產業技術評析

一、機器人市場規模

2022年全球工業機器人的裝置量新增57萬台(如圖一)，年增9.9%，產值達270億美元，在所有新部署的機器人中有73%安裝在亞洲，而歐洲和美洲的比例分別為15%和10%。機器人取代單純、重複、可預期性的工作已成為趨勢，2020年全球機器設備的工作量占生產線整體33%，人力占比為67%；預估到2025年，機器設備的工作量將達47%，而人力占比會減少至53%，屆時機器人的裝置量及整合應用將會大幅增加，特別是走向人機協同的合作模式。以此趨勢發展，2030年全球所有運行中的工業機器人將達到千萬台，全球工業型機器人的市場規模在2025年將成長至455億美元，2030年為1,200億美元，年平均複合成長CAGR達21.4%。
 

資料來源：工研院產科國際所(2024/05)
圖1 全球工業機器人市場規模
 

工研院產科國際所對於機器人市場未來成長的看法有三，第一是製造業勞動力的短缺，這是機器人裝置量成長最主要的原因。再者是人工智慧和數位化的發展將促使機器人更易於使用，使它們能夠在各式產業中承擔更多任務，最後是協作型機器人技術在機器人和人類之間將建立更多專業合作夥伴關係；這些都將促使機器人應用的成長，我們認為以機器人(機械手臂)為核心展現出的靈活彈性仍然是製造業的長期剛性需求。

二、快速組裝關節機器人的特色與創新

傳統機械手臂一直是全球製造業的重點導入設備，其堅固的結構和較高的承載能力使其在許多固定的工業應用場景中得以廣泛應用，例如：在汽車組裝廠中，常使用傳統機械手臂來搬運和組裝重量較大的汽車零部件；其結構固定的特性使得傳統機械手臂能夠在操作時實現高精度的定位和操作。然而隨消費市場需求的多變，「少量多樣」逐漸成為製造業極為重要的生產模式，尤其在3C(Computer、Communication、Consumer Electronics)產品組裝產線更是明顯。面對此趨勢，傳統機械手臂的固定結構難以應對不同的生產需求。當面對新的生產需求時，往往需要進行大幅度的重新配置和調整，導致生產線的停擺時間增加，影響到生產的效率及彈性。
 

資料來源：工研院機械所(2023/10)
圖2 快速組裝關節機器人
 

為了使多軸關節機器人在水平式、垂直式等環境應用方面更具有高度的彈性，需要有快速調整機器人型態及產線配置的機制，也就是利用一個款式的模組就能組裝出不同類型的機械手臂。因此工研院開發出快速組裝關節機器人(又稱快拆式關節機器人，Detachable Joint Robot System)，如圖2所示，技術上是將馬達、減速機、驅動器、編碼器、煞車器設計整合成一體，簡化目前市面上機器人配線與電控箱體積過大的問題，並結合國際通用的工業網路協定實現機器人的輕量化與一體化。它的特色與創新主要有：1、可彈性適應各種產業，從成本或需求考量建構機器手臂應用；2、模組化設計，可調整自由度與臂長，提高機器手臂稼動率；3、具備機器人關節快速拆換機制，僅需替換有問題之關節模組，降低維修費用與時間成本；4、具備可視化程式編輯系統，降低使用者操作難度；5、具備機器手臂順應教導功能，能讓使用者以拖拉方式將手臂移動至目標點位；6、機器人高精度提升技術，可提高受控手臂定位精度。

由於快拆式關節模組已將所需元件整合，故可減少各元件間的溝通、配置、配線及繞線等問題。機器人的關節模組化設計，可讓全世界運行中的協作機器人擁有任意組裝及重新調整硬體配置而具備不同動作型態的功能，此技術的優勢在於可彈性應用在不同場合與節省系統重新建置之成本。有別於以往傳統的機械手臂，快拆式驅控整合關節模組可快速因應市場變化及不斷變化的客戶需求，短時間內調整機器人型態和產線配置的能力，提高生產線的彈性和靈活性。此關節模組採用快速電訊傳遞方式，將驅控器整合到關節模組內部，搭配楔形定位鎖固機構設計，具有體積小、可攜帶、組裝快速的優勢，可以像樂高積木堆疊式自由靈活的搭配組裝，快速建構出客製化機器人。以手機大廠產線為例，通常需要高達8~12種款式的機器手臂才能完成生產，有了快拆式驅控整合關節模組，僅一款式就能組裝出不同類型的機械手臂，可應用在產線上進行組裝、焊接、檢測等，並同時兼顧精度與品質。快拆式驅控整合關節模組手臂擁有全球最高扭力體積比，並具備荷重比高的特點，達到0.3（Payload：6 kg／Weight：20 kg），這個設計適用在輕工業加工、物料檢測、不同科別的醫療手術輔助，還能作為教學、DIY、服務型機器人，目前與國內協作型機器人廠商合作生產，用於3C組裝或輕加工市場，完全符合中小企業對於少量多樣化的需求，此技術已獲全球百大科技研發獎(RD100)肯定。

