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工業自動化與機器人產業發展趨勢

社團法人台灣智慧自動化與機器人協會助理秘書長/林家安

"在全球經濟與產業環境發展的進程中 製造從2010年步入新的轉折點 2011年4月德國總理梅克爾首次於公開場合發表德國將邁向工業 4 0 引起國際震撼 各國並紛紛提出各自的智慧製造規劃 並展開一場以創新科技為名的國際競賽。


台灣是一個製造出口的國家 立即面臨了工業轉型升級的迫切需求 單純的低成本自動化已經無法符合未來的競爭力需求 自動化與機器人除了密不可分以外 還必須具備智慧化運算能"    "力 加以結合許多數據、資訊等關鍵因素 也就是所謂的虛實整合、軟硬兼併 而這也是「台灣智慧自動化與機器人協會」當時創立的緣由 以作為引領台灣走向工業4 0的基礎發展服務平台 積極扮演產業服務與驅動進步的推動者角色。


過去工業機器人的角色是扮演大量生產、執行重複性高的工作 甚至用來搬運重物等。自 2015年起 隨製造產業轉型跨入數位 以先進自動化技術主導生產 成為國際間製造業關注的焦點開始,機器人在生產線上的應用也逐漸落實到各個產業領域,市場並在追求高效生產製造與智慧生活的需求影響下,產量及被需求規模逐年成長。
   

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全球近10年工業機器人年度裝置量的成長圖               圖片來源:國際機器人聯盟(IFR)

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圖片來源:國際機器人聯盟(IFR)

特別是 近年來製造業的生產模式快速變遷 加上人口高齡化問題 機器人必須從原本的取代人力轉為人機協作 尤其在多樣少量生產、產出流程複雜等領域 因此透過精準視覺辨識系統與戚測器 協作型機器人不僅扮演輔助人力的角色 更提高生產彈性、工作效率 從中也帶出關鍵零組件的發展。像是從2020年舉行的台灣機器人與智慧自動化展及自動化工業大展中也可觀察到產業發展端睍。


在整體環境與市場需求的推動下 機械手臂的國產關鍵零組件開發如戚測器、浪管、齒輪、減速機等也較以往更多 零組件亦趨向智慧化 更普及的看到各式智慧化零組件/模組 像是應用於機台內、外部加裝位置、力量、加速度、振動、噪音、溫濕度等各類型戚測器 結合資通"    "訊、巨量資料、A OT等技術 使機台具備重要的運作能力 達到即使擷取資料、記錄與傳輸等目的;並使機台具備運作狀態與效能監控及最佳化、健康狀態分析與故障預測 達到智慧機械之功能。當然更多整體解決方案的智慧工廠 許多展商皆能端出完整的智慧工廠風貌 爭取有意導入智慧製造的中小型企業進一步洽詢。


在廠房應用上 因疫情影響帶動電子商務需求增長 國際大型物流服務體系採用智慧解決方案已成趨勢 預估全球物流自動化市場將有 20-30%年增率 2023年可望達到806億美元。依據國際機器人聯盟的統計 出售或租賃的物流機器人的市場價值增長770% 達到79億美元。因此 似乎有可能繼續保持每年40%或更高的營業額增長。國際機器人聯盟會長M  ton  Guerry先生並表示 「假設24小時不間斷運行 物流服務機器人的投資可以在2至3年內收回 而且通常更快。假設使用壽命為75年 則營運成本約為年度投資的5% 較為發達的系統通常可提供98%以上的運行可用性。」


展會上 也有不少企業如均豪、盟立、廣運等系統整合業者也都針對新物流趨勢 推出智慧倉儲物流整合服務 提供高頻效的倉儲空間、高效率出入庫管理與未來擴增性的智能化倉儲物流系統解決方案。其他亦能看到許多視覺方面的應用 所羅門發表自主研發的AccuP ck 可解決過往傳統視覺無法處理的產線困難 並發表智慧物流分撿與包裝解決方案、智慧焊道辨識方案與智能打磨系統。原見精機以新創品牌丁ouche Solut ons 主打高達95%包覆率的機械手臂安全皮膚丁 Sk n 提供更高規格的安全防護 提供工業機器人走入人機協作最新解決方案等。


