智慧型機器人運動控制設計介紹

姓名:劉致剛 班級:控晶四乙學號:4972c096 指導教授:王明賢參考資料: 運動控制基本概念http://www.ni.com/white-paper/3367/zht 智慧型機器人之應用及未來發展台灣工業技術研究院期刊240期2011年10月號http://www.itri.org.tw/chi/publication/publication-content.asp?ArticleNBR=3593 機器手於產業自動化之技術開發與應用機器人世界情報網 http://www.robotworld.org.tw/index.htm?pid=10&News_ID=4943 智慧型機器人運動控制設計介紹

大綱一.運動控制基本概念 1.運動控制系統的元件 2.設定、原型製作，與開發軟體 3.運動控制器 4.移動類型 5.馬達放大器與驅動 6.馬達與機器元素 7.反饋(Feedback)裝置與運動I/O 二.智慧型機器人之應用及未來發展 1.機器手於產業自動化之技術開發與應用三.未來展望

運動控制基本概論 1.運動控制系統的元件下圖即顯示運動控制系統的不同元件。圖 1. 運動控制系統的元件應用軟體 – 應用軟體可設定目標位置與運動控制軌跡 (Profile)。運動控制器– 運動控制器如同系統的大腦，可管理目標位置與運動軌跡、建立馬達所應行進的軌道、針對伺服馬達輸出 ±10 V 訊號，或針對步進馬達輸出步進與方向脈波。

放大器或驅動– 放大器 (亦稱為驅動) 可接收控制器的指令，並產生所需的電流以轉動馬達。 • 馬達-- 馬達將電能轉換為機械能，產生足夠力矩將馬達推送至所需的位置。 • 機器要素– 馬達可為某些機器提供力矩。其中包含滾珠滑組 (Linear slide)、機器手臂，與特殊致動器。 • 反饋裝置或位置感測器– 位置反饋 (Feedback) 裝置並非所有運動控制應用所必須 (如控制步進馬達)，卻為伺服馬達所必要。反饋裝置一般為相位差編碼器 (Quadrature encoder)，可感測馬達位置並將結果回報予控制器，以關閉運動控制器的迴路。

2.設定、原型製作，與開發軟體 應用軟體主要可分為 3 類：設定、原型製作，與應用開發環境 (ADE)。下圖則表示運動控制系統的程式設計過程，還有與該程序相對應的 NI 產品：圖 2. 運動控制系統開發過程設定首先必須設定系統。NI 的 Measurement & Automation Explorer (MAX) 即為互動式工具，可設定運動控制與其他所有的 NI 硬體。針對運動控制，MAX 提供互動式的測試與調整面板，可於程式設計之前，協助使用者了解系統功能。

圖 3. NI MAX 為互動式的工具，可設定並調整運動控制系統。原型製作當系統設定完畢，則可開始製作應用原型並進行開發。在此階段中，必須建立運動控制軌跡 (Profile) 並於系統中進行測試，以確保設定檔符合自己的需求。針對原型製作，NI 則提供 NI 運動小幫手 (Motion Assistant)。NI 運動小幫手為互動式工具，僅需滑鼠點選即可設定相關動作，並根據所設定的動作產生 NI LabVIEW程式碼。NI 運動小幫手的主要優點，在於可設定與可程式化環境中的差異。在可設定的環境中，不需程式設計即可進行開發作業。使用者可將 NI 運動小幫手中的作業，當成預先撰寫的程式碼區塊，並僅需將之設定以符合自己的需要。而就可程式化環境來說，使用者必須使用如 LabVIEW、C，或 Visual Basic 的標準程式設計語言，以完成自己的作業。然而，許多可設定環境的功能往往不甚完備，或較無法整合運動應用以外的 I/O。NI 運動小幫手則提供所有可設定系統的功能，還有 LabVIEW程式碼產生功能，以銜接可程式化環境與可設定環境。

圖 4. NI 運動小幫手可迅速製作原型，並將專案轉換為 LabVIEW VI 或 C 程式碼，以進一步開發之。 3.運動控制器運動控制器即為運動控制系統的大腦，並負責計算所需的移動軌道。由於此作業極為重要，因此往往於機板上的數位訊號處理器 (DSP) 執行，以避免主機電腦產生干擾 (應該沒有人喜歡運動作業因防毒軟體而中斷)。運動控制器將使用自己所計算的軌道，再決定合適的轉矩指令，並將之傳送至馬達放大器以產生運動。運動控制器亦必須關閉 PID 控制迴路。由於此作業需要極高的精確度，且為穩定作業所必須，因此往往直接於機板上關閉控制迴路。除了關閉控制迴路，運動控制器亦監控緊急限制與停止功能，以確保作業安全。若能從機板或即時系統中直接進行上述作業，則可確保運動控制系統的穩定性、精確性，與安全性。可進一步了解 NI DSP 架構運動控制器的 FlexMotion架構。計算軌道運動軌道，代表運動控制器的機板控制作業，或輸出至驅動/放大器的指令訊號，接著依循軌跡造成馬達/運動的行動。一般運動控制器均根據程式的參數值，以計算運動軌跡的軌道區段 (Trajectory segment)。運動控制器則使用所需的目標位置、最大目標速度，與使用者所提供的加速度值，以決定要於 3 項主要移動區段 (加速度、等速度，與減速度) 所耗費的時間。針對一般梯形軌跡的加速度區段，將根據停止位置或先前的移動開始運動作業，並跟著指定的加速坡道 (Acceleration ramp) 動作，直到速度達到移動作業的目標速度。

