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機器人

指導者/總編輯 張蕙娟

分享者/陳威綸、白偲琳

機器人簡介

機器人定義及演變

  根據國際標準組織(ISO,International Organization for Standardization)定義,機器人為一被驅動的機械,具有兩個或以上可編程的運動軸,且有一定的自主性,在特定環境內移動,以完成期望的任務。機器人從汽車業開始應用,汽車產業的高利潤,再投入機器人研發及使用,使機器人成本逐漸降低,進而延伸至電子、紡織、化工、食品業,最後擴展至大部份製造業,在加入智能應用後更擴及服務業,而機器人的演變大致可分為三個階段:

第一代簡單個體機器人:

  1960年代出現第一台機器人,主要以人手帶機械手臂操作,將流程完整操作一次,或用程式碼發出指令,重複單一動作。

第二代感知能力機器人:

  1970年代左右,加入了感知能力,可偵測外界環境。

第三代智慧能力機器人:

  1990年代進展到人工智慧,機器人具獨立判斷和行動能力,此外還包含記憶、推理和決策能力,可完成複雜的動作。

圖一-機器人演變圖

圖一 機器人演變圖

機器人分類

  依據使用性質,機器人可分為工業型機器人與服務型機器人兩大類。
(一)工業型機器人

  根據ISO定義它可自動控制、再編程,具有多用途、控制器、三個以上的軸。在工業自動化中使用,可以固定在適當位置或移動。通常工業型機器人所指幾乎皆為生產線上所使用的機械手臂,而機器人為工廠帶來的益處包含學習快速不需培訓、提高效率和產品良率、改善人類工作環境、節省生產空間及成本、彈性生產等。由下圖可知13年各產業應用情形,大致吻合機器人在產業應用的發展順序: 汽車、電子、紡織、化工、食品。在機器人帶來的眾多優勢下,國際機器人聯盟(IFR,International Federation of Robotics)也看好工業型機器人未來發展。

 

表一-工業型產業應用情形

表一 工業型產業應用情形

圖二-工業機器人運作圖

圖二 工業機器人運作圖

(二)服務型機器人

  根據ISO定義工業自動化應用外,所有執行對人類有用的任務的機器,皆為服務型機器人。有別於工業機器人僅在工廠內使用,服務型機器人種類多應用範圍廣,且需自行決定行動的智慧化功能,因此服務型又分為專業服務型及個人家用型。專業型主要為針對各專業所特意設計之機器人,例如國防、救災、水下作業、建築、醫療、農業。個人家用型主要為完成家庭中重複、耗時的任務,以節省時間,提升生活品質,例如家務、娛樂、保全、教育。由下圖可知2013年各產業應用情形,以醫療照護的投資為最高,值得注意的是在農業、自動駕駛和物流均有不少的投資,且未來前景看好。

表二-服務型產業應用情形

表二 服務型產業應用情形

圖三-pepper服務型機器人

圖三 pepper服務型機器人

工業型、服務型比較

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圖四 工業型服務型比較圖

產業現況

各國工業機器人使用現況

  根據IFR統計2013年銷售約十八萬台(圖三),預估接下來每年將會以12%-15%的速度持續增長,圖六為前五大工業型機器人使用量國家,依序為日、美、德、韓、中,日本最早投入機器人研究,使用最為廣泛與普遍,美國石油危機後後來居上,因硬體方面日德已領先全球,美國全力發展系統軟體,而中國使用裝置量雖為最末,但自2013年起銷售量一直為最高。

圖五-工業型機器人全球年銷量

圖五 工業型機器人全球年銷量

圖六-2013全球前五大機器人使用量國家

圖六 2013全球前五大機器人使用量國

  將機器人裝置數量除以萬名員工,可得機器人使用密度(每萬名員工使用的機器人數量)其為衡量一國家製造業自動化程度的指標。目前韓國為首,台灣約在150台左右,而中國使用密度離世界平均及已開發國家仍有差距,其裝置量仍有大幅成長的空間。

