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自主打造工业4.0智慧物流
机器人与搬运车无缝接轨

【作者: 陳念舜】2018年01月05日 星期五

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根据工研院IEK最新统计2015年全球服务型机器人应用现况中,专业用途机器人(Professionalusagerobots)台数成长率达25%(约4万1,060台)、金额成长14%(约46亿美元),而用於制造业、物流业、批发零售业的物流机器人(logisticsystems)含无人搬运车(AGV)约成长50%。


但有别於一般物流服务业搭载LiDAR-based,并建构环境地图(SLAM)定位的无轨导引方式,特别是在要求精准定位、人机协作的工业机器人领域,由於最终要求确认X-Y-θ定位时,恐无磁条AGV搭载雷达导引的公差过大,在厂内安全性及精度不隹;或须与机器直接接触,允许公差在mm之内者,仅靠演算法仍有意外碰撞之虞,因此工厂还是倾向设置磁条来导引定位,同时要求符合IEC-61496规范,以确保AGV一旦脱离固定轨道、遭遇障碍物时,可即时减速或中止。


再且近年来「自主移动型机器人(Mobile robots)」蔚为风潮,可在工业4.0时代快速回应大批量客制化趋势,自动化生产线必须更灵活、弹性,以节约人力,并提升安全性及生产力,可??为周边感测元件、核心驱动模组制造厂商,与系统整合业者带来庞大商机。


工研院携手9大厂商 发表行动式机器人解决方案

过去工研院机械所曾在2005~2011年间便率先投入台湾服务型机器人产业,曾开发出20馀款服务型机器人,却因为少了相关软体及派车系统服务,使得单机成果始终无法扩散;另外近年来因为Pepper崛起,与电控、机械、AI、辨识软体技术逐渐到位,决定再度投入服务型机器人领域。



图1 : 有别於一般物流服务业搭载LiDAR-based,并建构环境地图(SLAM)定位的无轨导引方式,特别是在要求精准定位、人机协作的的工业机器人领域,工厂还是倾向设置磁条来导引定位。(source:www.cc.gatech.edu)
图1 : 有别於一般物流服务业搭载LiDAR-based,并建构环境地图(SLAM)定位的无轨导引方式,特别是在要求精准定位、人机协作的的工业机器人领域,工厂还是倾向设置磁条来导引定位。(source:www.cc.gatech.edu)

在2017年与「台北国际物流暨物联网展」同期举办的「2017台湾机器人与智慧自动化展」中,工研院机械所携手9大厂商展出11项机器人关键技术,包括自主移动式机器人、方便快速组合的驱控整合关节模组、物流仓储的好帮手棋盘格式AGV派车系统等,期待透过快速拼图加速研发及成果产业化,力求技术复制与扩散,与台湾厂商并肩迈向全新智慧制造时代。


其中,可结合移动性、感知、操纵和人机交互功能,由工研院机械所自主研发的「自主移动式机器人」MAR Q比强调具备高自由度手臂及夹爪,可荷重3公斤;并具有垂直升降躯干,工作范围达140cm、最高移动速度达0.6m/s,适用於采摘农产品、室内环境探勘与作业、卖场巡补货、後勤仓库捡货与运送、厂房巡检与机台操作等轻工业所需。


工研院机械所经理张彦中进一步分享去年开发过程中,因为HTC VIVE引领潮流,而率先引进「互动网真机器人」概念,将之布署於工研院展示场,让使用者可在近端办公室,透过虚拟实境(VR)头盔与电脑操作机器人,建立与机器一致的3D立体视觉;机器人也会随着头盔移动,使用者可藉此得到身历其境感受,进而衍生出远端教学、巡检及进入危险环境等应用。尤其移动式机器人到达厂内工作站後,若无其他站点须要作业,即可执行取放操作。有别於传统每个工作站都须要设置机器人时,稼动率过低;反之,若单部机器人只在需要时,到达指定站点工作,就能提升机器人稼动率、降低采购成本。



图2 : 工研院技术移转与授权荣兴工业开发两款AGV车型,後续成立专业AGV生产公司,开创自主AGV新产业;并持续合作进行棋盘格式派车系统开发,并拟以租代买的破坏式创新的行销策略,进攻国际市场。(摄影/陈念舜)
图2 : 工研院技术移转与授权荣兴工业开发两款AGV车型,後续成立专业AGV生产公司,开创自主AGV新产业;并持续合作进行棋盘格式派车系统开发,并拟以租代买的破坏式创新的行销策略,进攻国际市场。(摄影/陈念舜)

2017年在会场展示的MAR Q比机器人,上半身采用垂直升降400mm设计,即为了满足卖场取放料件温度过高问题;且相容於多种ROS软体模组,确保开发及方便扩充应用。预估到了年底技术会更成熟,移动平台更快;加上sensor模组化,方便让User开发,2018年也会寻求DC电源的机器人供应商合作,并采用台制Smart Motor,逐步提升国产化比例达100%。


但他也坦言,目前该机器人距离商品化还有一段距离,主因即在於数位影音单/双向传输仍偶有不顺、控制动作平滑度还会延迟500ms~1s,不符远端操作要求,须与资通讯业者合作处理。未来若投入服务型机器人开发,建议朝高附加价值服务应用发展,除了工研院可与业者合作,协助开发共通机器人开发平台;至於机器人智慧行为能力开发,有赖於学界专家协助突破,可基於MAR系列机器人作为开发平台;机器人应用服务系统则须业界Master、Service Provider主导开发。张彦中总结,因服务型机器人应用领域广泛,目前尚无四大家族垅断,未来仍有庞大市场商机。