根據工研院產科國際所剖析 現今工業機器人產品發展趨勢 大致有以下三個面向: 
1.  多機器人協同工作 很多場景可多個機器人配合來完成特定工作 如應用於加工、拋光、檢測等 展現彈性化任務分配與最佳化路徑技術。
2.  機械設備整合機器人模組化 機器人、刀具庫、檢測站等均已模組化 可透過組合不同"    "模組 與週邊如視覺、軸向運動等快速整合 快速構成彈性混線加工系統 真正實現生產履歷。
3.  工業機器人技能化 工業機器人介於專用機械設備和人工之間 在工作複雜度提高與大量產品的考慮下 活用機器人技術為提升設備系統能力的關鍵 所產生的效果將優於專用機。以精度補償技術、剛性強化等各種方式 讓機器人朝高精度加工的目標邁進 可以靈活、彈性的優勢取代某些工具機的製程 包含自己適應路徑產生技術 分析最佳工件與刀具位置、切削力 而產生最佳切削路徑;自己適應追蹤系統 即時補正機器人運動軌跡與定位誤差;讓工業機器人可被應用於汽車、航太、機械金屬加工業或用於模具加工及高精度零件製造。


此外 經由觀察近3年的國內外自動化與機器人指標性展會與綜整資策會產業分析師觀點 全球機器人產業有著以下8種發展趨勢: 
1.  輕型平價風潮降低採用 為有別全球超過50%市占率的工業機器人如Fanuc、ABB、 KUKA、YASKAWA等領導性業者 其機器人主打高品質、高效能 卻同時有著較高的售價 因此當新進公司或是機器人製造的二線廠商 為與領導廠商進行市場有所區隔 於是採取開發輕型平價款機器人 以降低企業用戶使用彈性及採用門檻策略 成為蓬勃機器人產業的關鍵因素之—。


2.  套件加持 提昇人機協作 2015下半年協作型機器人崛起 各大廠紛紛推出輕量機型 協作型機器人與人同時協力作業的特性 提升機器人生產的彈性生產 也帶出產線最佳的生產效率。因應趨勢需求 也因此衍生業者針對傳統型機器人 開發出相關周邊產品如機器人皮膚及系統 讓 有機器人  具有協作型機器人特性 增加生產的靈活度。

3.  簡易操控降低導入難度:看準簡易的操空方式有助於導入應用場景或是擴大的消費市場,機器人可以透過手持裝置或是筆電、教導器等控制 同時因應市場需求 也有更多新形態的操控模式 如擴增實境技術、聲控等各種模式陸續被發表。


4.  模組化架構提升使用彈性:由於現代的裝置漸趨複雜 技術合度需求也越來越高 如同前面提到的工業機器人發展面向 工業型機器人開始推模組化架構 像是可  置換故障零組件、降低維修成本提高設備可用控等 讓裝置得以延長使用壽命或降低成本、提升生產的嫁動率。


5.  協作型機器人高倍成長:近年來協作機器人市場飛快成長 這主要是因為協作機器人技術產生典範式轉變 陸續問世的協作機器人在更多不同領域得到超乎想像的應用實例。全球協作機器人市場規模在2018年 約為6,491億美元 預計將從2019年到2025年將以44.5%的複合年成長率增加。協作機器人目的在於共享的工作空間中與人類進行協同作業。目前常見到在智能產線的零件裝配和電子產品裝配等領域 與人類一起協同作業的機器人需求正不斷大增。


6. 「工業」與「服務」界線越發模糊:工業型機器人應用步出工廠場景 朝向服務業場景執行任務 像是用於賣場零售業如沖煮咖啡或是摺衣服等。


7.  A l 、 l O T 、 5 G 通 訊 、 網 路 技 術(TSN+OPC  UA)、仿生科技等新興科技發展與應用:自主學習機器人是未來製造業邁向A 時代的關鍵技術 目前工廠中的機器手臂必須仰賴專業工程師針對不同應用客製化控制程式來達成任務 造成換線/任務耗時耗力。而AI之深度學習等技術讓機器人具備自主學習能力 在學習過程中 透過收集資料 反覆嘗試累積經驗 持續改善學習模型的精 度 邁向完全自主的境界。

8.  靈活運送的自主移動機器人:在傳統AGV的基礎上,伴隨著技術的發展,新的概念也被提出——AMR(自主移動機器人),與傳統AGV的自動導引不同,AMR更強調機器人的自主性和靈活性。從傳統AGV到AMR,可以看出,這種物流搬運設備的「車輛」屬性正在被弱化,機器人屬性更加凸顯。


