根據國際機器人聯盟（IFR）最新統計全球工業機器人市場需求在2014年開始倍增，於2016年將達到29萬部；並預估全球工業型機器人2017~2019年將以平均成長率每年13%以上快速成長，銷售台數約140萬部，而目前導入工業型機器人的前3大產業依序為：汽車、電機/電子、機械金屬。

服務型機器人則以專業應用（Professional usage robots）居多，需求量在2015年成長25%，約達到4萬1,060台；又以製造、批發零售業用的物流機器人（logistic systems）與無人搬運車（AGV）成長50%，占比達到62%最大，其次是國防、農牧等產業。

而回顧工研院在工業、服務型機器人領域發展，2005~2010年主要聚焦於服務型機種；到了2010年全力開發各款工業多關節型機器人，並從2015年開始針對CPS虛實整合應用等需求開發軟體，在2017年陸續推出輕量化、模組化機器人及關鍵零組件。

產研合造開發平台　橫跨工業及服務型領域

尤其到了近年來，隨著人類與機器人協作已成為製造業投入工業4.0時代後的重要趨勢，如何將協作型機器人（cobots）做得更精巧又簡易操作，儼然已形成機器人及零組件製造廠商的共同挑戰，工研院也在今（2017）年台灣機器人與智慧自動化展期間，率先發表與和椿科技共同開發出的驅控整合關節模組及應用技術。

工研院機械與系統研究所所長胡竹生也在成果發表會上致詞時表示，因應未來智慧機器人應用越來越豐富多元，個別製造廠商必須先行合力打造開發平台，始能與國際大廠競逐未來機器人產業的美好願景。工研院於今年台北國際自動化大展期間舉辦技術發表會，則希望能藉此引進業者合作，共同打造跨足多個應用領域平台。

投入智慧機器人模組化　整合零組件為成敗關鍵

圖1 : 目前工研院所架構智慧機器人的技術平台（OISP），由零組件扮演成敗關鍵，並依序衍生出3大應用主軸，建立不同核心技術模組。（資料來源:工研院）

工研院機械與系統研究所組長游鴻修進一步分析，目前工研院所架構智慧機器人的技術平台（OISP），已由零組件扮演成敗關鍵，並依序衍生出3大應用主軸：

1. 次世代人機協同的工業機器人，係自2015年推出安全協作型機器人之後，在2017年再推出模組化機種，以符合輕量、靈活等應用需求；AGV也逐步從有軌演進為無軌式設計，並嘗試解決從AC轉換為DC電源的問題，兩者還能再組合成Mobile Robot自主移動型機器人。

2. 虛實整合機器人智動化單元，分為物流機器人管理系統、CPS研拋機器人加工單元，係透過虛實整合機器人周邊軟硬體應用及手眼力協調功能，以解決不同產業問題。

3. 創新應用服務型機器人，則有外骨骼機器人、Qubi機器人等，主要用於生活輔助。

進而建立不同核心技術模組（TBB, technology building Block），包含：撓曲觸覺、2D/3D視覺感測與磁感定位模組，以及MIO控制器、AGV核心導引模組等，目前共組成5型11款工業機器人、6款AGV機器人，還可搭配EzSim研磨拋光和Assas Sim產線自動化模擬器。

整合驅控模組　提升馬達減速機競爭力

值得一提的是，拜現今Universal Robots帶動分散式控制興起、工業通訊網路技術越來越發達之賜，已形成協作型多關節機器人基礎。如工研院今年在會場展示的最新6合1驅控整合伺服系統模組，便強調經過高度機電整合完成後，有別於傳統機器人的伺服系統。不必自行選用單一控制器、伺服馬達及編碼器、驅動器、減速機等零組件，再通過電控箱內部總線整合一堆纜線，才能連接控制與驅動電路的硬體I/O模組運作。反之，藉由同時設計控制、驅動電路與程式，將運動控制器、驅動器的CPU模組整合成為一體化的運動控制器後，外觀大小相當於一個馬克杯大小的「All-in-one Motor」。

圖2 : 最新研發整合馬達、減速機、驅動電路的驅控整合關節模組，可大幅縮小機器手臂單元的空間。（圖片來源：工研院）

其中包含：6軸整合AC伺服驅動器，最大功率為300W/1.2kW、位置控制解析度>17bit，且具備向量控制功能，可串連數組多軸伺服驅動模組，節省單軸驅動器複雜度；進而驅動採用DC.48V供電的永磁式無刷馬達，額定轉速3000r.p.m、功率100W/400W，可支援增量式光學/絕對式磁性編碼器介面及串列規格；還可依輸出扭力需求，以內藏式傳動模組搭配減速比約為1：100適合的減速機。