圖 5. 常見的梯形速度軌跡 運動作業可依目標速度持續所指定的時間，直到控制器決定開始減速度區段，並讓運動停止於所需的目標位置。若運動作業極短，可於完成加速度之前即達到減速度開始點，則軌跡將接著呈現三角形而非梯形，且所達的實際速度可能低於所設定的目標速度。S 曲線 (S-curve) 加速度/減速度為基本的梯形軌道強化，即是針對加速度與減速度的坡道，將之修改為非線性的曲線軌跡。此坡道外觀的微調控制功能，可針對慣性、摩擦力、馬達動態，與其他機器運動系統的限制，依需要而調整運動軌道效能。選擇正確的運動控制器NI 提供 3款 DSP 架構的運動控制器系列，包含低價位的 NI 733x 系列、中階的 NI 734x 系列，與高效能的 NI 735x 系列。NI 733x 系列的低價位控制器，具備 4 軸式步進馬達控制，還有多項應用所需的基本功能，包含單軸與多軸的點對點運動。NI 734x 系列為中階產品，具備最多 4 軸的步進與伺服控制，還有如軌跡追蹤 (Contouring) 與電子傳動 (Electronic gearing) 的進階功能。NI 735x 為高階系列，具備最多 8 軸的步進與伺服控制、額外的 I/O，還有多項高階功能；如無刷馬達的弦波整流 (Sinusoidal commutation)，與高速整合的 4 MHz 週期性斷點 (Periodic breakpoint)，或稱位置觸發器 (Position trigger)。

建立客制的運動控制器 雖然目前具備 DSP 的運動控制器已可適用於多項應用，但若提到 200 kHz 伺服更新率的高精確度運動控制作業，工程師即必須透過客制化印刷電路板 (PCB) 設計所需的運動控制器。如此一來，不僅必須提高開發成本與時間，其運動控制器固定功能亦將缺乏重新設計彈性，亦無法於執行期間適應運動控制運算式的變動。某些需要較高精確度與彈性的應用，則包含半導體產業的晶圓處理機器，或是汽車產業的執行期間可重設組裝線 (Reconfigurable-at-run-time) 的產線內車輛排序 (In-line vehicle sequencing，ILVS) 作業。NI 以可重設 I/O (RIO) 搭配 NI SoftMotion技術，再輔以 FPGA 的完整彈性，特別適用於高精確度的客制化運動控制作業。除了高精確度的應用之外，機器工程師與 OEM 廠商亦可使用 NI SoftMotion開發模組，於多款平台中建置 NI LabVIEW的多軸整合運動控制功能 – 從 NI 插卡式 M 系列 DAQ 介面卡，適用於工業級電腦與 PXI；到使用 NI CompactRIO與 NI Compact FieldPoint可程式化自動控制器 (PAC) 的堅固系統。 4.移動類型單軸、點對點運動最常使用的軌跡之一，即為簡單的單軸、點對點移動；此運動需要軸線所將移動的位置。同時亦需要運動產生時的速度與加速度 (一般均使用預設值)。下圖即是使用預設速度與加速度，於 LabVIEW中移動單軸的情況。整合式多軸運動另外 1 種運動即整合了多軸運動或向量運動。此種移動一般均為 2D 或 3D 空間的點對點運動。向量移動時，需要 X、Y，及/或 Z 軸上的最後位置。而運動控制器亦需要某種類型的向量速度與加速度。此運動軌跡一般均用於 XY-type 的應用中，如掃瞄或自動化顯微作業 (Microscopy)。下圖即是使用 LabVIEW完成雙軸移動。若要進一步了解整合式運動，可參閱 NI-Motion 驅動程式中的 LabVIEWMultiaxis.llb函式庫範例。

圖 7. 於 LabVIEW 中整合多軸運動 軌跡混合 (Blended)運動軌跡混合運動，即混合了 2 組移動使其成為僅 1 組運動。軌跡混合運動需要 2 組移動，還有 1 組可指定混合尺寸的混合因子 (Blend factor)。軌跡混合 (Blending) 極適用於 2 組不同移動之間的連續運動應用。然而，在混合軌跡運動中，系統將不會通過原始軌道中的所有運動點。若路徑上的特定位置極為重要，則可考慮採用軌跡追蹤 (Contouring) 運動。 5.馬達放大器與驅動馬達放大器或驅動均為系統的 1 部分。運動控制器先以低電流的類比電壓訊號構成指令，在馬達放大器接收之後，再將之轉換為高電流的訊號以驅動馬達。馬達驅動具有多種不同的變數，以符合所驅動的不同類型馬達。舉例來說，步進馬達驅動即連接步進馬達，而不會連接伺服馬達。除了搭配對應的馬達技術之外，驅動亦必須提供正確的電壓、連續電流，與峰值電流，以驅動該馬達。若驅動供應過多電流，則可能損毀馬達。若驅動供應電流不足，則馬達無法達到完全的轉矩功能。若電壓不足，則馬達將無法全速運轉。使用者亦必須考量放大器與控制器的連接方法。某幾間馬達公司所銷售的驅動，均可輕鬆連接自家的馬達產品。NI 所提供的驅動，可同時用於雙相位 (Two-phase) 步進馬達與 DC 帶刷伺服馬達。這些驅動均具備螺絲固定端點，可連接多款不同的馬達。下圖則說明 NI 馬達驅動的相異處。若要連接其他製造商的驅動與放大器，NI 則提供通用運動介面 (Universal motion interface，UMI) – 具備螺絲固定端點連結功能的標準 UMI-7764；還有具備 24 V 邏輯數位 I/O 與 D-SUB 連結功能的工業級 UMI-7774。