表三-2013機器人密度

表三 2013機器人密度

機器人列入工業大國發展重點

  2011年德國發表「工業4.0」後,各工業大國相繼發布相關政策,推動機器人產業。德國以虛實合一系統(CPS)為核心,整合資通訊軟硬體,推動製造業的電腦化、數位化、智慧化,以發展智慧工廠。而歐盟和euRobotics(歐洲非營利機器人科技研究組織)民間組織合作「SPARC計畫」,希望將欲外移低工資地區的製造業根留歐洲,預計創造24萬個工作機會,在全球市占率超越42%。美國的「AMP」(先進製造業夥伴關係計畫)則利用產官學合作,促進廠商們競爭前的合作,推動共享設備和基礎設施,確保美國在先進製程持續居於主導地位。而日本2015年初發表的「機器人新戰略」中,推動技術於醫療照護、農業等產業,並協助中小企業普及應用,期望創造世界第一機器人無障礙社會,並期望2020年度國內市場規模達到2.4兆日圓。韓國則在2013年發表為期十年的「國家機器人產業政策-機器人未來戰略」中,支持國內機器人企業進軍海外市場,並以推動大邱市成為產業重鎮為目標,該重鎮的建構預計於2017年完成。

  在各國紛紛投注機器人產業,使用成本降低和中國沿海缺工及工資不斷上漲的拉力與推力下,導致製造業回流各國,中國外資設廠及投資逐漸減少,因此中國製訂的「中國製造業發展綱要」及「十三五計畫」中,也因應此變化全面扶植製造業轉型升級,期望建置完整的機器人產業供應鏈,提升國內機器人市占率超越45%,以平衡居機器人領導地位的四大國外企業所吞掉的中國70%市場。

 

人口老化加速服務型需求及發展

  機器人在製造業上的使用較普及,相較服務型機器人使用率低,但IFR估計在2021年服務型將會超越工業型,除了這是一片藍海市場外,全球的老年化人口持續增加,對於醫療照護機器人的需求將持續加強,進而推動服務型機器人發展。

  以高齡化最嚴重的日本來看「機器人新戰略」中投資一千億日圓於四項領域,包含照護醫療、基礎建設災害防治、農林水產食品、製造服務,僅最後一項在工業型投資,其餘皆為服務型機器人的範圍,其中又以醫療照護投資最多,占總投資金額33%。同時,配合日本世界第一機器人無障礙社會的願景,像是Cyberdyne企業的外骨骼動力服HAL,採用混合控制系統的外骨骼動力輔助裝置,藉此協助行動不便者,能在行走時得到額外的助力,且機器人會經由來自人腦的訊息自行判斷該提供多少力量給予使用者,為使用者提供最適合之行走方案。

表四-工業型及服務型銷售預測

表四 工業型及服務型銷售預測

產業趨勢

  在各國皆欲推動的工業4.0框架下,主要需整合三大領域,機械製造、電子電機、資通訊技術,資通訊技術又包含物聯網資料蒐集、大數據分析、雲端計算及儲存。要達成三大領域整合,需依序完成機台通訊標準化、生產資料加值化、系統軟體智慧串連和強化,才能達到智慧工廠的最終目標。而各國企業及政策也依循此方向設計及發展。

圖七-工業4.0整合步驟

圖七 工業4.0整合步驟

  各國的機器人發展皆有自己的背景及型式,但大致上可歸納為三種模式:

  日本模式,製造商以開發新型機器人和批量生產優質產品為主,其後接由子公司或其他工程公司設計及編寫針對各行業所需要的軟體系統;歐洲模式,機器人整體包含硬體及系統設計皆由製造商自行完成;而美國模式,企業需要機器人時,通常由工程公司進口,再自行設計周邊設備及系統,完成後再交貨於企業。大致上,機器人的硬體及軟體從頭到尾皆為各公司自行設計,甚至連小零件都是,百家爭鳴的狀態下,沒有任何標準作為參考或指標。這樣的背景下,各國及各企業開始關注機器人的標準化,ISO也將開始著手相關的標準化制定,而這個市場就如微軟之於電腦一般,市場先占先贏。