自主開發的RV減速機則突破歐日專利布局，達到背隙1arc-min、精度60arc-sec等級，與國外品牌相同精度定位和輕量化水準，介面還相容於日本Nabtesco產品。其專利設計包括將原來與輸出前蓋整合為一體的間隔柱，改為分離的傳動柱與襯套，以協助分攤輸出扭力，減少曲柄及其軸承負載，延長產品壽命；並將原斜角滾珠軸承改為滾子交錯軸承，使之更容易製造，也提高力矩剛性（Moment rigidity），相較於E型RV減重20%，還比HD減速機的剛性增加1.5倍，主要可用於工業機器人、銲接變位機、旋轉台、風力發電機等。

至於符合輕量化、體積更小需求的HD減速機，則達到減速比50~160、額定扭力4Nm~140Nm、傳動誤差<1.5arc-min規格。且因為採用高囓合率齒型設計（囓合齒數達30%），透過1~2級擺線齒輪與不同齒形設計，得以減少曲柄、軸承負載；同時考量扭矩負載與徑向彎矩作用，可符合實際場域負載情況，達到7,000~15,000hrs耐久壽命要求；並提高扭矩，減少體積和重量，更有利於生產製造的專利布局。目前主要應用於工業/服務型多軸機器人、外骨骼機器人、半導體設備等。

加上經過頻寬100MHz/1kHz的開放式全數位工業通訊網路EtherCAT介面控制，內建全數位網路伺服控制模組，支援位置/速度/轉矩控制模式，可達1ms網路通訊週期，便於匹配各式PLC、工業電腦的工業控制系統。由於全數位控制技術具有多組聯結特性，既節省單軸驅動器複雜度；工廠自動化也可透過網路傳輸，將驅動模組相關資訊傳送到遠端，實現遠端監控功能。現在包含工業機器人、線切割機、點膠機等，皆可利用控制器整合機能，導入點對點規劃路徑，以提供Total solution應用機能。

此外，因為馬達採取中空軸設計，可有效規劃配線走向，提高空間利用率；再經過精簡化的模組，只須4條纜線，即可輸出/入電源及通訊，使之整合及拆裝更方便。「讓使用者不必再像過去，須要配備一個大型電控箱隨工業機器人移動。」游鴻修說，現在使用者只要加上一顆約便當盒大小的控制器，就能輕鬆置入手提式電控箱，直接操控一台與人協同作業的輕量化6軸機器人，可說是「小空間大魔術」的具體展現。

利用模組化結構　有效改善整機與自動化配置

受惠於模組化構造而減少連接線、成本及控制箱體積，也使配線更精簡且容易維護，得以兼顧高度整合與輕量化特性，滿足各式大小及不同特性機種，皆可進行彈性客製化及自我診斷，而提高競爭力。工研院便藉此成功簡化了機器人設計，可依客戶構型要求，快速組裝完成機器人，以滿足產業多元應用場合。

同時適合做為機器人與移動平台應用，在產業容易整合機器人運動及應用控制器，目前除了投入工業生產外，還能用於機器人的技術驗證、教育訓練、DIY市場，以及特定應用領域的機器人和分散式控制系統等用途，未來還可用於輕量化機器人、輔具與AGV。

圖3 : 工研院6軸協作型、3-4軸SCARA兩款機器人依照不同構型展示其荷重能力及SCARA快速優勢。（攝影：陳念舜）

機械與系統研究所副組長黃甦認為，未來驅控整合模組的價值不僅在工業機器人，還包含服務型機器人需求的輕量小型化及強力、省電需求，可組成雙臂或自主型機器人，關連到服務型機器人普及的成敗；將之縮減為馬克杯大小後，還能促進廠商為其搭建平台，創造各式機種。今年工研院也在會場發表6軸協作型、3-4軸SCARA兩款機器人，各依不同構型來展示其荷重能力及SCARA快速優勢。如L型關節模組，係將殼體直接作為手臂結構，容易組裝；I型可依雙邊支撐方式來設計手臂，具備對稱性且剛性更佳，使之抗彎矩能力大幅提升。

商機伴隨挑戰　打造多元加值平台

但他也坦言，驅控整合模組面臨的挑戰與機會並存，還包括將控制與驅動電路整合後，容易產生電磁干擾，造成訊號失真與傳輸電壓不穩；且控制器與驅動器的整體設計難度增加、體積變小導致電路散熱不易，難找到同時擁有驅動與控制技術的人才。

針對未來情境與產業效益，可透過開發多重感測與驅控技術，突破關鍵零組件仰賴進口的問題，提升台灣零組件的產業價值。經過建立智慧驅動整合模組技術，將更容易與機器人運動與應用控制器（PC-based/controller-based）整合，拓展應用到工業機器人、輔具、無人搬運車、小型伺服平台等。未來工研院還會設計多種動力規格，並建立標準規格的驅控模組，使台灣廠商能採用自主供應零組件來開發多樣化產品。