6.馬達與機器元素 在設計運動控制系統時，馬達選擇與機器設計均為關鍵部分。雖然多家馬達公司均可協助客戶選擇正確的馬達，但是使用者最好能夠再選擇馬達之前，先行了解某些基本概念。下圖即說明不同的馬達技術。根據所要使用的技術，再進一步決定馬達軸芯的轉矩與慣性。若要計算系統轉矩，請參閱 zone.ni.com 的馬達基本概念文件。當選擇馬達或其他機件時，可能亦需考量現成的致動器 (如單階) 是否適合應用。致動器的階層 (Stage) 將傳輸電能以達有效的旋轉或線性運動，而不需再由使用者設計之。可透過 ni.com/motion/advisors 中的 Stage Advisor，找到多家 NI 聯盟夥伴所提供的階層。 7.反饋(Feedback)裝置與運動I/O 反饋 (Feedback)裝置反饋裝置可協助運動控制器了解馬達位置。最常見的位置反饋裝置，即為相位差編碼器 (Quadrature encoder)，可提供起始點的相對位置。大多數的運動控制器，均為搭配使用此類型的編碼器所設計。其他反饋裝置則包含可提供類比位置反饋的位移計 (Potentiometer)、提供速度反饋的轉速計 (Tachometer)、可進行絕對位置量測的絕對編碼器，還有可進行絕對位置量測的解析器 (Resolver)。當使用 NI 運動控制器時，則可使用相位差編碼器與位移計。

運動 I/O運動控制中的其他重要 I/O，包含限動開關、原點開關、位置觸發器，與位置擷取輸入。限動開關 (Limit switch) 可通知運動結束的資訊，以避免造成系統毀損。當運動系統接觸到限動開關時，一般均將停止移動。而原點開關 (Home switch) 將指出系統的原點位置，以協助使用者定義參考點。此功能對 Pick-and-place 機器臂的應用特別重要。圖 13. 運動控制系統中的限動與原點開關當整合其他裝置時，如位置觸發器輸出，或位置擷取輸入的觸發器就顯得重要。透過位置觸發器輸出 (亦稱為斷點與位置比較)，即可將觸發器設定於預先輸入的位置進行作業。此類型的動作特別適用於如掃瞄作業，而使用者可能必須觸發 1 組系統，使其能夠在預先設定的位置上進行量測。而位置擷取輸入 (Position capture input)，可讓運動控制器迅速擷取事件發生的位置，並將之儲存至記憶體中。若使用者擁有外部觸發器，且欲知道於系統中發生的位置時，則可透過位置擷取輸入進行作業。

智慧型機器人之應用及未來發展 在《鋼鐵人》、《變形金剛》等電影當中，機器人可以成為天才發明家的絕佳幫手，狂派金剛甚至可以化身家庭電氣用品監控人類，企圖毀滅世界；在現實生活裡，具備視覺判斷與感知能力的智慧型機器人，也正悄悄推動製造業生產自動化的二次革命。　機器人在製造業中的應用，其實並不是新鮮事。早在1959年就有第一家工業製造廠Unimation在美國成立；國內也在七○年代開始推動生產線自動化，將機器人大量應用在食品、印刷、汽車零配件、金屬鑄造、塑膠製模等傳統製造業。當時使用機器人的著眼點，其一是降低成本、節省人力；其二則是以機器人去代人類去從事3K（骯髒、辛苦、危險）生產環境下的辛苦勞動，有效解決高風險工作環境下的人力短缺問題。機器人的功能，也大多集中在搬運、焊接、噴漆等技術門檻不高的基礎工作層次。　不過，隨著製造業的發展重心，由傳統製造業漸漸轉移至高科技產業，對機器人的需求也大不相同，由過去的「自動化」，漸漸演變為現今的「智慧自動化」，使機器人再度成為顯學，成為歐美各國的發展重點，紛紛投入智慧機器人研發，希望讓機器人從事更為精確細膩、附加價值更高、生產彈性更大、更能因應高品質要求的工作。　根據IFR國際機器人聯盟（International Federation of Robotics）的統計數字，目前全球機器人產值約4,000億新臺幣，正進入「智慧化」的關鍵轉形期。不但歐盟成立EUROP研發聯盟，加速產業機器人的智慧化腳步，美國也提出國家機器人計劃（National Robotics Initiative），投入次世代機器人研發。除了產業型機器人以外，鄰近的韓國和日本，更對目前尚未成熟的具智慧功能的服務型機器人市場虎視眈眈，將服務型智慧機器人的發展，視為下世代明星產業。　尤其台灣製造業在量大、生產技術門檻較低的傳統製造業方面，並未占有太大優勢；如何在台灣製造業目前仍居優勢地位的生產基礎下，繼續向上加值提升，達到製造業服務化，高科技業自動化等目標，在激烈的全球競爭下掌握升級先機，產業機器人的智慧化發展，在其中扮演了關鍵角色。