开发自主无人搬运车 工研院掌握核心及服务能力

此外,工研院机械所经理韩孟儒指出,该所早在5年前基於高龄少子化社会来临、老师傅後继无人,而积极投入开发AGV,加速将人力拣料与配送、搬运/上下料作业改为自动化运送,但直到近两年来工业4.0话题兴起,补足上下游产业缺囗,才逐渐为人重视。其关键技术约可分为:无人搬运车多车系统物料自动配送技术、自动搬运/上下料,以及无轨式控制与导引技术。


他进一步分析无人搬运车的核心技术组成架构,由上到下依序为生产管理、派车系统、整机开发、关键模组。通常是中大型设备业者或工厂内部,都会有此生产管理系统,负责读取产线生产管理ERP、分配制造程序。若须透过AGV,则会输入派车UI系统,,考量多车及稼动率,而与多车通过多车通讯协议,再输入路径规划和动作指令,避免碰撞。


目前工研院开发出来的AGV多车派车系统软体,可支援1,000节点,提供使用者自行设计的UI介面;并与工业4.0接轨,提供通讯协议设计、交通管理法则分析和派车/交通法则模拟器,让使用者在尚未进入厂房、仓库前,即可针对产线和厂房实际布署,得知需用AGV数量、可达成效率,并显示运作实况。



图3 : MAR Q比机器人的上半身采用垂直升降400mm设计,即为了满足卖场取放料件温度过高问题;且相容於多种ROS软体模组,确保开发及方便扩充应用。(摄影/陈念舜)
图3 : MAR Q比机器人的上半身采用垂直升降400mm设计,即为了满足卖场取放料件温度过高问题;且相容於多种ROS软体模组,确保开发及方便扩充应用。(摄影/陈念舜)

至於整机和关键模组这两年始陆续有台厂加入开发,却仍须解决与国外品牌不同的难题,如克服中小企业为台湾产业主体,但长期遭遇资金不足,厂房高温、地面油污、起伏等问题,即便有许多设备和导引技术已在国际上广为使用,仍无法在建厂之初即先规划自动化产线导入,还须大幅提高客制化程度。包括可适应地面起伏、抓地力隹的驱动模组与强健避震系统设计、客制化轮胎;再结合大范围磁感测模组、双核心控制器的高运算能力,降低AGV运行所需??转半径达30cm,提升场域适应能力。加上双向运行整机与模组化派车系统,加快自动运载场域建置时间。


韩孟儒表示,过去2年来工研院应用成果以磁轨式居多,以解决不同产业的AGV搬运问题与需求。包括开发高荷重牵引式AGV,以解决地面不平、油污与高荷重搬运等问题,用於螺丝扣件业运行,以解决螺丝产业搬运的共通性问题。并配合马达厂智慧生产线,首创1吨以上高荷重、可自动充电、原地??转型的双向导引AGV;且整合ERP、MES开发智慧多车管理系统软体,同时指派4车运行,以提升运输效率和降低重机具运输的风险。甚至已可跨入生技业无尘室,符合高洁净等级(Class 10,000)运载能力,并提升业者组装及运输综效产能达一倍以上。


工研院并进而将技术移转与授权荣兴工业开发两款AGV车型,後续成立专业AGV生产公司(荣兴自动化科技、ROSATI),开创自主AGV新产业;并持续合作进行棋盘格式派车系统开发,使轨道可以弧线与直角并行,对空间做最有效利用,为业界磁轨式唯一,并拟以租代买的破坏式创新的行销策略,进攻国际市场。同时辅导台湾电动物料搬运设备龙头厂商恒智重机,将电动拖板车与堆高机产品升级至具自动导引功能,开发出台湾首备货叉型AGV。


韩孟儒表示,AGV最早系由汽车制造业导入,随着中国大陆汽车产销总量跃升全球之冠後,带动无人搬运车需求;再加上工资成本剧增及劳动力短缺等问题、工业4.0促进仓储自动化,使得物料搬运自动化市场需求大幅成长。工研院现已逐步突破AGV关键模组、整机与智慧後端多车管理系统的技术瓶颈,可对准中小企业自动化需求,开发客制化关键模组与系统。面临新兴产业应用的需求动能,透过台湾自主化的无人搬运车技术发展,预期可在物流自动化产业供应链中,提供业者所需无人搬运车关键技术与模组。


值得一提的是,目前工研院虽将大部份时间用於开发出多款磁导引式AGV,且自去年起也开始投入开发无轨式AGV,预计在今年底Q4即可产生雏型。韩孟儒表示,相较於现行无轨式AGV技术,美国Adept虽是首先走出实验室的产品,接下来奥地利incubedIT、德国KUKA陆续推出相关机种,但大部份主导引感测器皆采取雷射测距仪,且受到建立环境地图的定位技术影响,误差可能高达±30~50mm。


然而,对於自动化系统而言,必须实际上达到+/-10mm,才能符合对位及自动上下料需求,也是未来工研院机械所开发重点,并以把手操控AGV,以30cm/s的移动速度即时建立环境地图,以搭配雷射导航AGV,规划点对点路径。但受限於感测器定位精度有别,现在盼加入置於墙面或地板的磁性指标定位,外挂3D感测元件定位;未来还考虑加入VR,建立即时3D空间彩色点云地图。


**刊头图(source:rhenus)


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