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製造業機器人自動化應用趨勢

陳來勝

工業技術研究院

2014/03/13


內容

• 製造業智動化發展趨勢

• 製造業機器人產業現況

• 製造業機器人技術與應用

- 日本機器人展(iRex)

- 工研院機器人技術與應用

- 1 -


製造業智動化發展趨勢

- 2 -


3

2011年2月起5年內地各最低工資，每年平均增長13%以上，累計5年總增幅高達84%

資料來源：澳洲日報（2011/02）

世界工廠的用人成本將持續攀升 - 3 -

2013.7月

作業員(3,000RMB/月)

設備技術員(6,000RMB /月)

機器人技術員(12,000RMB /月)

製造自動化!


全球製造業發展趨勢 - 4 -

Source: The Global Manufacturing

Revolution, Yoram Koren, 2010

可調整的產能能力以因應不可預測的市場變動需求

Steady

demand

Variable

demand


次世代產業自動化生產系統趨勢 - 5 -

Source: European Mechatronics for a new generation of production systems

將智能導入於

• 生產線重組

• 控制與監控

• 感測

• 具自我調控、重組及能承受環境變動的設備

(adaptable, sustainable)

• 整合適當的IT解決方案，以達成系統重組及自我診斷功能 (self-configuration, diagnostics)

• 生產相關資訊，可在任何地方、由任何使用者、透過任何裝置獲得

ICT 整合

智動化


製造業智動化發展趨勢

全人力製造可解決產品生命週期短之頻繁換線問題，但製造可靠度與效能有限

全自動化可提高可靠度與效能，但技術開發與建置成本高，難以因應少量多樣製造趨勢

智慧自動化(「智動化」)為強化國家製造產業的重要發展項目，亦為已開發國家發展趨勢

美國:

2013投入22億美元進行Advanced Manufacture

研發，目標重新取得國際製造競爭力領先地位

日本:規劃發展人機共存未來工廠

歐盟: 2014投入超過10億歐元進行Advanced manufacturing and processing技術研發, 2030目標提高GDP 0.92%

德國: 2012/03提出「工業4.0」，建立引領未來製造業革命之「虛實合一製造系統」

英國: 2010 投入6億英鎊推廣Advanced Manufacturing，提振製造業GDP貢獻

中國:十二五規劃發展高端裝備製造, 培養國際級工

程機械企業, 提升24省份經濟成長率到10%

台灣:行政院智慧自動化產業方針，目標

2020智動化普及率60%, 人均產值倍增

智動化彈性製造單元需求

預期到2020年，全球機器人每年新增20萬台

- 6 -


係指整合科技化硬體與智慧化軟體技術，透過智慧化流程(訊號感測、資料處理、智慧決策及作動控

制)，所創造出的產品、設備、系統、生產線、整廠兼具硬實力與軟實力的呈現。

零件定位磨耗分析

第一次自動化 (傳統自動化)

強調生產面

低成本

大量生產

一貫化

單能工

第二次自動化 (智慧自動化)

B to B 生產面升級提升附加價值少量多樣彈性、複合化多能工

智動化要素

④作動控制

①訊號感測

開關式自動化

②資料處理 ④作動控制

①訊號感測

邏輯式自動化

視覺感測磨耗感測

隨機堆疊之零件辨識遠端診斷與預測

Ethernet

Equipment

DAQ Module

History Data

Feature

Extraction

Novelty

Detection

Train/Test

Model

Incremental

Learning

Prediction

Result

DB

Download Model & Parameters

Request for Model & Parameters

Novelty

Detection

Feature

Extraction

Remote Server Local Target

自動輸送彈性化組裝換刀或參數調整

CNC工具機

①訊號感測

②資料處理智慧自動化

④作動控制

③智慧決策

①訊號感測(Sensing)

②資料處理(Processing)

③智慧決策(Reasoning)

④作動控制(Reacting)