2019年起,受新冠肺炎疫情重挫全球經濟、美中貿易持續對抗、英國脫歐、中東地緣政治緊張等多重因素交互影響下,製造業意識到優化產能與分散風險的重要性,各國也開始投入或分散製造,來降低對單一地區生產的高度依賴。全球公司也從此次疫情中學到經驗,重新評估、思考全球供應鏈的商業模式。而此舉也更將加速推動機器人的裝置成長,以及地區的工業製造高度需求並帶來就業機會增長。雖然有些行業當前還無法擺脫經濟衰退情況,但在疫情過後,可以預期,機器人和智動化技術勢必將有極大化的成長與突破。特別是各產業未來將大幅擴張東南亞、印度、日本及歐美製造基地,生產設備擴充需求是未來經濟成長的絕對契機。

 

另外從台灣本土來看,因應疫情,為減緩企業經營壓力與趁時強化企業競爭力,在政策的鼓勵下,包括生產自動化、數位化等皆被列為紓困標的,因此也帶動中小型製造業對數位轉型、智慧製造的需求明顯增強。透過法人單位的統計數據,2020年,法人所接獲的輔導專案,就比過去整年多了5倍以上;從中也能看出,過去耳熟能詳的智慧製造已經不再只是紙上談兵,企業希望透過導入智慧製造技術來爭取更多訂單、提高生產效率,抑或減低生產運營成本等目標越來越明確。根據IFR國際機器人聯盟組織所公告的調查報告,台灣機器人裝置量為全球第8大市場,僅次於中、日、美、韓、德、義大利、法國。 

 

台灣工業機器人產業,主要分為機器人零組件、機器人本體產品與工業自動化系統三部份;廠商的性質包含零組件廠商、整機廠商、系統整合商(提供智能化服務,透過系統整合為客戶提供更完整的智能化解決方案)、以及IPC族群。


根據工研院產科國際所所發布的資料,臺灣工業機器人產業,主要應用產業為電子業。其他如水五金、航太、表面處理業等,在加工技術提昇、 缺工、產品少量多樣的情形下,需求仍會穩定成長。機器人本體產品製造廠商與國外產品、零組件、系統整合業者加總起來超過百家以上,直接就業人數超過12,000人。以線性傳動元件為主的直角座標型機器人產品在全球市場上擁有一定的競爭力,市佔率超過3成;其他型式的工業機器人產品在全球的總市佔率不到10%,仍有相當大努力的空間。


而零組件廠商是工業機器人產業供應鏈的主體,包括傳動元件、控制器、驅動器、感測器。台製工業機器人,特別是多關節型式的機械手臂,其所使用的關鍵零組件如伺服馬達、減速機與編碼器等,多是從國外進口、採購,但是經過這些年政策及產業需求驅動的影響下,最近台灣機器人產業已逐漸建立起自主能量,許多機械金屬零組件的製造商開始將研發能量投入機器人零組件,且逐漸通過品質驗證。智慧自動化關鍵零組件與機械、機器人、系統整合是產業走向智慧製造與智慧服務的重要利器,智慧自動化產業投入廠商越多、發展越快越強,產業服務能量則累積越多越廣,才能有效服務國內各產業和提升其製造與服務競爭力。零組件的完整關係到供應鏈的完整,供應鏈的健全與否直接顯示出這個國家的這個產業是否強盛。而系統整合業者位於智慧製造產業鏈中間、角色重要,若有更多關鍵零組件、機械設備業者投入成為系統整合業者,並提升SI業者服務能量與成功案例,就能積極帶動台灣各產業智動化速度。


國內的工業自動化系統整合商,以製造領域區分,大致可分為(1)機械金屬加工製造業,主要有盟立、旭東、大銀微系統、世紀貿易、公準。(2)汽車暨零組件製造業,永彰、統旺、潤蓬、也成、和大。和大本身除了是汽車齒輪等傳動零組件的製造商,未來也將會是傳動零組件智慧製造方案的供應商。(3)電子產品製造業,則有盟立、佳世達、致茂、均華、帆宣、志聖、均豪、信紘科、和椿。


台灣相關業者不斷透過自動化系統整合商擴展系統化技術,但到目前為止,多數的系統整合商能力僅在將機器人與各種感測器或是各種其他設備(輸送帶、機台)連接與調適,但若要進展到自動化所需進一步的智慧化功能,像是實現預知維護、跨協定之彈性組態管理、混合資訊整合等的系統化技術,系統整合商仍必須導入國外的模組或產品,製造製程整合應用調機需國外原廠共同進行評估,技術來源有所限制。


