扩增实境及协作型机器人如何推动下一波的自动化

2018-02-22 09:56:00
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扩增实境 (Augmented Reality, AR) 技术通常运用了特殊的耳机、头戴式装置或投影,将资料或图片叠加在真实世界的影像之上,并运用感应器及摄影机来撷取操作者的动作,做为回馈及控制。以目前来说,AR 的主要应用情境仍然是电玩娱乐。但是随着技术的普及,AR 也开始在机器人研究中佔有一席新的角色,而且更可能即将在制造及物流的自动化上造成重大影响,最终亦将拓展到居家及服务型机器人上。

机器人的程式设定在以往都由编写程式码来进行,这个过程既费时,又昂贵。这通常也代表机器人的程式只有单一功能,只能重复进行相同的任务。协作型机器人的出现,让程式设定大幅简化,即使未受特殊训练的操作者,也能藉由依照需求移动机器人手臂,并使用手持教导盒设定中途点及动作,来进行程式设定。这让程式设定更直觉更有弹性,并能快速重新设定机器人的程式,让机器人投入新的任务。但是,不论机器人的动作如何精准一致,一般来说还是比不上真人的流畅或快速,而且机器人还是只能进行程式所设定的该项任务。

AR 打破了现况 

这就如同让真人得以进入机器人的脑中。操作人员可使用 AR 来控制机器人,藉由真人的自然流畅动作,来对机器人发出精确的指令,要求机器人藉由模仿他/她的动作来进行任务。这个全新的方式非常适合由协作型机器人来进行,因为协作型机器人可和真人操作者一同进行作业,而不需要安全防护笼或隔网的保护。

How-Augmented-Reality-and-Cobots-Drive-the-Next-Wave-of-Automation---pictureEmbodied Intelligence 的研究科学家 Tianhao Zhang,以及 UR3 机器人搭配 Robotiq 夹爪

Embodied Intelligence 使用 AR 来帮助机器人学习繁复的任务

一间名为 Embodied Intelligence 的新创公司正藉由 AR 作为辅助机器学习的方式,希望大幅扩展机器人的功能。在纽约时报的文章中,Embodied 的创办人 Pieter Abbeel 说明,机器人的硬体其实已够灵活,并可模仿人类动作,但真正的挑战在于打造软体来导引硬体的动作。Embodied 团队在研究中使用了 UR3 协作型机器人进行远端操作,以 AR 来控制机器人,藉此帮助机器人学习新功能,而不须直接对程式进行设定。远端操作可让机器人更快速取得更多的庞大资料,是其他方式所无法比拟的。机器人可将这些资料应用于模仿、开发及强化功能,例如从容器中捡拾形状复杂的物件、进行不规律的工作 (例如插入电缆) 及处理会变形且无法预测的物件。Abbeel 告诉 IEEE Spectrum:「我们身处的时代,已经是时候开始真正运用这些技术了,也许还不是用在居家机器人上,因为居家机器人要处理的变化太多,但可以运用在制造及物流上。」

Embodied Intelligence 已取得了七百万美金的创投资金,但激烈的竞争才刚刚开始。MIT Technology Review 报导,Google DeepMind 及 Kindred AI 的其他研究人员也在此领域中持续推进。而在实验室外,制造商及系统整合业者也在探索 AR 的各种可能。

ITAMCO 以协作型机器人及 Microsoft HoloLens,展示原型概念及协作应用

ITAMCO 位于美国印第安那州,是一家精机元件制造商,最近他们发表了使用 UR 机器人及 Microsoft HoloLens 头戴式装置的 AR 应用,同时还使用了通常用在电玩娱乐中的 Xbox Kinect 360 感应器。HoloLens 是一部穿戴式的电脑,将资讯投影在机器人动作的实境上,并让操作者使用手部动作控制机器人。由于 HoloLens 亦具备摄影机,因此可录下真实及虚拟的影像,并分享给其他人,例如工程师或操作者可使用影片对其他工厂或部门的人员进行机器人设定的指导或训练。

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ITAMCO 的事业拓展及科技经理 Joel Neidig 正透过 HoloLens  UR5 协作型机器人发号施令。

ITAMCO 的事业拓展及科技经理 Joel Neidig 说:「我认为这会为操作者及工程师之间带来很多协作,甚至是前进生产厂房中的现场,也就是 UR 机器人们每天持续工作的地方。你可记录机器人的工作流程及动作,而人们可录下其设定,并在实际开始生展制造前显示机器内储存的部分虚拟模型。」
开始生产前先使用虚拟环境,可用于对採用贵重零件的生产进行模拟实验,或规划还未实际开始生产的零件。AR 系统可让使用者看到零件将如何被装入机器中,而不需要真的实体零件。Neidig 解释说:「在这个业界,有更多的打样工具可以利用,且能快速打样并测试设计,是非常重要的。」这样的系统可让工程师、制造商及操作者协同作业并做出调整,使零件实际开始生产时,流程的效率能够最佳化。

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范例:透过 ITAMCO  Hololens 所看到的 3D 图像

Neidig 特别採用协作型机器人,让使用 AR 系统的人能安全地站在作业中的机器人旁边,而不须被安全防护装置加以隔离。机器人必须够轻巧以便移动,且整合的难易度也很重要。Neidig 说:「我们选择 UR 机器人进行此应用,因为他们是个开放的平台。我们可以 Python 程式语言及安全加密进行通讯,而且 UR 机器人还有已经设定完成可使用的乙太网路连接埠。UR 的功能一应俱全,且直觉易用,方便操作,我们对整个平台都相当满意。」


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今年于芝加哥举办的 Automate 展览中,Kubica Corporation 让参观者以 AR 辅助程序进行汽车车门内侧面板的组装

Kubica 整合 Light Guide Systems 投影,进行组装辅助及品管

AR 技术及机器人的结合让现有的协作提升到了全新的境界。位于美国密西根州的 Kubica Corporation 是一间工程公司,并于最近推出了使用 UR10 机器人及 Light Guide Systems 投影系统的 AR 汽车车门面板组装程式。Kubica 的营运及新事业拓展经理 Carol Choma 解释此应用时说:「优傲科技的 UR10 机器人和操作者一同在汽车产业的制造站点里共同作业,是真实协作型站点工作环境的绝佳范例。」
在此应用里,Light Guide 系统将组装说明直接投影到工作环境中。操作者将手滑过虚拟的「开始按钮」投影影像,并在机器人开始作业时,观看进一步说明指示。投影说明中将特别说明机器人的动作,并提示操作者进行其任务。投影将会以打光照亮及色彩编码区分路径的方式指引正确的安装程序,让操作者准确地安装一条排线,而机器人进行其他部分的组装。


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操作者可依照 Light Guide 系统的说明继续进行,并透过将手滑过虚拟「按钮」的方式进行人机互动。

操作者可回应品管讯息,例如缺少插销,并使用投影系统的虚拟控制,来告诉机器人该如何进行额外步骤。所有步骤完成后,投影系统将对组装完成工件拍照,作为追溯纪录之用。

AR 的研究才刚起步,但已经很有希望可拓展机器人的应用到更复杂的情境、并提升品质及一致性,亦增加和真人协作的机会。


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