B to C 使用面加值應用家庭生活之自動化提升醫療、觀光等服務業之產業效能安全、舒適、便利、健康、節能減碳、

環保、人文關懷

智動化要素與流程：

製造業智動化發展趨勢 - 7 -


美國-AMP計畫 - 8 -

• AMP 戰略目標

– 協助美國製造業開發尖端的技術與工具，以利國際競爭力

– 確保美國的創新能力，且在美國發明、在美國製造

– 為美國勞動力提供高品質、高報酬的工作機會

• 計畫目標：

– 透過產官學合作，找出R&D的投資機會、促進競爭前的合

作，共享設備和基礎設施，以求美國先進製造業變革

• 國家製造創新網絡(NNMI)政策：

– 歐巴馬總統3月宣佈將成立15個製造創新研究院，以縮短基

礎研究與業界技術開發間之差距。預計十年期間投資10億美

元。每個製造創新研究院將在獲獎後七年內達財政自主


德國-工業4.0 - 9 -

• 德國政府於2012年3月提出「工業4.0」(industry 4.0)方案，建立引領未來製造業革命之「虛實合一製造系統 (Cyber-Physical System, CPS)」

• 「工業4.0」以操作者為核心，透過資通訊軟硬體之整合建置「虛實合一製造系統 (CPS)」，讓現有「智慧工廠(Smart Factory)」更有「智慧」

• 「虛實合一製造系統(CPS) 」，可落實智慧化生產、跨物流鏈與跨價值創造鏈的網絡化生產，讓實體製造業與虛擬智能工廠無縫銜接

• 以工具機大廠Trumpf所提出之智能工廠互動情境圖為例，未來機械設備將大量整合雲端與軟體技術，透過虛擬與實體的協同合作(collaboration)，製造業之從業人員由單純的生產「操作者」晉升為「控制者和管理者」

「工業4.0」與先前三次工業革命的比較

Trumpf之智能工廠互動情境圖

資料來源：acatech (2013), 工研院IEK (2013)


台灣-自動化產業發展歷程 - 10 -

1982年推動「中華民國生產自動化計畫」。

1989年行政院核定「中華民國產業自動化計畫」，推動自動化擴及一、二、三級產業。

1999年政府因應電子商務風潮與競爭趨勢，將「產業自動化計畫」擴大為「產

業自動化及電子化推動方案」。

低成本

自動化生產自動化

(工業)

產業自動化 (製造業、商業、

農業、營建業)

1982年 1989年 1999年 2011年

•資訊流/物料流

•企業自動化

•電腦整合製造(CIM)

智慧自動化

加值

2020年

ICT加值

產業電子化

（企業e化）

•專用機 • 彈性製造單元

(FMC)

• 單元自動化

•彈性製造系統(FMS)

•工廠自動化(FA)

產業自動化

（自動化科技）


台灣-智慧自動化計畫推動背景 - 11 -

行政院於2011年9月核定「智慧自動化產業發展方案」推動產業發展

→期達成「推動台灣優質平價智慧自動化成為亞太應用典範與服務重鎮」發展願景。政策依據

行政院2012年10月核定之「加強推動台商回台投資方案」

→創造優質產業環境，加強推動台商回台投資，藉以立足台灣、放眼世界。

行政院2013年1月核定之「經濟動能推升方案」行動計畫

→推動「三業四化」主軸示範計畫及「中堅企業躍升計畫」。

備註：3K 即 Kitanai（汚い，骯髒）、 Kiken （危険，危險）、 Kitsui （きつい，辛苦）。

●改善課題產業加值升級 ●創新課題服務業創新應用

運籌能量

提升

工作環境

改善

製造業

升級

•高值化生產及全球運籌

•企業資源整合

•吸引台商回流投資創新產業

•高危險性製程自動化

•降低職業災害

•提升3K產業就業率

•少量多樣生產

•高彈性組裝作業

•由硬體製造整合軟體及服務

高齡社會應用

生活品質提升

醫療、生活支援需要新世代的自動化產業解決

食、衣、住、行、育、樂，更強調便利訴求

服務品質的提升


自動化工程技術服務自動化產品與設備智慧機器人

應用加值

綠能產業

製造業

健康照護 •3C零組件組裝

•3K作業環境

•工具機智慧加工

•產業機械智慧生產

•LED產業

•PV產業

•醫療庶務

•安養照護

•觀光服務自動化

•互動館導覽表演

智慧生活整廠整案

•製造業

•公共事業

•服務業

•智慧家電

•創意3C

文創觀光

智動化產業範疇

綠能產業: LED及PV(太陽光電)