為了讓生產製程有一個整體研製的考量,系統整合業者因此回頭探尋歐日原廠品牌機器人,也因而形成台灣目前雖有超過70%的工業機器人被應用於機械金屬等相關製程,但在此領域具競爭力的機器人企業仍是以日系及歐系機器人品牌為主。從中並可看出,台灣雖然已經建立國產機器人品牌產品,但多以單機及模組為主,欠缺製造系統之數位系統解決方案與機器人加工應用之演算法,因此無法透過軟體創造與國外競爭者的差異化,這也是當前臺灣工業自動化與機器人產品發展的核心問題。


經工研院產科所分析師研究後發現,工業自動化系統整合商於現今發展上面臨幾個問題,包含AI系統的整合(製造領域製程的Know-how如何與AI結合)、機台設備的數位化(CAD/CAM所有的數據要整合,資料感知擷取與資訊可視化)、資通訊技術的人才(資通訊技術,如網路通訊、演算法、嵌入式系統、雲計算..等的人才);這三項問題佔比為51%。

 

為解決此一問題,台灣智動化與機器人協會(TAIROA)也於今年8月正式成立「台灣智動化系統整合聯盟」(SI聯盟),以聯盟為平台,鏈結各產業SI服務能量,並透過產業服務規範與人才培育,優化SI產業環境、提升SI技術與服務能力,同時辦理優質系統整合事蹟選拔與國內外展示,協助產業行銷推廣,拓展國內外智動化市場,協助智動化技術服務與需求兩端媒合,並致力大幅簡化企業尋找智動化技術服務時程,提供企業跨領域、多專長的系統整合完整服務。

 

面對大環境快速邁向高齡少子化,勞動人口占比急速下滑,製造與服務兩大產業同時持續面臨人力需求嚴重不足的問題,機器人加上智慧化科技的導入與應用已是必然。


全球製造業正面臨著巨大的挑戰,例如快速變化的消費者趨勢,資源短缺,熟練工人短缺,社會老齡化以及對本地生產的需求。全世界積極推動智慧化生產,智慧化生產對於全球製造業的發展已受到重視。在這些年間,我們看見「人機協作」機器人的快速發展,體積小及簡易使用的協作型機器人帶動工業機器人市場規模的擴大,發展趨勢是透過機器人生產的彈性與數位化資訊,因應客製化生產製造;機器人取代人工完成重勞力、具汙染性且精密的工作,並同時維持高品質,產業利用先進自動化技術從事生產的議題已成為國際間製造業關注的焦點,機器人在生產線上的應用會逐漸落實到各個領域。


越來越多公司增加工業型機器人的使用量;在2013到2018年五年的期間,機器人的全球裝置量約有65%增長率,達到42.2萬台,但2018年的增長速度已放緩,而這種放緩影響來自於汽車轉型的不確定性、智慧型手機銷量下降,以及國際間政治因素導致。儘管如此,機器人的技術仍是不斷的突破發展。同一時期(2013-2018年度),美國勞工部統計局報告顯示使用最多機器人的汽車產業就業率提升了22%工作機會也從824,400增加至1,005,000個。不過由於美國與中國兩大經濟體之間的貿易戰火,2019年對於工業機器人產業來說是相對艱困的一年,這也確實反映在IFR全球機器人聯盟即2019年全球工業機器人裝置量報告,總裝置量下滑9.7%,為38.1萬台。

 

工研院產科所資深研究分析師表示,觀察台灣機器人產業的發展狀況,很類似三十年前電腦產業即將蓬勃發展的情況。台灣現在是世界主要的ICT產品生產國之一,已經具備了發展機器人所需要的智慧需求韌體的產業鏈(ICT相關產業供應鏈),有機會依循電腦產業的發展模式來發展智慧型機器人產業,即使機器人零組件與產品的穩定性尚待驗證,但仍比其他國家具有發展機器人產業的優勢;ICT相關產業供應鏈的優勢也是精密機械、智慧型汽車、5G發展的契機。


預估台灣關節型工業機器人的裝置量,未來2年的年均量為11,500台,缺乏市場縱深及產業規模的台灣機器人產業,不一定要跟隨德、日大國去發展出一具具推陳出新的各式機器人;高知識含量、高附加價值的技術服務應該是這個產業發展上的重要選項。展望未來,也就是應用面know-how的建立與自動化系統整合的能量,建議如下;


1.    重視工業基礎技術讓零組件能自主化是首要
2.    整機產品須與製程整合一起考量
3.    結合現有ICT技術與台灣網通技術的能量

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台灣工業機器人發展定位與作法

資料來源:工研院產科國際所