發佈日期:2018-09-05

智慧機器人程控技術之專利佈局 — 以Yaskawa為例

作者:洪長春

前瞻研究智慧機器人控制器分層結構人工智慧專利佈局Smart RobotControllerHierarchical LevelsArtificial Intelligent

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一、機器人類型及程控技術發展

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機械手臂(robotic arm)是指具有與人手或手臂或機器功能類似,並可完成各種作業的自動控制設備,這種機器人系統有多關節連結,具有握持機構的工具,允許在平面或三度空間進行運動或線性位移移動(維基百科,2018)。開發各種控制技術以工業用機械手取代工業危險之組裝、噴漆、焊接、高溫鑄鍛等繁重人工作業,目前控制系統朝向以PC為主的開放型控制器方向發展,便於標準化、網路化;器件整合度提高,控制櫃(控制器)日見小巧,且採用模組化結構;大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。以工業機器人四大家族為例,Fanuc透過其數控系統之優勢連結,產生了1+1遠大於2的協同作用,可說是最具有運動控制基因的企業,ABB和Yaskawa(安川電機) 控制技術都比較單一,處於中等,KUKA則較屬於低階控制器(愛投創業指導,2016)。

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機器人依控制型態可區分為固定(剛性)程序、可編程、自適應和“智慧”等4種類型。固定程序的操縱器(manipulators)實際上並不是機器人,可視為零一代( prerobotic);可編程機器人被認為是第一代,自適應機器人為第二代,而智慧機器人則是第三代。固定程序之操縱器只是一種機械手臂,其與生產設備緊密相連,置於整個特定生產過程中,特別適合於替代大量生產的手工作業,例如: 手錶機構的組裝線上;可編程機器人則是在所有接頭(關節)處都裝有受控驅動器,其控制系統可輕鬆適應各種手動操作。然而,在每次調整之後,這些機器人在嚴格定義的條件和固定佈置物體的情況下,重複同一個且固定程序。大多數現代工業機器人都屬於這種類型,並且適用於壓注(pressing)、焊接(welding)、鑄造(casting)、工具機服務(machine tools servicing)等方面進行一些輔助操作。這些機器人需要在工作環境和工件位置上進行技術安排;自適應機器人可以在更高或更低程度上獨立地定位於未完全確定並且可以適應的環境中,其裝置有對這種情況作出反應的感測器,以及旨在產生自適應數據信號的資訊數據處理系統,即根據實際情況靈活地改變機械手運動程序,目前自適應機器人皆廣泛使用小型微處理器,並且搭配其他換能器(Transducers) 一起使用,例如:力、觸覺、接近(超聲波)等感測器。在難以確保嚴格定義且要避開障礙物的情況下,裝配、電弧焊接、噴塗、應用保護層以及其他操作時對輸送機上的工件進行處理,都需要自適應工業機器人;智慧機器人配備更多種類的感測器,包括複雜的感官裝置(例如:技術性的視覺),並採用先進的微型計算機(microcomputer)處理數據資訊資訊,可以識別情況,自動生成機器人自身進一步行動的解決方案,一起形成人工智慧元素。簡言之,機器人的行為更加獨立,並且在一定程度上對應於工作活動過程中近似人類的理性行為(Miomir Vukobratovic,Dragan Stokic,1989)。

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二、控制器之分層結構

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現今機器人的任務逐漸變得多樣化和複雜化,對工件的變化參數和過程發生變化的環境都具有一定程度的適應性,越來越多的機器人已經成為彈性製造(Flexible manufacturing)、生產線和智慧技術系統的組成單元。鑑於此,機器人的控制架構應該基於控制層次(Hierarchical levels)的原則,對於較高難度的操作及不確定的環境,需要做到動作規劃的控制層面;相對地,若只是執行簡單的關節指定動作,則只需要做到執行層面的伺服器控制即可。