文創觀光: 旅館自動化、主動資訊服務

製造業 : 3C、3K製程、工具機、產業機械

健康照護: 醫療庶務、安養照護

短期(2011~) 中期(2013~) 長期(2015~)

2013 2015 2020 2011

整廠整案:製造業 /公共事業 / 服務業智慧生活: 智慧家電、創意3C

智動化重點產業推動時程

服務業及其他產業

台灣-智慧自動化計畫範疇與推動時程 - 12 -


製造業機器人產業現況

- 13 -


國際產業機器人應用現況台灣智動化國際評比為全球第十、亞洲第三

• 製造業使用機器人數量為評比國家自動化程度重要衡量指標

• 2011年製造業使用機器人密度(台/萬名作業員) – 全球平均55台/ 萬人

– NO.1 韓國(347台/萬人)、NO.2 日本(339台/ 萬人)、NO.3 德國(261台/ 萬人)

– NO.10 台灣 (129台/萬人)

資料來源: World Robotics 2012, IFR; ITRI/MSL整理(2013)

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國際產業機器人應用現況台灣智動化國際評比為全球第十、亞洲第三

• 2011年製造業使用機器人之預估成長率 – NO.1 韓國 2012-2015 預估成長率-2.3%

– NO.10 台灣 2012-2015 預估成長率7.7%

– 政府規劃預期2016 台灣由 NO. 10 NO. 5

資料來源: World Robotics 2012, IFR; ITRI/MSL整理(2013)

中國大陸

- 15 -


汽車、金屬與機械及電子業是2011成長的最大驅動力

產業用機器人各產業應用數量 - 16 -


2011年產業用機器人市場最大應用領域為製造業，約占83%，其中又以汽車製造業佔最高，達36%。

汽車製造業應用成熟，新增裝置比例持平；其他製造業(ICT、金屬、化工、塑膠、食品/飲料、木工等)應用需求增加，產業機器人應用領域持續延伸擴大。

2006 2007 2008 2009 2010 2011

13% 14.3% 16.6% 18.1% 17.7% 17.1%

50.6% 49.7% 47.6% 48.9% 50.3% 46.9%

36.4% 36% 35.8% 32.1% 32% 36%

其他產業應用

其他製造業

汽車製造業

0%

20%

40%

60%

80%

100%

產業用機器人歷年應用領域 - 17 -


持續擴大中的亞洲市場將成為產業機器人成長的主要動力

由於大陸汽車、消費電子產品需求持續攀升，加上人力成本高漲，帶動製造業者自動化需求上升，機器人銷售也一路看漲，IFR估計大陸最遲於2014年將成為全球最大產業機器人裝置國，也是未來亞洲最主要成長來源。

美國及歐洲較2010年分別有53%與43%的成長。

2010~2015全球各主要區域產業用機器人裝置量

產業用機器人全球主要區域應用數量 - 18 -


2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010(e)

產值(億台幣) 140 200 260 340 400 310 450

就業人口 3,500 4,000 5,000 6,000 7,000 7,000 8,000

資料來源： PMC

2004 2005 2007 2006 2008 2009

140 200

260 340

400 310

100

200

300

400

500

台灣智慧型機器人產業產值

600

Employees

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

2010(e)

450

台灣智慧型機器人產業成長變化及就業人口

- 19 -


2009年產值：新台幣310億元

全球市佔率4% (全球280億美元)

