智慧工廠(chǎng)的傳輸機械，也必須更為迎合彈性配置需求。

甚至要求自主移動(dòng)機器人必須與環(huán)境同時(shí)設計動(dòng)線(xiàn)，須先透過(guò)數字分身技術(shù)（Digital twins）模擬運作，從而達到最大效率。具備整合感測與運算等軟硬件技術(shù)的無(wú)人自主導引搬運車(chē)（Automated Guided Vehicle；AGV），則成為制造、物流業(yè)者打造智能場(chǎng)域的關(guān)鍵系統。因此讓AGV市場(chǎng)快速成長(cháng)，更可望在未來(lái)追求凈零碳排的「范疇三」領(lǐng)域扮演重要角色。

結合人工智能　優(yōu)化倉儲管理及供應鏈
包括如今倉儲物流機器人系統，便要求貨物流動(dòng)架構須與機器人行為同時(shí)考慮與設計，打破傳統輸送帶流水線(xiàn)模式，過(guò)去Amazon的Kiva機器人，便率先采取移動(dòng)貨架，以物找人的概念。漢錸科技近年也推出新款「四向式穿梭車(chē)（Shuttle cart）自動(dòng)倉儲」高密度存取系統，為客戶(hù)量身打造最合適的解決方案。



 
圖1 : 漢錸科技近年推出新款「四向式穿梭車(chē)自動(dòng)倉儲」高密度存取系統，為客戶(hù)量身打造最合適的解決方案，將整體效率最大化，優(yōu)化整體供應鏈。（攝影：陳念舜）

該系統不僅從上一代「梭車(chē)型料盒式自動(dòng)倉儲」雙向行走的穿梭車(chē)升級為四方行走，再搭配升降機構進(jìn)行垂直搬運，以?shī)A抱方式取出貨品。還可依效能需求，由智能調度系統按照當前任務(wù)指令和運行狀態(tài)，自主調度以彈性配置穿梭車(chē)數量，進(jìn)行任務(wù)作業(yè)的全局優(yōu)化，將整體效率最大化。

在長(cháng)期提供堆高機特殊改裝設備服務(wù)的供貨商勤工（AXON），近年來(lái)也結合大數據與人工智能科技，推出「AMR自主移動(dòng)堆高機」，利用SLAM算法一機完成無(wú)人化運搬，毋須鋪設額外的參考線(xiàn)路，即可達到±1cm的精準率；亦可在無(wú)人化搬運的過(guò)程中，透過(guò)系統串聯(lián)，串起廠(chǎng)房既有的自動(dòng)化生產(chǎn)、物料系統、生產(chǎn)系統，協(xié)助實(shí)現智能化的目標。

AGV結合智能化管控　提高搬運系統彈性與產(chǎn)能
工研院機械所經(jīng)理韓孟儒指出，現今所有物料搬運貨品可概分為：原物料、半成品、成本等，以往須透過(guò)人力揀料與配送、搬運及上下料，直到最近3~5年始引進(jìn)AGV自動(dòng)化運送系統，相關(guān)技術(shù)包含：多車(chē)物料自動(dòng)配送、無(wú)軌式控制與導引、自動(dòng)搬運/上下料等技術(shù)。

經(jīng)過(guò)工研院有效整合HI的智能化功能，涵括：高彈性智能交管、跨系統整合、客制化接口。透過(guò)智能物料搬運系統架構中的MCS，統籌管理MES接單后下達的搬運命令；再交由工研院開(kāi)發(fā)的ACS，選定、管理與控制不同品牌或導引型式的合適AGV/AMR，執行規劃路徑（route）、多車(chē)交通管理等功能；最后AGV/AMR再循此運送、完成上下料作業(yè)。

由于A(yíng)GV或其他裝置上的PLC皆搭載ROS 2（Robot Operating System；機器人操作系統）開(kāi)源平臺，隨時(shí)皆可抽換或增減控制點(diǎn)來(lái)擴充也更有彈性；進(jìn)而統籌規劃多車(chē)行進(jìn)路徑、速度、?？繒r(shí)間等不同任務(wù)，且不必重新調整，得以避免塞車(chē)及碰撞，有效提高搬運產(chǎn)線(xiàn)物料、工件的效率與產(chǎn)能。

目前工研院也將此多機派車(chē)、運載系統，導入半導體封測大廠(chǎng)硅品公司24/7精密制造產(chǎn)線(xiàn)，控制10臺以上自主移動(dòng)機器人（AMR），藉此升級智動(dòng)搬運來(lái)服務(wù)上百臺生產(chǎn)設備提高產(chǎn)能，塑造智造轉型生態(tài)系統，至今約節省搬運人力15%、AMR妥善率99.9%、超過(guò)95%稼動(dòng)率，效益相當顯著(zhù)。