自主研發促進產業升級 為了協助國內製造業產業升級，工研院在經濟部技術處的支持下，三年來積極投入智慧機器人發展，不但研發出從機械結構、關鍵零組件整合、軟體設計、核心控制系統，都百分之百由國人自主研發的機器人；更融合智慧視覺辨識技術、環境攝影機定位技術等尖端科技，讓產業機器人達成智慧化目標。在服務型的機器人開發方面，也以具備手眼協調能力的機器人Roppie與智慧清潔機器人，成為國內業者切入服務型機器人市場的敲門磚。　經過視覺辨識技術與自行研發核心控制系統的客製化設計，國人自主研發的智慧產業機器人，不但能符合國內製造業的生產需求，使生產線更具彈性，還能直接帶動關鍵零組件產業升級，包括馬達、減速器、控制器等產業，都將直接受惠。在智慧機器人所適用的產業類別方面，不但能符合傳統製造業對人力的需求，以更高的效率和生產彈性，達到降低生產成本的目標，精確靈巧的動作，更能符合3C產業生產自動化的高標準要求。　工研院機械所經理巫震華表示，對國內製造業者來說，在國際競爭之下，自動化的腳步，勢在必行。舉例來說，若業者聘請一個員工，一天最多只能工作8~10小時；若使用機器人，不但能夠一天幾乎工作24個小時，還不需要考慮薪資、勞健保…等人事成本。　台北國際機器人展上看得到的機械手臂，大多數都是國內代理商所代理的國外品牌，國內的製造業者，當然可以買這些國外進口的機器人來使用，但比較大的問題是，國外業者的機械手臂，在軟硬體上都不會針對廠商的特殊需要去修改，機械手臂買來之後，業者要自己想辦法應用到生產線。假設修改進口機械手臂的時間是一個月，那業者所耗費的成本，絕對不僅是購買這具機械手臂的成本，還要再加上一個月的電子設備、人事成本等負擔，絕對不僅是硬體成本而已。　「但是工研院所展出的機械手臂，百分之百是由國人自主研發，在核心結構上都是共通的，能夠針對不同生產線的需要，進行客製化，能夠迅速貼合國內製造業者的需求，」巫震華強調，「除了機械手臂的機械技術以外，工研院也為業者開發控制軟體，能夠針對特定的功能需求修改程式。尤其以國內的製造業者所接到的訂單來說，都是量比較少，但式樣相對多；因為量比較大的訂單，經常都集中在中國大陸。這代表國內的製造業者，必須很頻繁地去換線，因此自動化系統必須要能夠做到愈彈性愈好。」

自動化的關鍵轉型期 尤其台灣目前正處於後ECFA的關鍵轉型期，由國人百分之百掌握智慧機器人關鍵技術，不但能協助台灣製造業者產業升級，在代工生產方面，提升全球競爭力；在大陸薪資結構逐漸調漲的大趨勢下，當初受大陸的低工資吸引去設廠的廠商，也已開始轉向自動化機械生產，對自動化生產設備的需求也隨之提高，並且很有可能優先使用台灣所研發的零組件與智慧機器人系統。對國內相關業者來說，不但是以零組件供應商，切入機器人產業的大好時機，更是以系統供應商的角色，切入智慧機器人市場的絕佳機會。　工研院機械所智慧機器人技術組副組長黃俊弘指出，目前全世界在生產工業用機械手臂的廠商，規模都還很小，還沒有出現一統市場的獨大者。對於台灣廠商來說，只要掌握關鍵技術與零組件優勢，想要以系統供應商的角色切入智慧機器人產業，機會其實還蠻大的。　與工研院合作超過20年歷史的祥儀企業，已針對機器人拆卸工件自動化等多項技術，進行技術轉移。管理部經理王贈祺指出，該公司是製造工廠，搬運工作的低階人力，已經愈來俞難招募；能夠由機器人來取代，再好不過。祥儀也可以把原本投入在搬運人力上的資源和成本，轉投入到研發上頭去，讓研發的能量更強。　過去祥儀企業以生產馬達為核心業務，借助工研院的研發能量，目前正努力從過去的機器人關鍵零組件供應商，升級為智慧機器人系統供應商；甚至也企圖與日韓品牌競爭，積極切入極具發展潛力的服務型機器人市場。王贈祺表示，因為就DC微小馬達的市場來說，利潤會愈來愈少，再加上面臨到大陸業者的競爭，必須向上升級，朝更高層次的系統供應商去轉型。目前在服務型機器人方面，祥儀企業已有具體成果，正積極以導覽型智慧機器人切入市場，該公司的機器人產品，也是透過和工研院的技轉合作。類似功能的產品，日本品牌機器人的市場售價，大約要新台幣350萬；但因為使用的是國人自主研發的關鍵技術，讓成本可以大幅降低，也使祥儀的產品的售價，非常有競爭力，大約只要日本品牌的三分之一。一場與時間賽跑的二次自動化革命，正全方位起跑。