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自動機器人可以建立四個控制層次如圖1所示:最高控制層(包含人工智慧元素)做「任務規劃」,能夠處理感官資訊 (視覺,觸覺,接近等),並識別機器人手臂的動作情況,接收來自所有較低層級以及控制機器人手臂運動和工作空間狀態的各種感測器相關訊息資訊,建立反饋迴路形成完整的控制系統;戰略控制層將全局任務根據上層生成的解決方案劃分為基本操作(「動作規劃」),例如:將物件抬起到預定高度,並沿著圓形軌跡運送及放置到已定義斜面的表面上,並與夾具定義的空間方向一致,同時使用反饋來獲取所有較低層級以及執行層和工作空間有關的資訊。最高控制層分解任務的程度決定了戰略層的工作演算。此控制層的自動規劃模式滿足一定的速度、品質和整體任務執行的準確性,最常規劃的是機器人手抓的基本動作,機器人手爪(gripper)相對於機器人底座絕對坐標系的坐標被稱為外部坐標。因此,在戰略層上規劃了機器人外部坐標的軌跡;戰術控制層將外部手抓的坐標映射到機器人的關節坐標(即機器人內部坐標),所需運動被分配到特定自由度(關節)的機器人(「軌跡規劃」)。換言之,戰術層決定每個操縱器的動作操作。例如:找到物件轉移到空間中的某個點而未規定運動軌跡時,戰術控制層就會進行詳細的任務分割。同樣,戰術層也利用最底層(執行層)有關執行機制和工作空間的所有必要反饋資訊;執行層的任務是實現關節所給定的運動,以執行機器人機構所需的功能性運動,並且根據感測器提供有關於機器人關節處的瞬時位置、速度、加速度、力矩的資訊反饋來實現關節的規定運動(「伺服控制」)。

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現今機器人控制器都包含機器人語言(robotic Language),透過專門的機器人語言進行控制和編程,戰略控制層通常透過給定機器人語言預定指令集的形式給予機器人指令(期望的操作)。一般工業機器人公司都有自己獨立的開發環境和獨立的機器人程式語言,如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公司、瑞典的ABB公司等(壹讀,2016)。

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值得一提的是第二代自適應機器人擁有戰略、戰術及執行層三個控制層級,戰略層級接受來自操作員的機器人語言之任務,機器人控制器自動規劃手抓的軌跡;而第一代可編程機器人只擁有戰術和執行層二個控制層級,操作員必須以直接方式規定軌跡的位置(即夾具的位置),並通過適當的編程語言或通過示教盒(teaching box)來確定軌跡(用於避開障礙物,拾取和傳送物件)。

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圖1 機器人控制的分層結構

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三、控制器之性能及功能

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控制器是機器人的重要組成部分,可視為機器人之「大腦」。控制器硬體部分占機器人本體成本約10% ~ 20%,但軟體部分卻承擔著機器人大腦的職責。一般而言,機器人使用的硬體零部件(工件)及採購成本相差無幾,但不同品牌機器人精度及速度各有優勢,探究其原因是不同品牌的機器人對零部件(工件)的駕馭程度與控制演算不同,才是不同品牌機器人在技術層面的核心競爭力。以全球四大機器人廠家來看,只有控制器是無一例外均為自產的,可見控制器的重要性(愛投創業指導,2016)。

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控制器的基本功能相當多元,包括:(1)機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等位置伺服控制;(2)對機器人示教,即當機器人代替人進行作業時,預先對機器人發出指示,規定應該完成的動作和作業的具體內容時所執行的編程控制;(3)各種接口控制,例如:與外圍設備聯繫(輸入和輸出接口、通信接口、網路接口、同步接口)、人機接口(示教盒、操作面板、顯示螢幕)、感測器接口(位置檢測、視覺、觸覺、力覺等);(4)為機器人運動設置坐標系之控制;(5)儲存作業順序,運動之路徑、方式、速度和與生產過程有關資訊的控制;(6)機器人運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷的控制(愛投創業指導,2016)。

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四、Yaskawa機器人程控專利佈局分析

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目前Yaskawa機器人美國專利申請數截至2018年2月共有371件,其中有關程控應用之專利申請數計有151件,以專利申請年來看,專利申請數在2014年達到最高峰。本文利用專利的CPC碼進行分類統計,如圖2所示:可看出專利申請以感測器程控(32件)、任務程控(31件)、控制迴路程控(27件)及安全/監測/診斷程控(21件)及編程規劃程控(17件)為最多。

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圖2 Yaskawa機器人程控專利分類統計分析

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(一) 專利技術申請數

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根據圖2所列的專利分類,本文分析各專利分類之技術統計如圖3所示:可看出感測器程控技術方面主要是以視覺控制系統為最多,少數為感知/多感測器控制/融合、機械手和輸送機間協作等技術;任務程控技術方面主要有裝配/碼垛/直線/編織動作、雙臂機械手的協調、機械手校準及機械手和輸送機間協作等技術;控制迴路程控技術方面有順從式(如位置)之力/力矩控制、學習/自適應/模型或規則型專家控制、冗餘控制等技術;安全/監測/診斷程控技術方面主要是避免碰撞/禁區之技術;編程規劃程控技術方面有運動/路徑/軌跡、特殊多臂合作/組裝/抓取應用及避免碰撞/禁區等技術。