順應智慧感測需求　縮短AGV開(kāi)發(fā)時(shí)程
此外，有別于早期A(yíng)GV系透過(guò)磁道、色帶或是Bar-code定位導引路徑模式精準、快速卻乏彈性，難以跟上近年來(lái)應用場(chǎng)域多變調整。近年來(lái)在3D光達（LiDAR）傳感器、同步定位與地圖構建（simultaneous localization and mapping；SLAM）等不斷推陳出新技術(shù)的整合下，促使AGV行進(jìn)路線(xiàn)變得更為靈活、快速，應用觸角隨之從電商物流往制造業(yè)延伸，若要在成本及效能都達到業(yè)者能接受的甜蜜點(diǎn)，傳感器將是關(guān)鍵！

因為AGV的智能化將主要來(lái)自于軟硬件整合，相關(guān)設備制造及系統整合廠(chǎng)商在選擇傳感器時(shí)，除了產(chǎn)品規格、價(jià)格外，還應重視廠(chǎng)商的整合能力與相關(guān)技術(shù)服務(wù)支持，對于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)程與可用性將有巨大影響，以符合客戶(hù)不同場(chǎng)域需求。建議設備與系統業(yè)者在投入發(fā)展時(shí)，必須找到可提供完整技術(shù)支持的合作伙伴，以快速完成開(kāi)發(fā)，并確保AGV的實(shí)用性。

Hyundai Motor在2022年CES展中，也提出機器人技術(shù)為核心的「元宇宙移動(dòng)概念（Metamobility Concept），結合AMR、延伸人類(lèi)移動(dòng)能力的「Expanding Human Reach」愿景，研發(fā)AMR驅動(dòng)輪模塊與即插即用的PnD平臺（Plug & Drive Module）驅動(dòng)模塊，可藉此整合輪內電力驅動(dòng)、懸吊、轉向、剎車(chē)等組件，從PnD平臺架構里衍生出多種個(gè)人交通、物流、服務(wù)型AMR應用。



 
圖2 : Hyundai Motor在2022年CES展中，也提出機器人技術(shù)為核心的「元宇宙移動(dòng)概念，結合AMR、延伸人類(lèi)移動(dòng)能力的。（source：multivu.com）

產(chǎn)學(xué)研協(xié)助AGV再進(jìn)化　促PCB產(chǎn)業(yè)數字升級
最近工研院便與PCB軟板廠(chǎng)嘉聯(lián)益、臺灣科技大學(xué)三方產(chǎn)學(xué)研合作，打造微縮化AGV，強調其結合人工智能（AI）辨識技術(shù)，協(xié)助臺灣電路板廠(chǎng)商導入智能制造技術(shù)、加速轉型為智慧工廠(chǎng)，克服產(chǎn)線(xiàn)人力不足等課題，預期可提升產(chǎn)線(xiàn)效率超過(guò)20%、降低工序作業(yè)時(shí)間50%，進(jìn)而提升臺灣PCB產(chǎn)業(yè)進(jìn)軍國際市場(chǎng)的競爭力。



 
圖3 : 最近工研院也與PCB軟板廠(chǎng)嘉聯(lián)益、臺灣科技大學(xué)三方產(chǎn)學(xué)研合作，打造微縮化AGV，結合AI辨識技術(shù)，協(xié)助臺灣電路板廠(chǎng)商克服產(chǎn)線(xiàn)人力不足等課題（source：工研院）

工研院不僅藉此將現今AGV設備微縮化，并加入多自由度的上下料機構、AI視覺(jué)技術(shù)等，實(shí)現人機共工運載物料、提升產(chǎn)線(xiàn)效率；還可透過(guò)機器人內建的人員姿態(tài)辨識系統，確保人員作業(yè)正確，降低操作失誤可能造成產(chǎn)線(xiàn)停擺的損失，提供場(chǎng)域更加安全、可靠及完整的智能制造解決方案。預計2023年底完成研發(fā)及場(chǎng)域驗證，將力助PCB及半導體業(yè)者加速轉型為智慧工廠(chǎng)，提升產(chǎn)業(yè)國際競爭力。