◎機器人手機組裝／拆卸單元： 瞄準3C產業的需要，工研院結合視覺辨識技術與最新研發的六軸垂直關節型機械手臂，使機器手臂變得更聰明，能夠自主地從事組裝狀況判斷，以迅速靈巧的動作，勝任精密的手機組裝與拆卸的工作，並且公差只有0.02mm。運用視覺辨識技術的演算，不但在組裝過程當中，能夠檢測出組裝狀態是否有失誤或缺料；在組裝完成之後，還能再利用裝設於機械手臂上的鏡頭，做檢查的工作。　當機器手臂規劃出運動路線後，操作者可以在系統的模擬畫面中，看到規劃的結果，幫助使用者規劃最佳運動路徑。人性化的人機界面，協助使用者更好上手操作。最重要的是，控制這具機器手臂馬達運作的運動控制卡，也是完全由工研院自主研發，並不是買國外的技術。由於整套系統都是由國人自主研發，便能迅速針對不同生產線的需求，進行客製化調整。經過測試，平均組裝一只手機只要60秒；即使再加入複雜的零組件，組裝時間也能控制在兩分鐘之內完成，預期其產能效益可提升50%以上。　工研院預計明年將進一步導入力量控制系統，將力量感測器加入馬達出力軸，讓機器人不僅專注於位置精度，還能兼顧力量大小的控制，達成更高度精密產品的組裝。 ◎機器人鎖螺絲自動化：傳統的機器手臂，必須要將等待被鎖上的螺絲固定在一定的位置；對於業者來說，必須先耗費固定物件的時間和成本，設計夾治具，才能讓生產線運作。工研院將視覺辨識技術與機械手臂相結合，在機械手臂的工作範圍上方，裝設一組鏡頭，將視覺辨識與定位技術，應用於螺絲孔洞搜尋與定位計算。如此一來，機器手臂便具備辨識待鎖螺絲的角度和方向的能力，不需要夾治具先將螺絲固定，不但省下業者去設計昂貴夾治具的時間和成本，也讓生產過程更具彈性。 ◎機器人異型件組裝自動化：目前的3C電子產品主機板的插件，由於物件細小且異質性高，主要還是仰賴人工處理。但透過具視覺辨識能力的自動化機器人設備，可以在主機板插件之前，辨識出小型電容零件的極性位置，迅速而正確的進行電容插件。以直徑6.3mm的小型固態電容為例，從供料到插件，只需要1.5秒即可完成，動作靈巧精確。　在目前的人工處理程序下，大約每100片會有一至兩片插件失誤，錯誤率其實不低。但若以自動化的機械手臂來處理，不但能夠使錯誤率降低，更具備人工所不能及的高速優勢，對電子業與半導體產業的發展，將有很大的幫助。

◎水五金產線動態導引夾取： 傳統的水五金生產線，由於五金形狀各異，業者必須一一設計多種夾治具去夾取，設計之後還必須生產製造，不但耗費資本，也浪費時間。工研院開發動態視覺導引定位技術，使機械手臂能透過視覺辨識系統，判斷各種不同形狀的物件姿態，自動以正確的角度，抓取正在輸送帶上移動的不同形狀水五金零件，完成自動化入料加工動作。　更重要的是，讓業者只要透過軟體修改，就可以用同一條生產線機具，生產多樣化的產品。不但對提升國內水五金業者的國際競爭力，有很大幫助，若結合自動化或加工設備製造商，還能增加國內機器人系統整合商附加價值，滿足大中華區生產需求。 ◎機器人沖壓與物料運送自動化：沖壓與物料運送若採用傳統人工來處理，高分貝的工作環境將對人體健康產生威脅。工研院研發的沖壓與物料運送自動化系統，讓機械手臂替人類代勞。運用視覺與影像辨識系統，引導機器人自動下料與取料，提升機器人上下料定位效能。物料沖壓完成後，還能聰明地自動將物件運送上車，兼具智慧型最短路徑規劃與閃避障礙導航功能。 ◎機器人噴漆塗裝自動化與安全保護技術：機器手臂不但能長時間在惡劣的環境中進行噴塗工作，加入視覺辨識系統之後，系統還能以視覺感應是否有人員或異物進入噴塗工作區域，並依照其遠近距離，改變機器手臂動作的速度；人員越靠近，機器手臂的速度就越慢。機器手臂除了能夠配合不同工件尺寸調整噴塗的路徑以外，還能夠配合輸送帶移動，調整噴槍的位置，從事3D立體不同角度的噴塗作業，達到噴塗途徑最佳化。　此外，若要噴塗不同形狀、尺寸的各式工件，系統只要修改軟體，就可以調整噴塗路徑，快速調整製程，滿足業者生產線彈性化的需求。 ◎機器人裝卸工件自動化：這是一具六軸產業機器人，從機械結構到核心控制晶片，都由工研院自主研發，目前最大負重20公斤，最大運動範圍1,660mm，主要是搭配工具機使用，負責將物料由料盤夾至工具機上進入製程。透過模擬系統，使用者可以事先在控制介面上，看到3D On-Line運動模擬，使操作更便利。　系統具備防碰撞功能，若在運送過程有可能發生碰撞，機器人就會主動停下來，提升工作環境的安全性。對於大型機械加工廠來說，不但能節省搬運的人力，也能降低搬運時物料掉落或發生碰撞的風險。使用國人自主研發的系統，更有維修迅修、擴充便利，使用界面容易上手的好處。