三、具安裝快速和可靠度高兩大優點

目前製造業多數使用的歐日品牌工業機器人面臨各式驅動器、馬達、控制器(跨廠牌、機種機型、跨應用)不易垂直整合，無法彈性擴充應用功能等問題；且封閉式周邊整合樣態，無法以水平化開放架構依據機器人產品定位與市場應用需求，讓製造業的使用客戶選取最適整合的方案。工研院研發的快拆式關節機器人能以單一款式組裝出不同類型的智慧機器人，可應用在生產線上進行組裝、焊接、檢測等工作，它以輕量化高效節能馬達、低能耗控制技術、並從機器人本體建立淨零轉型基礎，同時兼顧精度；目前已與全球指標性的機器人業者合作生產，並逐步擴散應用到電子及機械金屬等產業，可配合少量多樣、彈性產線需求，快速調整機器人型態及產線配置。

工業機器人在製造業中得到應用，通常以單個手臂的形狀出現，可以完成包括焊接和裝配在內的各種任務。工業機器人還以自動化移動機器人和自動導引車的形式承擔物流角色，快拆式機器人致力於創建智慧工廠，在降低成本的同時提高生產力。快拆式驅控整合關節模組解決了傳統機械手臂維修所需的時間和成本問題。傳統機械手臂一旦受損，往往需要整機送回原廠進行維修，過程中除了耗費大量的時間和金錢外，生產線的停擺將導致生產效率下降，若無法按時完成訂單影響交貨期限，將造成生產成本的增加。由於快拆式驅控整合關節每個模組都是獨立的，使得機器人的拆卸、更換、維修變得更加容易，如果其中一個模組出現問題，只需要將該模組拆卸下來，然後更換或修復即可，不必將整個機器人送回原廠，這不僅節省了來回送修的時間和成本，還可以更快地恢復生產線的運作，確保產線連續性和生產效率。

四、精密機械產品發展的典範

以機器人的技術發展演變來看，從高重複精度、可靠性、安全性到價格競爭；當多數的機器人製造商都能推出高精度、安全性的產品時，競爭的基礎就會移轉到靈活度、彈性及成本。今天的機器人在製造系統中是一個智慧化的生產工具，須以靈活度更高的技術與產品來輔助生產力的提升。工研院的快速組裝關節機器人採用微型化、可變形組裝與精密控制技術，能變化出高荷重、多軸數、大範圍等不同型態，相較於德國大廠關節模組，它有更輕、荷重比更高、扭力體積比更高、隨插即用的特點，能滿足中小企業少量多樣、彈性生產需求；更能協助企業提升現有應用的機器人產品可靠度與產品附加價值。

隨著ChatGPT技術的不斷進步和發展，將快拆式驅控整合關節模組機器人與生成式AI從自然語言轉換程式碼的能力結合，可以更容易地操作設備。傳統上操作手臂需要通過複雜的訓練和編程才能使機器人完成任務。在產線中若可以使用自然語言描述來指導機器人的操作，而不需要深入了解編程語言和技術細節，這將大大降低操作設備的門檻，例如他們可以通過對話描述需要機器人進行的工作，如搬運物料、組裝零件或進行檢測等命令，機器人將解析這個指令，並將其轉換為機器人可以理解的指令，進而實現智慧控制和操作。以自然語言控制的方式使得操作設備變得更加直觀和易用，無需進行專業的編程或訓練，這將降低了操作設備的門檻，提高工作效率和生產效率。工研院未來將持續配合科技專案引領臺灣廠商投入精密機械應用發展領域，協助產業佈局可量產化的機器人產品，加速關鍵技術的建構，在國際上樹立臺灣能夠發展出智慧化、高精度化、複合化的機器人產品典範，協助產業提升國際競爭力。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)