嘉聯(lián)益樹(shù)林總部特助暨該計劃主持人梁隆禎指出，為持續優(yōu)化軟性電路板（Flexible Printed Circuit；FPC）智能制造，著(zhù)眼于PCB智能工廠(chǎng)發(fā)展趨勢，嘉聯(lián)益延續多年來(lái)成功開(kāi)發(fā)卷軸式材料的各項經(jīng)驗，期望透過(guò)跨業(yè)鏈結產(chǎn)學(xué)研三方的實(shí)務(wù)人才與研發(fā)能量，發(fā)展人機協(xié)作自主移動(dòng)機器人。

從而協(xié)助人員搬運各種卷軸式半成品物料的上下料機構，并增加制程站之間的自動(dòng)識別功能，以智動(dòng)化技術(shù)減輕生產(chǎn)線(xiàn)的壓力、提高生產(chǎn)效率。同時(shí)從新一代卷軸式軟板材料技術(shù)升級為切入點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng )更精密加工技術(shù)，讓臺灣軟板業(yè)者可拉大與國際競爭者的差距，迎接不斷加劇的市場(chǎng)挑戰。

臺灣科技大學(xué)機械工程系教授林柏廷進(jìn)一步表示，自主移動(dòng)機器人（Autonomous Mobile Robot；AMR）與人員的協(xié)作共工是一項具挑戰性且高度發(fā)展潛力的關(guān)鍵技術(shù)，目前學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界較少具有10kg以上負載能力的AMR，重力平衡設計是提升AMR上機器人或搬運機構負載能力的可行方法之一。

此外，為達到安全且高效的人機協(xié)作，智能感測、視覺(jué)辨識、AI人工智能是必然的發(fā)展趨勢，AMR要進(jìn)行大量計算機計算，必須將大量影像及數據傳輸至遠程高效能計算機運算后，再將控制信息傳回機器人的控制系統，最后利用變動(dòng)密鑰提升信息安全性。上述各環(huán)節中的重要技術(shù)都是臺灣智能制造領(lǐng)域亟需發(fā)展的方向，期許此次產(chǎn)學(xué)研共同努力跨域合作，增加朝向國際發(fā)展的競爭力。

工研院突破多機控制瓶頸　建立群機協(xié)作雛型
值得一提的是，根據Gartner最早于2020年發(fā)布的十大戰略技術(shù)趨勢報告中提出的「超自動(dòng)化」（Hyper-automation）定義，原來(lái)是指能快速識別、審查和自動(dòng)化業(yè)務(wù)與IT流程，整合包括AI、機器學(xué)習、機器人流程自動(dòng)化（RPA）、低/無(wú)程序代碼平臺和流程管理等多種技術(shù)和平臺，并以業(yè)務(wù)驅動(dòng)企業(yè)實(shí)現各類(lèi)營(yíng)運場(chǎng)景。

當產(chǎn)業(yè)組織在生產(chǎn)、作業(yè)的流程都達成自動(dòng)化時(shí)，協(xié)作式生產(chǎn)的范疇將不再只有「人機協(xié)作」，而是進(jìn)一步達到「多機協(xié)作」。臺灣的智慧工廠(chǎng)因應愈趨復雜的加工制造流程，也已從單機邁向多機自動(dòng)化發(fā)展，惟若要整合不同品牌的設備，進(jìn)行多機協(xié)作，產(chǎn)業(yè)仍然面臨人員維護、成本增加、人員安全等多重挑戰。

工研院機械與機電系統研究所所長(cháng)饒達仁認為：「雖然單機是全球指標大廠(chǎng)的強項，但臺灣的優(yōu)勢是具備先進(jìn)ICT技術(shù)、完整的機械、電機產(chǎn)業(yè)供應鏈以及高階科技人才，能整合多元感測、視覺(jué)辨識及高精度的多機協(xié)同控制等技術(shù)，賦予機器人更豐富的工藝技能，未來(lái)朝向智能機器人系統整合服務(wù)，可望成為臺廠(chǎng)創(chuàng )新產(chǎn)業(yè)的著(zhù)力點(diǎn)，創(chuàng )造臺灣下一波經(jīng)濟成長(cháng)動(dòng)能?！?br/>
目前經(jīng)濟部技術(shù)處針對臺灣機器人產(chǎn)業(yè)的布局策略，也逐漸朝向朝向多機化、智慧化與系統化發(fā)展，以因應更為復雜的加工生產(chǎn)流程。工研院近年來(lái)也積極投入多機器人協(xié)同控制技術(shù)，協(xié)助制造業(yè)者突破廠(chǎng)牌限制，讓機器人之間可互相溝通，可同步控制多達14軸以上的工業(yè)機器人完成復雜生產(chǎn)任務(wù)，目前已實(shí)際導入造船與醫材產(chǎn)業(yè)，并逐步導入到車(chē)用、航天與橡塑料等不同產(chǎn)業(yè)。