◎Roppie機器人： 機器人也會當投手？沒錯，工研院現場所展示的Roppie機器人，特地戴上棒球帽，穿上棒球服，以下巴位置的兩個鏡頭，辨識對面九宮格中的特定紅藍圖案，再利用全身的26個自由度，做到手眼協調，執行投球任務，並現場和參展觀眾相互競技，結果當然是經過精密計算的機器人占上風。　這是工研院結合影像特徵辨識技術與手臂控制技術的研發成果，除了初步的投球動作以外，未來還能進一步辨識家中生活物品的擺設角度和方向，以靈活精確的動作，協助銀髮族取放物品。未來將進一步加入語音對話、安全監控、健康照護等功能，提供互動陪伴，成為居家服務智慧機器人，不但能滿足少子化高齡社會的需求，成為銀髮族的居家智慧幫手，也是國內業者切入服務型機器人市場的重要契機。 ◎智慧清潔機器人：智慧型吸塵器對一般民眾來說並不陌生，但由工研院所研發的智慧清潔機器人，不但具備專利智慧粉塵偵測功能，能夠自行判斷最有效率的清潔路徑，還能夠針對粉塵多寡，自動調整吸力的大小，兼顧經濟節能；專利智慧渦輪模組，具備低噪音、大吸力、高流量特色，可以達到超靜音智慧清潔效果。　若進一步結合視覺辨識系統，於機身安裝攝影鏡頭與LED輔助照明燈，還能兼具保全監控與居家照護功能。透過網路通訊，使用者可以自遠端透過智慧手機、PDA、平板電腦或筆記型電腦，即時看到家中的狀況，是未來生活居家的絕佳幫手。

1.機器手於產業自動化之技術開發與應用 為了達到近幾年很夯的精微製造上動則微、奈米級尺度的高精密度需求，甚至還要使用多個裝有高倍鏡頭的攝影機來導引或閉迴路式地控制精微製造業，這些都需要機器手的超級細緻之動作，本文針對金屬中心所研發的機器手特性，以及近幾年來所建立之影像伺服定位技術與機電系統整合技術，應用於自行開發的薄型馬達，其自動化組裝方面之技術設計與開發的實務案例，在本文中作簡要的敘述，以供作發展機器手之參考。水平式機器手自動精微組裝系統之發展金屬中心致力於機器手精密機電之基礎技術研究與開發，並具有多項機器手臂、機器視覺應用及PC、PLC伺服多軸運動控制之產業服務案例。近幾年已積極地由傳統的加工製造產業轉型投入精微製造加工領域，並且成功地開發出一薄型的小型馬達，如圖1所示，該馬達的直徑為15mm（新一型的馬達將縮小至12mm），而厚度僅為2.5mm，為了使此精微製程產品的製造、組裝的功能更加完整，有關於水平式機械手臂自動微組裝的載具即以此薄型馬達做為組裝之對象。由圖1可看出，此薄型的小型馬達大多數元件屬於「圓形」，為了使整個工程案件得以事半功倍，所以整個系統的規劃就從「圓形」元件的水平式機械手臂自動化微組裝開始著手。「圓形」之類的物件特性與優點在於沒方向性，但是缺點就是水平式機械手臂在挾持及取放時，難度會比較高一些，因此元件的預定位、輸送及挾持等相關機構的設計，也是整個微組裝系統的關鍵技術之一。為了要有效提昇微元件整體機器手自動化組裝的技術能力，此工程案件除了著重在整體系統面的考量外，亦將另一開發重點置於微元件的挾持與預定位，因為在微元件組裝的眾多步驟中，「挾持與預定位」是在完成精密對位之前的必要重點程序，特別是當零組件有不同的尺寸、外型、材質時，既要適度的抓取，同時也必須能夠傳輸及預定位，是非常具有挑戰性而且頗值得開發的一個研究題材。其次，為了有效確認物件的空間位置及計算在空間中的誤差，搭配機器手臂動作的機器視覺則是需建立的另一項關鍵技術，這主要是著眼在座落於不同空間元件組合、對位之設計考量，以便開發出更具彈性的異空間視覺輔助對位技術。而機器視覺系統所獲得之空間誤差的補償，就交由伺服運動控制系統來處理，整體屬於「薄型馬達」之桌上型自動化組裝的規劃及方法之構想即如圖2所示。

圖1 金屬中心成功開發之薄型馬達外觀及組件圖圖2 「薄型馬達」之桌上型機器手臂自動化組裝規劃架構

以下在圖3之中一系列的連續圖像，代表著影像伺服及水平式機械手臂為主的薄型馬達組裝流程，主要係選取上述薄型馬達之兩個圓形元件作為自動組裝之載具，其中一個元件事先放置於一小型棧板上，而另外一個元件則透過一平送輸送機供料。其間主要透過機器視覺（Robot Vision）技術之應用與演算法開發，將一小型水平式機械手臂裝上一具適當解析度、焦距的攝影機（camera），並且在小型棧板旁設置另外一具適當解析度、焦距的攝影機（camera），分別偵測兩個物件經過取放後之位置，透過影像處理與演算法運算後，得到的相對位置偏差量，再經由伺服控制系統進行位置偏差補償之後，最後才進行水平式機械手臂精微組裝之程序。在這個微組裝的實務案例中，選擇性順從裝配機器人手臂（Selective Compliance Assembly Robot Arm SCARA），也就是水平式機械手臂，來實現薄型馬達為組裝目標之流程，因為SCARA機械手臂為關節結構機械手臂，其特色是垂直方向為剛體結構，水平方向則是移動平面，因此特別適用於搬運及組裝工作。圖3 以影像伺服及水平式機械手臂為主的薄型馬達組裝流程

