主流制造商已長(zhǎng)期使用專屬的工業(yè)機(jī)器人，以提升生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)量，因而擁有其他小型企業(yè)無(wú)法匹敵的成本優(yōu)勢(shì)。但是，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)不再是大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)專屬的工具。現(xiàn)在也有較小型的一般用途機(jī)器人，可幫助多種企業(yè)提升生產(chǎn)力，能在最小僅兩平方英尺的工作場(chǎng)所中與操作人員互相合作。

　　本文將探討為何以前無(wú)法以協(xié)作型機(jī)器人的形式，將機(jī)器人大規(guī)模部署在較小型的企業(yè)中，以及為何這種情況出現(xiàn)改變。然后還會(huì)介紹一些機(jī)器人范例，如KUKA Robotics Corp.推出的機(jī)械手臂，同時(shí)展示如何在大型和小型設(shè)施中應(yīng)用這些機(jī)械手臂。

　　協(xié)作型機(jī)器人的崛起

　　工業(yè)機(jī)器人會(huì)局限于大規(guī)模營(yíng)運(yùn)是因?yàn)閹讉�(gè)歷史因素。其中一個(gè)主要因素就是難以實(shí)現(xiàn)投資報(bào)酬率(ROI)。早期的工業(yè)機(jī)器人不僅需要投入大量的心力進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且還需要根據(jù)任務(wù)進(jìn)行量身定制。因此，這些機(jī)器人僅能處理的作業(yè)類型非常有限。這會(huì)造成成本與缺乏彈性的問(wèn)題，而這意味著，機(jī)器人的效率和產(chǎn)量必須比人工作業(yè)顯著提升，而且還需用于高產(chǎn)量生產(chǎn)線，才有部署的合理性。但中小型設(shè)施很少能達(dá)到這樣的條件。

　　為了達(dá)到最大獲利，大部分大規(guī)模作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，往往都很龐大且動(dòng)作迅速，在操作的材料及速度上，都超越人類的極限(圖1)。機(jī)器人的動(dòng)量相當(dāng)高，如果任何人擋在機(jī)器人的活動(dòng)路徑上并受到撞擊，便會(huì)受傷甚至死亡。為了保護(hù)工作人員的安全，大型工業(yè)機(jī)器人需要進(jìn)行隔離，放在可以聯(lián)鎖的防護(hù)籠或其他屏障后面，確保人員進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)空間時(shí)，機(jī)器人便會(huì)停機(jī)。

　　自從小型機(jī)械手臂問(wèn)世后，如KUKA Robotics的AGILUS KR 3 R540，工業(yè)設(shè)施管理人員就有更多的選擇。這些裝置能提供通用的現(xiàn)成平臺(tái)，以相對(duì)實(shí)惠的價(jià)格，提供可觀的作業(yè)彈性。若與合適的末端效應(yīng)器連接裝置(如裝在機(jī)械手臂末端的抓手或工具)組合在一起，這些通用型平臺(tái)可大幅擴(kuò)大活動(dòng)范圍，從而打造能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)投資報(bào)酬率的機(jī)器人系統(tǒng)。此外，這些機(jī)械手臂可在原先的應(yīng)用結(jié)束后馬上針對(duì)不同的動(dòng)作進(jìn)行編程，或以不同的末端效應(yīng)器機(jī)構(gòu)重新設(shè)定新用途，因此可增加成本回收的潛力。

　　這些小型工業(yè)機(jī)械手臂還有另一個(gè)關(guān)鍵特性，亦即能夠置入小型的工作空間內(nèi)，并與現(xiàn)有的生產(chǎn)作業(yè)整合。與大型制造設(shè)施里的大型機(jī)器人不同的是，小型機(jī)器人還能當(dāng)作操作人員的工作伙伴，而不是用來(lái)取代人員。此類小型協(xié)作機(jī)器人(簡(jiǎn)稱cobot) 的設(shè)計(jì)是要近距離與人員協(xié)作，無(wú)需加設(shè)防護(hù)籠或其他類似的屏障，以免機(jī)器人按著自己的路徑移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致人員遭遇危險(xiǎn)。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，小型機(jī)械手臂體型更小，活動(dòng)速度也更慢，因此可在接觸瞬間停止，將受傷的可能性降到最低。此外，機(jī)械手臂通常都會(huì)內(nèi)建接近感測(cè)器，有助于徹底避免碰撞。

　　越來(lái)越多的廠商已開(kāi)始針對(duì)中小型企業(yè)生產(chǎn)工業(yè)用的小型機(jī)械手臂。其中一個(gè)代表性例子便是KUKA Robotics的AGILUS系列，此系列共有三種款式。前面提到的AGILUS KR 3 R540是最小的產(chǎn)品。其運(yùn)作范圍達(dá)兩平方公尺，可處理高達(dá)3 kg的工作負(fù)載，適合多種組件和材料的搬運(yùn)應(yīng)用。AGILUS KR 6 R900-2最多能處理6 kg，而AGILUS KR 10 R1100-2最多能處理10 kg。這三款皆擁有相同的整體外觀和工作行為，并以套件形式供應(yīng)，附有控制器單元和手持操作器單元，可用來(lái)控制、監(jiān)測(cè)并且對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)進(jìn)行編程。

　　使用所有軸來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需要精湛的編程技能，但現(xiàn)在已有所簡(jiǎn)化。機(jī)械手臂通常都會(huì)隨附控制器電腦及帶有使用者界面的平板電腦，能讓使用者透過(guò)簡(jiǎn)單的方向按鈕來(lái)移動(dòng)機(jī)器人，以到達(dá)所需的「定位點(diǎn)」。記錄一連串的定位點(diǎn)后，則可定義出完整的動(dòng)作順序，讓機(jī)器人自動(dòng)依序動(dòng)作。有些機(jī)器人系統(tǒng)還允許使用者手動(dòng)將機(jī)械手臂定位在所需的點(diǎn)，而非透過(guò)方向按鈕操作。

