擴增實境及協作型機器人如何推動下一波的自動化

2018-02-22 09:56:00
  • 擴增實境及協作型機器人如何推動下一波的自動化

擴增實境 (Augmented Reality, AR) 技術通常運用了特殊的耳機、頭戴式裝置或投影,將資料或圖片疊加在真實世界的影像之上,並運用感應器及攝影機來撷取操作者的動作,做爲回饋及控制。以目前來說,AR 的主要應用情境仍然是電玩娛樂。但是隨著技術的普及,AR 也開始在機器人研究中佔有一席新的角色,而且更可能即將在制造及物流的自動化上造成重大影響,最終亦將拓展到居家及服務型機器人上。

機器人的程式設定在以往都由編寫程式碼來進行,這個過程既費時,又昂貴。這通常也代表機器人的程式只有單一功能,只能重複進行相同的任務。協作型機器人的出現,讓程式設定大幅簡化,即使未受特殊訓練的操作者,也能藉由依照需求移動機器人手臂,並使用手持教導盒設定中途點及動作,來進行程式設定。這讓程式設定更直覺更有彈性,並能快速重新設定機器人的程式,讓機器人投入新的任務。但是,不論機器人的動作如何精准一致,一般來說還是比不上真人的流暢或快速,而且機器人還是只能進行程式所設定的該項任務。

AR 打破了現況 

這就如同讓真人得以進入機器人的腦中。操作人員可使用 AR 來控制機器人,藉由真人的自然流暢動作,來對機器人發出精確的指令,要求機器人藉由模仿他/她的動作來進行任務。這個全新的方式非常適合由協作型機器人來進行,因爲協作型機器人可和真人操作者一同進行作業,而不需要安全防護籠或隔網的保護。

How-Augmented-Reality-and-Cobots-Drive-the-Next-Wave-of-Automation---pictureEmbodied Intelligence 的研究科學家 Tianhao Zhang,以及 UR3 機器人搭配 Robotiq 夾爪

Embodied Intelligence 使用 AR 來幫助機器人學習繁複的任務

一間名爲 Embodied Intelligence 的新創公司正藉由 AR 作爲輔助機器學習的方式,希望大幅擴展機器人的功能。在紐約時報的文章中,Embodied 的創辦人 Pieter Abbeel 說明,機器人的硬體其實已夠靈活,並可模仿人類動作,但真正的挑戰在于打造軟體來導引硬體的動作。Embodied 團隊在研究中使用了 UR3 協作型機器人進行遠端操作,以 AR 來控制機器人,藉此幫助機器人學習新功能,而不須直接對程式進行設定。遠端操作可讓機器人更快速取得更多的龐大資料,是其他方式所無法比擬的。機器人可將這些資料應用于模仿、開發及強化功能,例如從容器中撿拾形狀複雜的物件、進行不規律的工作 (例如插入電纜) 及處理會變形且無法預測的物件。Abbeel 告訴 IEEE Spectrum:「我們身處的時代,已經是時候開始真正運用這些技術了,也許還不是用在居家機器人上,因爲居家機器人要處理的變化太多,但可以運用在制造及物流上。」

Embodied Intelligence 已取得了七百萬美金的創投資金,但激烈的競爭才剛剛開始。MIT Technology Review 報導,Google DeepMind 及 Kindred AI 的其他研究人員也在此領域中持續推進。而在實驗室外,制造商及系統整合業者也在探索 AR 的各種可能。

ITAMCO 以協作型機器人及 Microsoft HoloLens,展示原型概念及協作應用

ITAMCO 位于美國印第安那州,是一家精機元件制造商,最近他們發表了使用 UR 機器人及 Microsoft HoloLens 頭戴式裝置的 AR 應用,同時還使用了通常用在電玩娛樂中的 Xbox Kinect 360 感應器。HoloLens 是一部穿戴式的電腦,將資訊投影在機器人動作的實境上,並讓操作者使用手部動作控制機器人。由于 HoloLens 亦具備攝影機,因此可錄下真實及虛擬的影像,並分享給其他人,例如工程師或操作者可使用影片對其他工廠或部門的人員進行機器人設定的指導或訓練。

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ITAMCO 的事業拓展及科技經理 Joel Neidig 正透過 HoloLens  UR5 協作型機器人發號施令。

ITAMCO 的事業拓展及科技經理 Joel Neidig 說:「我認爲這會爲操作者及工程師之間帶來很多協作,甚至是前進生産廠房中的現場,也就是 UR 機器人們每天持續工作的地方。你可記錄機器人的工作流程及動作,而人們可錄下其設定,並在實際開始生展制造前顯示機器內儲存的部分虛擬模型。」
開始生産前先使用虛擬環境,可用于對採用貴重零件的生産進行模擬實驗,或規劃還未實際開始生産的零件。AR 系統可讓使用者看到零件將如何被裝入機器中,而不需要真的實體零件。Neidig 解釋說:「在這個業界,有更多的打樣工具可以利用,且能快速打樣並測試設計,是非常重要的。」這樣的系統可讓工程師、制造商及操作者協同作業並做出調整,使零件實際開始生産時,流程的效率能夠最佳化。

Example-of-3D-graphics-seen-through-ITAMCO’s-Hololens

範例:透過 ITAMCO  Hololens 所看到的 3D 圖像

Neidig 特別採用協作型機器人,讓使用 AR 系統的人能安全地站在作業中的機器人旁邊,而不須被安全防護裝置加以隔離。機器人必須夠輕巧以便移動,且整合的難易度也很重要。Neidig 說:「我們選擇 UR 機器人進行此應用,因爲他們是個開放的平台。我們可以 Python 程式語言及安全加密進行通訊,而且 UR 機器人還有已經設定完成可使用的乙太網路連接埠。UR 的功能一應俱全,且直覺易用,方便操作,我們對整個平台都相當滿意。」


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今年于芝加哥舉辦的 Automate 展覽中,Kubica Corporation 讓參觀者以 AR 輔助程序進行汽車車門內側面板的組裝

Kubica 整合 Light Guide Systems 投影,進行組裝輔助及品管

AR 技術及機器人的結合讓現有的協作提升到了全新的境界。位于美國密西根州的 Kubica Corporation 是一間工程公司,並于最近推出了使用 UR10 機器人及 Light Guide Systems 投影系統的 AR 汽車車門面板組裝程式。Kubica 的營運及新事業拓展經理 Carol Choma 解釋此應用時說:「優傲科技的 UR10 機器人和操作者一同在汽車産業的制造站點裏共同作業,是真實協作型站點工作環境的絕佳範例。」
在此應用裏,Light Guide 系統將組裝說明直接投影到工作環境中。操作者將手滑過虛擬的「開始按鈕」投影影像,並在機器人開始作業時,觀看進一步說明指示。投影說明中將特別說明機器人的動作,並提示操作者進行其任務。投影將會以打光照亮及色彩編碼區分路徑的方式指引正確的安裝程序,讓操作者准確地安裝一條排線,而機器人進行其他部分的組裝。


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操作者可依照 Light Guide 系統的說明繼續進行,並透過將手滑過虛擬「按鈕」的方式進行人機互動。

操作者可回應品管訊息,例如缺少插銷,並使用投影系統的虛擬控制,來告訴機器人該如何進行額外步驟。所有步驟完成後,投影系統將對組裝完成工件拍照,作爲追溯紀錄之用。

AR 的研究才剛起步,但已經很有希望可拓展機器人的應用到更複雜的情境、並提升品質及一致性,亦增加和真人協作的機會。


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