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圖3 Yaskawa機器人程控專利技術申請數統計分析

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(二) 專利技術功效分析

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本文根據圖2所列出的Yaskawa專利分類進行編號如表1所示;另外根據JPO之F term-- 3C707(機械手)所列出的功效進行整理、修改並編號如表2所示。根據表1及表2所列出之專利分類與功效進行技術功效分析,如圖4所示,從圖中可看出技術功效部分以感測器程控(T7),達到改善環境措施(仿真/示教/污染/偵測/成像) (TF10)之專利佈局為最多,其次是達到精度/準確度提高(TF6)等功效之專利;任務程控技術方面(T2),以機動性/移動控制提升功效(TF4)之專利佈局為最多,其次是達到精度/準確度提高(TF6)、適用於具體用途(TF9)功效目的之專利;控制迴路程控技術方面(T6),以精度/準確度提高(TF6)目的之專利佈局為最多,其次是改善環境措施(仿真/示教/污染/偵測/成像) (TF10)、達到結構簡化/減少空間(TF5)及自動化/系統化(TF8)等功效目的之專利;安全/監測/診斷程控技術方面(T3),則以改善操作安全功效(TF3)為主要目的,其次是精度/準確度提高等之功效(TF6);編程規劃程控技術方面(T8),以改善環境措施(仿真/示教/污染/偵測/成像)(TF10)功效目的之專利較多,其次是避免干擾/故障/損傷/碰撞(TF12)、提高操作/生產/工作效率(TF2)及操作便利/減少負擔(TF1)等目的。整體而言,所有程控技術類別以改善環境措施(仿真/示教/污染/偵測/成像) (TF10)、精度/準確度提高(TF6)等功效之專利數最多。

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表1 Yaskawa專利分類編號

編號專利(技術)類別
T1手/手腕/抓取程控
T2任務程控
T3安全/監測/診斷程控
T4特殊機械手程控
T5控制系統/架構程控
T6控制迴路程控
T7感測器程控
T8編程規劃程控
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表2 F term--3C707修正後之功效列表

編號功效說明
TF1操作便利/減少負擔
TF2提高操作/生產/工作效率
TF3改善操作安全
TF4機動性/移動控制提升
TF5結構簡化/減少空間
TF6精度,準確度提高
TF7平穩,防止振動
TF8自動化,系統化
TF9適用於具體用途
TF10環境措施(仿真/示教/污染/偵測/成像)
TF11兼容性/靈活性/協調合作
TF12避免干擾/故障/損傷/碰撞
TF13耐用性提升
TF14降低成本
TF15其他
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圖4 Yaskawa機器人程控專利技術功效分析

五、台灣機器人專利落點分析

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台灣工業機器人生產主要集中於中小型機器人,目前國內業者包括:鴻海、上銀、台達電等皆相繼投入此產業。機器人產業發展最大挑戰來自減速器、伺服馬達、控制器3大關鍵零組件(中央社,2017),機器人控制過程是由控制器發出指令給伺服驅動,使伺服電機旋轉,通過減速器執行動作。其中,技術門檻(功能性)最高的是減速器,其次是伺服電機和驅動,再次是控制器。

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現階段台灣在機器人專利佈局方面,本文分析台灣智慧財產局目前獲證的發明專利案共計12件,相關書目資訊如表3所示:從表中可看出台灣在機器人發明專利中屬於程控技術布局的專利只有台達電子的校正控制、鴻海精密的功能控制以及廣達電腦的位置控制等,從控制器的控制層次來看,尚屬於執行層次的階段。