　　這兩種方法都可透過(guò)示范來(lái)「教導(dǎo)」機(jī)器人應(yīng)該執(zhí)行什么動(dòng)作。隨后，機(jī)器人便能在命令下重復(fù)執(zhí)行該動(dòng)作。讓使用者教導(dǎo)機(jī)器人，而不是透過(guò)編程，不僅簡(jiǎn)化機(jī)器人的初始人物設(shè)定，還能夠在需求變化時(shí)，輕松地調(diào)整動(dòng)作。而控制平板可進(jìn)一步讓使用者在生產(chǎn)活動(dòng)期間，根據(jù)需求細(xì)化和修正動(dòng)作。

　　這些具有簡(jiǎn)化控制編程功能的機(jī)械手臂提供工業(yè)自動(dòng)化解決方案的現(xiàn)成基礎(chǔ)，可根據(jù)要執(zhí)行的任務(wù)操縱末端效應(yīng)器機(jī)構(gòu)的位置。此類末端效應(yīng)器機(jī)構(gòu)范圍廣泛，從用于抓取、定位和置放作業(yè)的簡(jiǎn)單抓手，到螺絲起子和鉆頭等機(jī)器工具，再到烙鐵和噴漆器等復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)有盡有。會(huì)依據(jù)目標(biāo)應(yīng)用決定所需的末端效應(yīng)器和系統(tǒng)整合作業(yè)，以便建立完整的解決方案。

　　機(jī)械手臂廠商及第三方系統(tǒng)整合商都有針對(duì)眾多常見(jiàn)的作業(yè)設(shè)計(jì)適合的末端效應(yīng)器機(jī)構(gòu)。例如，若想拾取及操縱物件，許多廠商都有提供兩指或三指的帶夾爪夾具，以及磁性或真空吸附拾取機(jī)構(gòu)。此外，市面上還有制造和組裝應(yīng)用所用的鉆頭、螺絲起子、研磨器和刀片。

　　甚至還有機(jī)械手臂廠商能現(xiàn)貨供應(yīng)完整的應(yīng)用解決方案。例如KUKA Robotics 就提供一系列「即用型」系統(tǒng)，可進(jìn)行鉚接、噴漆、電弧焊、點(diǎn)焊以及微小螺絲緊固應(yīng)用等等(圖5)。這些系統(tǒng)包含末端效應(yīng)器系統(tǒng)元件、控制器元件、系統(tǒng)軟體以及機(jī)械手臂，共同組成預(yù)先設(shè)定好的自動(dòng)化套件。

　　機(jī)器人的控制器會(huì)聯(lián)合設(shè)備的其他元件，對(duì)工件條碼進(jìn)行掃描以便追蹤，然后將測(cè)量好的工件移至托盤，以便運(yùn)送至下個(gè)加工站或是移至停留站，由操作人員視需求進(jìn)行調(diào)整或更換。機(jī)械手臂具有安全功能，能讓操作人員和機(jī)器人在同一個(gè)工作空間內(nèi)作業(yè)，而不需要防護(hù)柵欄或其他屏障，因此不會(huì)妨礙工作流程。

　　自動(dòng)化任務(wù)甚至不必是完整的操作，也能證實(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益。舉例來(lái)說(shuō)，BMW Group 已將機(jī)械手臂整合到現(xiàn)有工作流程中，以生產(chǎn)汽車的加固側(cè)梁，目的是將需要精準(zhǔn)度的重復(fù)性任務(wù)從操作人員手中接手，否則操作人員很難在整個(gè)工作班次中維持精準(zhǔn)度。這項(xiàng)任務(wù)是將許多金屬?gòu)?qiáng)化板，沿著框架的幾個(gè)點(diǎn)放置，再將框架推入自動(dòng)化焊接站。然而，隨著時(shí)間的流逝，重復(fù)執(zhí)行這種簡(jiǎn)單的定位工作會(huì)使操作人員疲勞，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤增加，產(chǎn)量減少。

　　BMW 將機(jī)械手臂安插到這項(xiàng)作業(yè)中，在操作人員清點(diǎn)出正確數(shù)量的強(qiáng)化板并將其交給機(jī)器人后，讓機(jī)器人專門負(fù)責(zé)正確定位強(qiáng)化板的任務(wù)。整個(gè)工作流程不需要其他變更。但是，在機(jī)器人扛下操作人員的精準(zhǔn)放置任務(wù)后，即可減少疲勞所造成的錯(cuò)誤，并確保整個(gè)工作班次都維持在該有的產(chǎn)量。機(jī)器人具有安全功能，因此能與操作人員并肩工作，而不需要變動(dòng)工作空間。

　　結(jié)論

　　工業(yè)機(jī)器人以往一向被視為大型工業(yè)設(shè)施的專屬工具，主要原因在于成本、復(fù)雜性和安全性。然而，重復(fù)性任務(wù)的類型不斷增加，從簡(jiǎn)單的定位到復(fù)雜形狀的噴漆等，采用小型工業(yè)機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)效益可行性也越來(lái)越高。

　　由于空間需求不大、編程簡(jiǎn)單、成本不斷下降，而且能輕松安全地整合到以人為中心的既有工作流程中，而無(wú)需實(shí)體屏障，因此此類機(jī)器人可順利加入工作團(tuán)隊(duì)而不會(huì)造成中斷。如今，工業(yè)自動(dòng)化已不再只適用于高產(chǎn)量、資金充裕的大型企業(yè)，小型工廠也能使用機(jī)械手臂。