水平式機械手臂（SCARA）設計程序，主要包含了SCARA機械手臂結構設計與電控程式撰寫兩大部分，在機器手臂結構設計方面，使用了動態模擬分析軟體，從最大可搬移質量兩公斤之目標，各軸規格分別為X軸長225mm、Y軸長175mm、Z軸有效行程150mm等規格，開始由末端軸作動態分析，選擇適當的伺服馬達與各軸適合應力之材料（如圖4、5所示），待機器手臂各軸之伺服馬達與手臂材料都確定之後，再將這些資料一起在動態模擬分析軟體上，作多軸同動的動態模擬，藉以將整個水平式機械手臂的機械結構再度調整到最佳狀況，動態模擬分析可以協助我們節省許多錯誤嘗試所發生的材料耗損，所以當分析結束之後，我們就大可放心地開始將機器手臂的機械結構依照機構圖開始組裝，同時也可以開始為整個系統配電（如圖6所示），當整個機器手臂組立完成時（如圖7所示），便可開始與電控程式結合，作整機的測試；電控程式的設計方面，電控人員也必須對於整個機器手的機構做通盤了解，如此才能掌握各軸運動的極限，並且在程式中針對機器手作運轉上的保護。除此之外，一個好操控的機器手臂系統，一定要有容易操作且完備的人機操作介面，所以我們也為此水平式機械手臂（SCARA）系統設計了適當的機器手控制軟體（如圖8所示），而人機操控界面與實際的機器手臂機構、馬達之間，則是由控制程式與馬達通訊介面驅動程式負責串連，使整個系統可以隨心所欲地操作。水平式機械手臂（SCARA）設計程序，主要包含了SCARA機械手臂結構設計與電控程式撰寫兩大部分，在機器手臂結構設計方面，使用了動態模擬分析軟體，從最大可搬移質量兩公斤之目標，各軸規格分別為X軸長225mm、Y軸長175mm、Z軸有效行程150mm等規格，開始由末端軸作動態分析，選擇適當的伺服馬達與各軸適合應力之材料（如圖4、5所示），待機器手臂各軸之伺服馬達與手臂材料都確定之後，再將這些資料一起在動態模擬分析軟體上，作多軸同動的動態模擬，藉以將整個水平式機械手臂的機械結構再度調整到最佳狀況，動態模擬分析可以協助我們節省許多錯誤嘗試所發生的材料耗損，所以當分析結束之後，我們就大可放心地開始將機器手臂的機械結構依照機構圖開始組裝，同時也可以開始為整個系統配電（如圖6所示），當整個機器手臂組立完成時（如圖7所示），便可開始與電控程式結合，作整機的測試；電控程式的設計方面，電控人員也必須對於整個機器手的機構做通盤了解，如此才能掌握各軸運動的極限，並且在程式中針對機器手作運轉上的保護。除此之外，一個好操控的機器手臂系統，一定要有容易操作且完備的人機操作介面，所以我們也為此水平式機械手臂（SCARA）系統設計了適當的機器手控制軟體（如圖8所示），而人機操控界面與實際的機器手臂機構、馬達之間，則是由控制程式與馬達通訊介面驅動程式負責串連，使整個系統可以隨心所欲地操作。圖4 水平式機械手臂系統各軸定義之圖示

5-1 (左圖) 水平式機械手臂系統第一軸動態模擬 5-2 (右圖) 水平式機械手臂系統第二軸動態模擬 5-3 (左圖) 水平式機械手臂系統第三軸動態模擬 5-4 (右圖) 水平式機械手臂系統第四軸動態模擬圖5 水平式機械手臂系統各軸動態模擬