2009年出口值：新台幣128億元

2010年產值(F)：新台幣450億元

出口值(F)：新台幣168億元

國內投入機器人相關業者已超過500家。

多軸產業機器人以進口為主，以日系與歐系產

品居多

出口的產業機器人以直角座標機器人為主

(Linear、Cartesian、Gantry)

產值與出口值

資料來源：PMC

我國2009智慧型機器人產值比

22%

66%

9%

3%

零組件及其他製造業應用

益智娛樂家庭清潔

台灣智慧型機器人產業產銷概況 - 20 -


產業機器人技術與應用



- 21 -


雙臂機器人技術 - 22 -

ABB 雙臂機器人 Rethink robotics baxter

NACHI 雙臂機器人

EPSON 雙臂機器人

安川MOTOMAN雙臂

KAWASAKI雙臂

NEXTAGE


多手臂協同作業技術應用 - 23 -

KAWASAKI手臂協同作業產線 NACHI移動式雙臂協同控制 DENSO多手臂協同作業

FANUC手臂協同作業產線 MITSUBISHI手臂協同作業安川手臂協同汽車加工


視覺系統與手臂之整合應用(1) - 24 -

NACHI 堆疊物件取放(3D)

YASKAWA 3D建模機器人 MITSUBISHI堆疊物件取放(3D) FANUC 彈性夾爪+堆疊取放(3D)

3DMedia 雙眼視覺物件取放(3D) KONSEI視覺檢測系統 (2D)


視覺系統與手臂之整合應用(2) - 25 -

以立體視覺導引機器人進行軟板接頭插件以立體視覺導引機器人進行電線銲接


力感測技術應用 - 26 -

Joystick導引順應教導組裝氣壓式力量控制(拋光)

Load cell力量控制(拋光) 力量控制(精密軸承&齒輪組裝)


自動化整合應用 - 27 -

ABB 高速整列

NACHI 自動化上下料 FANUC 自動食品包裝 FANUC 多機高速整列

KAWASAKI 車體組裝 FANUC 自動化堆疊取物加工


FANUC 機器人與視覺技術(1) - 28 -

FANUC 堆疊取物(磁鐵) FANUC Delta插DIP件

FANUC 特定螺絲挑選 FANUC 紙箱整列


FANUC 機器人與視覺技術(2) - 29 -

FANUC Delta機器人(高速取放) FANUC Delta機器人(高速取放)_2

FANUC 高速檢測 FANUC 快速藥丸分類


產業機器人技術與應用



- 30 -


工研院智慧機器人發展重點與應用

Deepen Industry Fundamental Technology

‧3D Vision/Compliance Control

‧RT enabling (產業機器人與智動化系統)

智動化彈性製造Robot cell

-3C產品組裝

-金屬製品製造

次世代手眼力協調產業機器人

-A型 & Delta型

‧3D視覺技術

‧順應控制與關節模組技術

‧手眼力協調技術

‧智慧型教導技術

‧可重組式機器人生產單元

‧人機互動安全技術

‧智慧型調機及校正技術

‧Smart end-effector

目標

–建立國內自主智慧機器人新產業

–帶動業界智慧機器人智動化系統應用

- 31 -


順應六軸A-type機器人 (Payload: 5/7kg)

25秒內完成直覺式順應教導

窄型7軸A-Type機器人 (Payload: 7kg)

多自由度可於有限制的空間內靈活運動，可

深入六軸機器人無法進入的狹小空間

輕量減振4/6軸Delta-Type機器人 (Payload: 1kg)

輕量制振碳纖維複合材料，往復運動:4Hz

能耗減少40%(由400 W降低至240 W)

順應六軸A-type機器人

窄型7軸A-Type機器人輕量減振4軸Delta-Type機器人

智慧機器人技術 - 32 -


可辨識立體工件的機器人

• 建立3D視覺機器人 – 非平行式立體視覺

– 高精度3維座標估測

– 物件辨識與抓取資料庫

– 曲面物件間隙/段差/瑕疵檢測

• 3C/金屬製品應用實例 – 3C產品/金屬製品取放(堆疊鎳片、

USB 、水五金)

