當傳統製造業面臨少量多樣的客製化需求增加,卻同時需解決招工不易等課題時,工廠從現行的人工、自動化作業邁向「智慧工廠」成為必然趨勢。然而未來智慧工廠若想做到良率、效率的提升,還要能夠適應像是 COVID-19 的疫情挑戰,僅以個別機器獨立運作的模式已無法滿足,取而代之的將是由各式固定及移動機器人自主協作,達到端到端能互相「溝通」,如同人類即時協調的作業模式!

各式固定及移動機器人自主協作的「智慧工廠」是未來趨勢。

但想達到智慧工廠的此一目標,「串聯」各個機台並達到「即時傳輸」的技術就相當重要。隨著 5G 時代的來臨,其大頻寬、大連結、低延遲特性已解決即時傳輸的需求,但如何做到串聯各機台,甚至讓彼此之間能互相協作呢?

未來工廠如何提升營運效能?讓機器如同人做到「自主協調」!


近年積極佈局智慧製造軟硬體整合的凌華科技,針對機器人協作的方式提出了「群機智主」(Swarm Autonomy)概念。凌華科技新世代機器人平台事業處王健豪博士指出,「 Swarm Autonomy 是指工廠內各機台設備都具備自主運作、智慧溝通的能力,可說是物聯網概念的進一步擴展,更強調機器的自主性與系統擴張性,這也是我們認為未來智慧工廠中各機台互動運作的樣貌!」

以工具機製造專長的友嘉集團,近年也了解到客戶因為人力缺乏與需求轉變,對於物流、檢測以及技術服務都有迫切的升級需求。因此在 2017 年與凌華展開智慧化未來工廠的建造計畫,友嘉集團智慧製造與數據服務部林勤喻總經理分享,「過去工廠導入機器人或自動化設備只是用來取代人力。但未來將以人機協作為主,必須結合智慧功能,才能為工廠營運創造更高的價值。」

凌華如何讓機器人從單向資訊接收到「群機智主」的互相溝通?

凌華科技新世代機器人平台事業處王健豪博士表示,未來智慧工廠若要提升運作效能,就必須達到「群機智主」,其中的關鍵技術就在於「即時邊緣通訊系統」技術,讓機器之間能即時傳輸數據並快速回應,進行溝通。圖片來源:TechOrange

而 Swarm Autonomy 這樣的目標該如何落實呢?關鍵便是「即時邊緣通訊系統」(Data Distribution Service,DDS),透過此一技術凌華成功讓機器與機器之間能即時傳輸數據並快速回應,解決機器間平行、透明、即時的溝通需求。

凌華的機器人控制器 ROScube 整合 ROS 2 機器人作業系統,預設就是凌華的 DDS。

王健豪博士表示, DDS 是由凌華在 2015 年併購英國公司 PrismTech 後引進的一項技術,過去主要是用在軍事航太領域,大幅改善了傳統主從式(Client/Server)架構的缺點,採用發布/訂閱式(Pub/Sub)架構的點對點、分散式通訊,具備優異的穩定性與可靠性,且它是一個中介軟體,傳統工廠在導入時不用花費大量成本,亦不必更換現有的硬體裝置設備。

不過,過去因為 DDS 的技術門檻高,市場並不普及,然而隨著次世代機器人作業系統(ROS 2)在 2017 年把 DDS 納入其通訊層後,大幅降低了 DDS 的應用門檻,讓更多人都能輕鬆利用分散式通訊帶來的效益。

創造最即時的溝通成效!DDS 結合 5G 提升機器人的反應速度

資策會先進通訊系統中心王德仁協理分享,「 DDS 具有 QoS (服務品質)機制,可確保資料傳輸的品質,是與 5G 的理想結合,可提供從通訊層到資料層的良好串聯。」

王健豪博士分享,雖然 DDS 這個中介軟體可適用於不同的底層通訊硬體,但怎麼做到從自主移動機器人到自動化產線等異質性設備之間能「即時溝通」,就必須靠 5G 的高可靠度與低延遲特性!而 DDS 技術如何在台灣與 5G 順利結合?凌華找上具有豐富前瞻技術經驗的資策會協助落地應用。

資策會先進通訊系統中心王德仁協理表示,「 DDS 具有 QoS(服務品質)機制,可確保資料傳輸的品質,是與 5G 的理想結合,可提供從通訊層到資料層的良好串聯。」

資策會協助在新竹湖口岩田友嘉工廠建置 5G 專網設備,將 5G 結合 DDS 技術落地應用。

林勤喻總經理亦指出,「佈署智慧工廠時需考慮彈性生產、以及工廠擴容性、快速換線等各種需求。而 DDS 是一個中介層,可適用於有線/無線或多種無線技術共存的製造環境中,又具備高可靠度特性,再結合 5G 的低延遲與高速傳輸,將能大幅提升機器人等自動化設備的敏感度與反應速度。」