圖八-工業型機器人發展模式

圖八 工業型機器人發展模式

中國設「國評中心」

  中國設立國家機器人檢測與評定中心,簡稱「國評中心」,在指導委員會指導下已經展開建設工作,指導委員會成員由中國國家發改委、工信部、國標委、認監委、中國機械工業聯合會、中國機器人產業聯盟、行業專家等組成。總部預計2017年12月於上海市普陀區完工,這個國家與企業共同設立的機構,旨在成為一集機器人產品/部件認證、檢測、校準、標準化工作、培訓、技術諮詢、人才培養和期刊等信息服務為一體的社會第三方服務機構,目標任務是搭建機器人產業的公共服務平臺,提高機器人產業標準化工作建設和產品質量,推動國內機器人產業的技術快速、健康、有序發展。此外,中國和德國近日也開始討論「中德工業4.0合作框架」雖內容尚無從得知,但「工業4.0」的成功取決於國際通行的規則與標準,中德已表示將在標準化問題上合作,將相關議題納入中德標準化合作委員會,關注領域如電動汽車、智慧控制/智慧家居等,再次驗證機器人產業發展朝向標準化的態勢已是勢在必行!

歐盟「RoboEarth計畫」

  歐盟自2011年開始,資助飛利浦公司和五所歐洲大學所共同進行的開發項目「RoboEarth」,它是一大型數據庫及技術分享平台,方便機器人下載知識、分享訊息,並達到互相學習效果,以減輕機器人思考及計算方面的壓力讓機器人和人類都能透過「雲端數據庫」上傳訊息,以發揮類似「機器人大腦」的作用。他們以一個簡單的例子善述平台概念,在醫院中的三個機器人,當A機器人找到醫院地圖時上傳,此時B、C機器人可以立刻得知他們需要的物品位置及他們行走的路線。

圖九-Roboearth網頁截圖

圖九 Roboearth網頁截圖

Willow Garage的開放作業系統

  Willow Garage公司創辦人Scott Hasson是Google搜尋引擎最初程式碼的編寫者之一,後來Google以股份作為回報,Hasson將所賺得資金投入機器人研究。ROS機器人作業軟體是最主要研發項目,主要控制感測器和網路服務器的無線通訊,且開放任何機器人團隊都可以免費下載和使用。Hasson認為下一代機器人,軟體問題比硬體問題更重要,雖然日歐的工業機器人相較美國有更高的市佔率,但機器人的系統標準由誰來制定?更能決定未來的發展方向。

圖十-Willow-Garage-logo

圖十 Willow Garage logo

Google收購機器人公司

  在資通訊整合方面,物聯網、大數據、雲端計算及儲存三個領域,Google擁有大數據庫分析及雲端計算及儲存的頂尖優勢,再加上Android平台成功經驗,自2013年起由Andy Rubin帶領的機器人團隊陸續收購了八家機器人公司。雖然Google對所有項目保密避而不談,但有趣的是Android系統就是由Rubin一手打造,且有Android之父之稱,他離開Android團隊、大規模收購軟體密集型的機器人公司,顯然他們正在籌備的應是一機器人版的Andr​​oid系統,一個通用的、標準的、以軟體操控硬體的機器人系統,取得如微軟在電腦時代的領先地位。

圖十一-Google收購八家機器人公司

圖十一 Google收購八家機器人公司

結語

  全球逐漸高齡化的趨勢下,連帶使服務型機器人成長空間不斷擴大,其中由以家用型機人(醫療、陪伴)為多。而世界工廠中國在拉力及推力的影響下,各國勞力密集產業逐漸遷回本國,工業型機器人使用率越來越高,尤其在工業4.0的趨勢下,智慧工廠使機器人產業傾向整合,各國企業及政策均投入機器人硬體及軟體的標準化研發,以搶占市場。大面向來看,人口多的地區,為符合眾多人口需求、提升效率,機器人的使用會越來越普及;人口少的地區,為彌補繁瑣工作缺工以增加工作效率,亦需要機器人的普及。機器人在未來只會更加融入你我生活之中,直到如同今日的智慧型手機與電腦一般,成為人類生活的一部分。

 

 

參考資料來源

  1. http://www.gzcwjs.com/news_detail/newsId=32.html
  2. http://robot.ofweek.com/2015-06/ART-8321206-8420-28968202.html
  3. http://www.botmag.com/robot-controlled-via-thoughts/
  4. http://www.livescience.com/topics/robots/
  5. http://www.robofun.net/forum/viewthread.php?tid=9303&extra=page%3D1
  6. http://technews.tw/2015/06/03/computex-2015-benq-agv/
  7. http://scitechreports.blogspot.tw/2014/03/blog-post_28.html
  8. http://www.ifr.org/history/
  9. http://www.tairoa.org.tw/enews/journal.aspx

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