– 缺件/毛邊/缺口外觀檢測水五金3D視覺取放

以視覺導引機器人進行物件取放

- 33 -


可感受力量的機器人力量與觸覺感測，應用於工作教導與人機安全

• 發展機器人力感測順應教導與人機安全

– 以馬達電流回饋取代力感

測器之適應性迴授控制

– 軟體補償外部重力與磁力

– 適應性關節與觸覺感測器

，可減低碰撞傷害

觸覺感測器

順應教導夾球

順應控制+重力與磁力補償

- 34 -


磁導引運行控制AGV

•產業需求

• 工廠自動化物料搬運系統

• 醫院醫療庶務用品自動化搬運

•研發成果

•磁導引式無人搬運車(AGV)：研發自製整機系統與關鍵零組件

•驅動模組與控制器系統：單晶片控制核心

•磁感測導引模組：磁感測電路設計與製作，機器人可進行自主移動導航定位功能

車體大小：1000mm x400mm x 220mm 定位精度(重複精度)：+/- 10 mm

驅動系統：二主動輪差速驅動爬坡能力：2 %

導引方式：磁條導引過彎速度：36 m/min @ r = 600 mm

最大載重：300 kg 控制器：雙核心控制器(16位元)

最大拖引載重：500 kg 紅外線障礙物感測：感測距離< 80 cm

車重：< 150 kg 電池系統：鉛酸電池(24 V，72 AmH)

頂桿長度：50 mm 可連續運轉時間：16小時

運轉速度：Max. 36 m/min

AGV自動化運載系統 - 35 -


仿生觸覺智慧終端效應器 -多自由度小型夾爪技術/觸覺辨識技術 -

• 規格 – 3自由度線驅動夾爪，夾指本體最大寬度約12mm(現有產品 30mm)

– 完成13 x 13之陣列壓力感測器，單感測元件尺寸1mm x 1mm

矽橡膠結構模造剪力感測器軟性陣列壓力感測器

3自由度微型線驅夾爪

32 mm

- 36 -

無視覺之隨意擺放電線夾取與穿孔侷限空間夾線換位


智慧視覺應用技術(1) - 37 -

平整度量測檢測

線上缺件檢測

PCB 底片線路瑕疵檢測

線上缺件檢測(探針)

../video/AOI/綠點平整度&VGR影片_20120530.mpg

../video/AOI/綠點缺件檢測 1011002.mpg

../video/AOI/MPI 探針AOI 20130218.wmv

../video/AOI/PCB底片檢查機_20120320v3.mpg



曲面物件量測/檢測

3C零組件取放

平板電腦功能自動測試

../video/AOI/曲面物件量測 pod (1020327).mpg

../video/robot vision/平板電腦功能測試機_1011011.wmv

../video/robot vision/鎳片VGR_ABB_1020103 30秒.mpg



3C元件/零組件取放

USB測試與組裝

金屬製品加工機取放

金屬製品加工機取放

../video/robot vision/SD VGR(20120917).mpg

../video/robot vision/水五金VGR_1011124.wmv

../video/robot vision/TIROS展_USB 1001028 30秒版.mpg


製造單元應用技術 - 40 -

3C產業智動化系統技術

《電容異形件智動化組裝》

《伺服器螺絲智動化組裝》《光碟機薄型螺絲智動化組裝》


製造單元應用技術 - 41 -

LED智動化系統技術

《LED燈板智動化錫焊》《LED高速智動化貼合》


平板電腦智動化組裝示範產線 - 42 -

１

主機板瑕疵檢測

2

金屬屏蔽

瑕疵檢測

LO

AD

ING

主板

元件

LO

AD

ING

金屬屏

蔽元件

3

金屬屏蔽元件組裝

5

主機螺絲鎖固

6

鎖固後

瑕疵檢測 4 組裝後

瑕疵檢測 NG品

回收

NG品

回收

NG

品

回

收

托盤

定速移動

Unloading

成品

智慧視覺品質檢測技術實施之工作站


謝謝聆聽

- 43 -

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