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表3 台灣機器人發明專利資訊

專利號Title申請年專利權人專利特徵
I603767可消除吸牌負壓之機器手臂吸盤2016天下數位科技真空/磁性握持夾頭
I601614救援救災子母機器人2015鴻海精密配備之查看安全裝置
I601611用於機器手臂系統之機構參數校正方法2016台達電子校正控制
I600513醫療用電腦螢幕及機械手臂組合結構2014天三工業組合應用
I599458機械手臂裝置及延伸機構2017均豪精密延伸旋轉/線性移動手臂
I598871可根據音樂節拍跳舞的機器人2015鴻海精密功能控制
I597142單軸機器人2014鴻海精密沿著導軌行駛
I597140用以調整機械手臂之教導方位的方法2015上銀科技配備之感應定位裝置
I597139自走式機器人、資料中心及資料中心之維修方法2014廣達電腦位置控制
I595988機器人安全防護裝置2015上銀科技配備之安全裝置
I595986受機械手臂帶動的內視鏡的移動控制方法2016上銀科技手柄控制查看裝置
I594855子母機器人之佈放裝置2015鴻海精密配備於滾輪之感應裝置
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比較Yaskawa與台灣在機器人程控技術的專利佈局,可看出Yaskawa在感測器程控的視覺控制系統方面最為積極,從前述程控技術發展來看,顯示該公司已朝向智慧機器人的發展布局。不過,感知/多感測器控制/融合之專利少,形成人工智慧元素並不多,因此,尚存在第三代人工智慧控制機器人的發展空間。

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六、結論

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工業4.0與智慧工廠已經成為製造業的重要趨勢,而要讓智慧化願景成真,自動化系統架構勢不可免,簡單來說,智慧化是自動化的延伸,在自動化系統中,機械手臂是極重要的一環,設置於產線中的機械手臂與操作人員共工的機率相當高,因此如何避免人員為機械手臂所傷,就成為機械手重要設計(王明德,,2016)。

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人工智慧控制機器人是結合視覺、聲覺、力覺、觸覺等多感測器的融合技術來進行環境建模及決策控制,具有學習、感知、問題解決、語言理解和/或邏輯推理的能力。以程控技術的分層結構來說,智慧化程度越高,規劃控制的層次就越多,操作就越簡單,一個具有高智慧化機器人,其控制系統就能完成從命令理解到關節伺服控制的所有工作,而使用者只需要發出簡單的操作命令即可,但是這對研發者來說是一項非常艱巨的工作。目前大部分工業機器人的「任務規劃」和「動作規劃」是由操作人員完成的,有的甚至連「軌跡規劃」也是由人工編程來實現,故工業機器人的工作任務一般比較專一(意匠說機器人,,2017)。本文以全球市佔率最高的工業機器人公司Yaskawa之機器人程控專利佈局為例,並比較台灣機器人控制之專利落點分析,發現仍存在人工智慧控制系統的發展空間,此值政府推動工業4.0產業升級及創新之際,建議可積極投入研發資源進行人工智慧機器人之專利佈局工作。

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參考文獻

  1. 中央社(2017)。台灣攻機器人 3大零組件是關鍵, http://www.chinatimes.com/realtimenews/20170117001949-260410
  2. 王明德(2016)。工安設計讓機器手臂更安全, 智動化科技網。https://smartauto.ctimes.com.tw/DispArt-tw.asp?O=1604271100T2
  3. 玩轉機器(2016)。看過機器人會動,但你知道它為什麼會動嗎, 發表於科技。 https://kknews.cc/zh-tw/tech/5kx2v6.html
  4. 玩轉機器(2016)。看過機器人會動,但你知道它為什麼會動嗎, 發表於科技。 https://kknews.cc/zh-tw/tech/5kx2v6.html
  5. 意匠說機器人(2017)。機器人控制系統的一般構成, 發表於科技。https://kknews.cc/tech/mam45ag.html
  6. 愛投創業指導(2016)。機器人行業深度研究報告, 發表於科技。 https://kknews.cc/tech/nn8bo8.html
  7. 維基百科(2018)。機械手臂 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A9%9F%E6%A2%B0%E6%89%8B%E8%87%82
  8. Miomir Vukobratovic,Dragan Stokic(1989), Applied Control of Manipulation Robots: Analysis, Synthesis and Exercises ,Based on the original Upravljanje. https://books.google.com.tw/books?id=tGqrCAAAQBAJ&pg=PA9&lpg=PA9&dq=programme+controls,manipulators,&source=bl&ots=oBFLE0yitj&sig=eg19xr5-MuOq9Go-A8uVX2cEsZE&hl=zh-TW&sa=X&ved=0ahUKEwjr_trb6vfZAhUHPrwKHafECIE4ChDoAQglMAA#v=onepage&q=programme%20controls%2Cmanipulators%2C&f=false