圖6 水平式機械手臂之系統配電 圖7 機器手臂之外觀圖8 水平式機械手臂控制軟體

雖然有了機器手可以執行實際的組裝流程，但是這樣的系統似乎還缺乏了相當重要的定位與辨識的功能，沒有定位與辨識功能的機器手，動作起來就猶如盲人摸象般的亂動，做出來的動作是毫無意義可言的。因此，給予機器手明確的定位動作是非常重要的事情。在實現這個薄型馬達微組裝案例上，是以CCD/CMOS感測器作為伺服定位技術的主要感測器，採用了許多機器視覺（Machine Vision）的理論。機器視覺（Machine Vision）是一項涵蓋面常廣泛的應用科學，包含了電子電機、光學理論、照明工程、影像處理、運動控制、機械結構、機器人學…等。機器視覺的功能就是要達到如同人類眼睛覺能力一樣，人類是以雙眼來擷取影像，經由大腦來分析及判斷所需要的資訊，再將指令送出給其他部位動作；而機器視覺正是使用任何可以取得影像資訊的設備（例如CCD、CMOS攝影機）來取得所需的影像，並透過適當且足夠頻寬的匯流排，將擷取得的影像資料傳送到電腦內，讓電腦針對擷取得的影像進行處理以及分析（如影像型態學的處理、去雜訊處理、影像強化處理或是影像辨識）之後，使用一些演算法像是人工智慧型的演算法，透過現代電腦高速的運算核心CPU來計算出一些重要的資訊（例如定位的位置資訊或是目標位置資訊），再透過不同功能的通訊介面，傳到電腦的周邊配備、機械裝置或是機器手來完成所想要達到的目的。在關鍵性微小化的零件由設計到成為商品的過程中，機器手組裝的精密度是極其重要之要素。假若透過人為手動組裝的方式，來組裝這些要求高組裝精密度的微小化元件，常常會無法保持水準以上的精密度以及良率，而且非常地耗時；特別是當所要求的組裝精密度已經到微米級（micrometer），甚至是次微米級（submicrometer）的等級時，已經不是人眼、人手所能勝任的任務了，因此設置能夠明確辨識這些精微化元件的外型尺寸的視覺系統是有其必要性的，而且還要與機器手自動化組裝精密設備的機組做最好的搭配，才可以使產品線加速生產，同時又提高產品的良率。人工視覺與機械視覺的最大差異性就在於人工視覺會因為個人行為的差異，無法達到連續、有效率並一致性的判斷同樣物件，但是機械視覺的功能則較無此困擾，能展現其高效率及確定判斷基礎的一致性。所以此薄型馬達微組裝案例之目標即是將異空間之微元件，應用現有的視覺技術，並且透過影像伺服系統，以影像辨識功能搭配次像素來精準運算待組裝物件之空間位置，最後再藉由影像辨識結果來導引多軸精密水平式機械手臂，而達到快速、精準的精微元件自動化組裝之目的。實際上，一個較為複雜的精微組裝系統，採用影像感測器輔助的頻率頗高，而且對於影像感測器數量的需求可能不止一、二組，有時候必須視組裝物的體積大小、複雜度或是精密度的要求甚至要高達五、六組以上的影像感測器。例如Klocke公司所製作的微型組件機器手構裝系統，就已經明確地在他們的系統功能上標示該系統甚至採用高達六組的攝影機進行視覺伺服搭配機器手做組裝、視覺對位、影像檢驗等各項工作，如圖11所示。

圖9 採用高達六組攝影機進行組裝、對位、檢驗等各項工作的微組裝系統

未來展望 • 隨著科技的多元化、製造的自動化、製造產能的高速化以及精密度越來越高，機器手在工業上的應用領域，也快速地拓展。以金屬中心為例，從一開始做簡單兩軸機器手臂之路徑規畫，讓機器手可以做簡單的取放物品之動作，經過不斷地努力研發，加上許多感測器的搭配使用與整合了PC-Based系統、PLC程控系統、運動控制等技術，協助廠商成功開發出「雷射銲接精密對位系統」及「軟性電路板PSR自動化曝光機」。近幾年以來，因為在影像視覺技術有突破性的進展，使用了類似人眼的攝影機當作主要的感測器，使得機器手的應用更多元，不僅協助廠商成功開發出可以使用簡單的機器手挑出不好IC的「微型IC機器視覺自動化檢測機」外，更開發了許多需要光、機、電、材料、製程、具備高親和性的人機介面、智慧型參數設定及生產資料庫及機電系統整合…等，一般常見的PC-Based系統之特性的高階設備，像是高精密度之軟性電路板平行光自動化曝光機以及晶圓自動化曝光機…等，需要攝影機、多種感測器整合運用、附有抽真空功能又具有路徑規畫的機器手及高精密對位平台等關鍵技術的開發；又比如，德國的Klocke公司，該公司主要領先的是精微系統的精密定位與量測技術，其中包括各種不同需求的機器手臂之研發、硬體開發、影像視覺、控制網路、軟體程式等。從上面的例子，其實可以很容易發現，機器手的使用，已經不再是單純地讓機器手做很固定的動作而已，特別是工業機器手的應用，已經踏入許多目前最高科技產品製造的殿堂了，在這些高科技產品的製造上，多是要求相當高精度的標準，像是微米或是奈米等級；而製造這些高科技展品的流程也非常的多，比如台灣最有名的IC製造，其製造的手續就多達一千道左右，這些高科技的需求，讓工業機器手的路徑規畫之類的基本超控技術要日新月異之外，還必須要與多種不同用途的感測器結合使用，像是使用多個一般常見的光閘感測器，搭配上軟體控制，就可以控制工業機器手在安全的範圍內工作；使用壓力感測器避迴路控制工業機器手，可以適當地控制工業機器手所使用的力道；而採用攝影機當作感測器，就可以讓一台機器像是長了眼睛一樣，再透過智慧型的控制方法，就可以導引工業機器手完成許多工程上的工作。總而言之，機器手的系統，是一個超級組合工作單元，在未來這種工作單元將會要可移動，同時安裝簡便，根據需求可快速配置。機器手、移動組合部件、夾具、末端執行器等作為一個系統整合在一起，同時利用虛擬工廠概念虛擬出整個工作單元，在裡面進行一系列的模擬，而後根據模擬結果，做出優化以保證工作過程的最佳效果以及不中斷。超級組合工作單元的概念和配置必須面向整個製造週期以降低成本，其機械零件介面和電子零件介面的設計最好要遵循即插即用的原則，同時還要遵循標準的資料、通訊協定。最重要的是要透過感測器和智慧控制實現工藝過程的自我調整優化，並能使自我調整優化和模擬優化的結果轉化為詳細的控制程式。

智慧型機器人運動控制設計介紹

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