導入 AMR/AOI/MR 3 大應用,改善製造業良率、效率、停機問題

友嘉集團智慧製造與數據服務部林勤喻總經理分享,目前凌華、友嘉與資策會三方已在新竹湖口岩田友嘉工廠布建 AMR(無人搬運車)、 AOI(自動光學檢查)、以及 AR(擴增實境)智慧眼鏡  3 大應用,不僅提升  15% 良率,更降低  20% 成本。

目前 5G 結合 DDS 技術已實際建置於新竹湖口岩田友嘉工廠內的工業級噴槍生產線,由 AMR (無人搬運車)、 AOI (自動光學檢查)、以及 MR( AR/VR 混合實境)智慧眼鏡 3 大應用打造真正的 5G 未來工廠。

產線設備運作監測中心透過 5G 結合 DDS 能即時整合產線資訊,串連 AMR 自主移動機器人運送零組件至各檢測部門,提高生產效能!

首先,以智慧工廠最講求的「效率」為例,過去由人工搬運可能會有開小差或需要休息的問題,但透過 AMR 的佈署將能達到未來關燈工廠的需求,加上 5G+DDS 所具備的優異擴容性,可依據不同的生產流程迅速調整搬運路線,大幅提升生產彈性。林勤喻總經理分享,未來若是應用在更大的場域、更多台 AMR 同時協作,將更能凸顯 5G+DDS 的效益。

基於 AI 之 AOI 系統能整合六軸機器手臂,進行取像後將相片傳輸,並在後端即時分析檢出產品瑕疵,同時優化檢測模型達到高可靠度的噴槍水漬殘留檢測系統,縮短檢測時間。

同時,「良率」也是追求效率的同時,不能忽略的指標之一,過去工廠多以人工方式進行產品檢測,但常常發生檢測品質不穩定、甚至數據輸入錯誤的狀況,目前友嘉透過導入凌華搭載 AI  技術的 AOI 機器視覺設備檢測噴槍水漬,藉由 5G 快速達成影像的傳輸,以及光學儀器的取像調整,不僅良率提升 15% ,更排除掉人為、數據出錯的機會,讓生產成本降低 20% 。

產線人員透過 MR 智慧眼鏡與中控端進行雙向溝通,即時將視覺畫面與機台參數結合,提供遠端分析與指導。

再者,「事故停機」更是製造業生產中重大的隱形成本,像是今年受限於疫情,老師傅或維運廠商無法即時移動協助排解機器停機的問題,資策會藉由「 MR 眼鏡」的應用協助友嘉建立遠端支援服務的能力。林勤喻總經理解釋,「當客戶機台有問題時,現場人員可利用 MR 眼鏡把影像傳回給我們的技術人員,再透過結合機台參數的判讀,能夠第一時間解決客戶問題。」

他認為,新技術導入除了為公司帶來有形價值之外,更重要的是激勵員工自主學習、思考未來工作可能性的無形效益。同時,也藉由更多生產流程與機台數據的積累,配合友嘉自行開發的數據分析平台,未來將能提供更完整的解決方案與數據服務給客戶。

5G 結合 DDS 智慧工廠生態圈模組成型,加速開發不同製造需求

在凌華、友嘉和資策會的共同合作下,率先在國內打造了一條 5G 示範生產線。事實上, 5G 結合 DDS 在智慧工廠的應用,即使在國外也仍是處於草創期。

為了進一步擴大應用,王德仁協理表示,資策會除了進行前瞻技術研究之外,將以成立工作小組的方式,廣邀像是凌華這樣的製造業及 5G 專網設備業者加入,提供像是 5G 伺服器或是整合式的 5G 小型基地台等產品,來推動此技術的成熟發展,未來甚至可把智慧工廠解決方案輸出到國外。

ADLINK 的多接取邊緣運算伺服器系列 MECS 符合 OTII 標準並通過 NGC-Ready 驗證,同時可作為 5G RAN 建置時的白牌解決方案。

王健豪博士也認同說,智慧工廠的範疇很大,不是一家公司可以獨力完成的,需透過整合包括 Intel 等軟硬體即時技術平台供應商,以及感測器、系統整合業者,和友嘉這樣願意投資與實際應用的終端用戶等眾多合作夥伴一起建立完整的智慧工廠生態圈。

而凌華目前也將針對 ROS 2/DDS 結合 5G 技術,開發出一套軟硬體整合的解決方案,相信未來不管是智慧工廠、智慧城市或是自駕車都將有更多點對點的通訊需求,而這些需求就能藉由凌華的控制器協助客戶平台加速開發!

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