為了達成搬運過(guò)程中的產(chǎn)能優(yōu)化，工研院著(zhù)重于最復雜的派車(chē)算法，開(kāi)發(fā)多車(chē)派遣系統除了可提供跨品牌導引方式外，還能兼顧彈性與安全的進(jìn)行插斷（Preempt/Insert/Combine）作業(yè)；并考慮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊延遲問(wèn)題，選擇最適合指定任務(wù)的機器人，以確保機器人彼此，或與動(dòng)、靜態(tài)障礙物之間無(wú)碰撞風(fēng)險，達到搬運效率優(yōu)化。

廣運導入Robot Smith　應用領(lǐng)域擴及物流
在今年「臺灣機器人與智慧自動(dòng)化展」（TAIROS）期間，工研院也發(fā)表號稱(chēng)是全球最多軸的機器人高階智慧控制器（Robot Smith），即強調可跨平臺同時(shí)控制3具國內外不同品牌機器人，進(jìn)行多機化協(xié)同作業(yè)，降低人員維護、營(yíng)運成本；且讓機器人之間互相溝通協(xié)調，提升絕對精度到±0.25mm以?xún)?；整合AI視覺(jué)辨識周?chē)藛T的行為意圖，實(shí)時(shí)避障防護、兼顧人員安全，將機器人次系統控制器提升產(chǎn)能逾50%以上。

依廣運機械工程經(jīng)理黃嘉輝同時(shí)發(fā)表與工研院合作范例，認為雙方可將在2021年結合RobotSmith完成金屬加工的成功經(jīng)驗，與該公司KRS系統整合延伸到的物流中心使用，打造自動(dòng)倉儲、揀貨系統DPS等，藉以彌補在電商物流繁瑣揀貨階段，所產(chǎn)生的人力缺口；解決以往因物流中心業(yè)者因為考慮內部技術(shù)人才不足，對于導入機器人意愿不高的問(wèn)題。

如今智能揀貨系統已是智能工廠(chǎng)的縮影，將可利用Robot Smith解決相關(guān)難題，從而具備高度擴充性，可提供一站式整合服務(wù)，包括支持多種傳感器，提高彈性生產(chǎn)的質(zhì)量和精度；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)搜集數據，和成立戰情中心；客制化和圖形化制程管理接口，一鍵簡(jiǎn)化復雜程序。KRS亦可整合設備及系統，進(jìn)而生成自動(dòng)路徑、虛實(shí)整合、藉AI數據提供不同場(chǎng)景應用，可以讓人人都能當上工程師。

自主移動(dòng)搬運設備升級　放眼足型機器人商機


 
圖4 : 結合自駕車(chē)核心元素的Tesla Optimus，加速雙足機器人產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應用。（source：teslarati.com）

最后，因應當今AGV/AMR配合應用場(chǎng)景的多元性、人機協(xié)作的適應程度，已是機器人發(fā)展的趨勢，放眼下一步將是雙/四足運動(dòng)的「足形機器人」（legged robot），雖然具備傳統輪式機器人無(wú)法達到的優(yōu)點(diǎn)，可翻滾、跳躍的靈活性佳，克服崎嶇、顛簸地形；但在荷重與效率上仍有改善空間，行進(jìn)速度緩慢又造價(jià)高。根據Frost & Sullivan調查，當機器人逐漸普及、造價(jià)成本下降將帶動(dòng)雙足機器人市場(chǎng)成長(cháng)，預估2022~2026年市場(chǎng)累積總規模將上看15.77億美元，約509億新臺幣。

舉例來(lái)說(shuō)，Agility Robotics的Digit機器人，即曾嘗試利用雙足移動(dòng)平臺及雙臂來(lái)進(jìn)行搬運工作，于2019年與福特汽車(chē)合作，結合自駕車(chē)執行最后一哩路的送貨服務(wù)。目前最知名的雙足機器人，則屬結合自駕車(chē)核心元素的Tesla Optimus，結合了步態(tài)軌跡、手臂運動(dòng)規劃和機器人平衡控制方法于一身，加速雙足機器人產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應用。

但未來(lái)足型機器人發(fā)展仍充滿(mǎn)挑戰，包括投入廠(chǎng)商不斷增加，必須更專(zhuān)注于產(chǎn)品成本與價(jià)格控制、產(chǎn)品定位與利基應用等，藉此突破關(guān)鍵技術(shù)，克服室外環(huán)境變因；多方鏈結，找尋合作伙伴；擴大產(chǎn)品銷(xiāo)售，嘗試多種應用場(chǎng)景。