感测技术的不断进步助力机器手臂工作多元化

除了最基本的取放（Pick&Place）应用外，由于感测技术不断进步，现在机器手臂能胜任的工作已越来越多元化。 许多过去只能靠人工操作的组装流程，例如软板（PFC）、缆线的插件作业，现在也能靠机器手臂代劳；有些连人力都不见得能做得好的微米级精密组装，只要搭配正确的感测技术，机器手臂也能大展身手。

力觉感测技术就是让机器手臂也能胜任软板/缆线插件、微米级精密组装等“细活”的关键。 藉由力觉感测，手臂能感知其所接触的对象反馈给机器手臂的力量，同时也让手臂得以精准地控制其对工件所施加的力道。 这不仅让手臂得以胜任各种需要纤细力道控制的工作，对容易破碎的物体进行作业，也让手臂能够精准地把工件插入孔位。

力觉感测结合手臂的特殊考虑因素

对机器手臂而言，除了机器视觉之外，力觉也是一个很常见的配套感测技术。 但相较于视觉，力觉感测属于接触式感测，因此力觉感测的设计开发要顾虑到许多机械结构的因素。

虽然力觉感测的技术流派众多，但大致上都可用弹簧跟阻尼的概念来理解，因此，当手臂上的力觉传感器受到一股外力作用时，传感器会有程度不一的变形。

除了传感器本身的变形外，另一个会影响到传感器运作的机械性因素是传感器跟控制器的配线。 目前市面上绝大多数的机器手臂若要搭载力觉传感器，都是用外挂的方式加装在手臂上，传感器与控制器之间的连接线缆则裸露在手臂本体外。 因此，若配线时没有保留适当的裕度，手臂伸缩运作会拉扯到配线，使力觉传感器受力，从而影响力觉传感器的读数。

图1跟图2是两种力觉传感器整合在机器手臂上的配线方式，图1是完全外露的配线方式，图2则是让线路在机械手臂内部走线。 在由图2可看出，在设计时就考虑到整合力觉传感器需求的机种，像是爱普生（Epson）的C8系列机器手臂，在配在线会相对轻松许多，因为裸露在外的线路很短，不太需要担心手臂运动会拉扯到线路，影响力觉感测。

除了机械性因素外，传感器本身的噪讯水平，也是影响传感器精准度的一个重要因素。 为了获得更好的分辨率，传感器本身的噪讯水平必须非常低，否则讯号会被噪声盖过。

简化开发/降低成本 统一软硬件平台有大用

不可讳言的是，力觉感测是一种成本较高，应用上也有比较多因素需要考虑的技术，因此，目前力觉感测在产在线的运用还没到十分普及的地步。 如何降低门坎，遂成为手臂/力觉方案供货商必须面对的课题。

就如同机器视觉跟机器手臂采用统一平台，可以带来很显著的效益。 力觉跟手臂供货商如果能预先考虑到整合应用的需求，在产品设计时就提出完整的对策，也可帮用户跟系统整合者省下许多麻烦。 前面提到，在手臂本体上预留力觉传感器的连接接口，就是一个很显著的例子。

不过，如果是只提供机器手臂或力觉感测方案的业者，要在产品设计时间就有这么周延的考虑，其实有实务上的困难，而这也是由单一供货商包办整套方案的优势所在。

以爱普生为例，在硬件面，除了手臂上预留连接接口之外，如果能直接在手臂控制器上内建力觉传感器接口，就有机会帮用户省下额外采购力觉感测处理器的成本。 如果是在比较单纯的应用情境，例如一支手臂搭配一颗力觉传感器的状况下，爱普生的手臂控制器（CU Controller）可以透过安装适配卡的方式，直接与力觉传感器建立联机。 但如果应用需要用到多颗力觉传感器，则可以采用额外的一对多处理器，再与手臂控制器连接（图3）。

在软件整合层面，如果手臂跟力觉传感器来自两家不同的供货商，系统整合者（SI）或制造业者内部的自动化工程团队，也很难期望能用同一套开发工具为手臂跟力觉编写控制程序，数据抛转也会是个蛮麻烦的问题。 但如果手臂跟力觉来自同一家供货商，不仅开发工具统一，甚至连程序撰写都会变得相当轻松。

事实上，对爱普生手臂跟力觉的软件整合者而言，手臂跟力觉的整合是非常直觉的。 用户甚至只须在既有的手臂控制程序后面加上一段力觉描述，就能完成软件整合。 用户也可以把力觉感测宣告为某种手臂动作的触发条件，当力觉传感器感应到对应的力量讯号，就能指挥手臂进行对应的动作。

此外，为了简化手臂控制程序的编写，有些机器手臂业者开始推广手动教导式编程的概念，也就是用人手拉着机器手臂，让机器手臂自行纪录其运动轨迹，以取代传统的程序编写。 这种做法在协作型机器手臂上很流行，但工业手臂搭配力觉传感器，其实也可以实现类似的功能。 在手动教导模式下，手臂运动是外力（人手拉动）所造成的，故手臂上只要有力觉传感器，能一五一十地记录下手臂本体所受到的外力大小、方向，也能做到类似的功能。

力觉感测拓展机器手臂应用范畴

对电子产品的组装作业来说，使用整合了高分辨率力觉传感器的机器手臂，最大的优势在于可以执行十分高精密度的插件组装作业。 此外，在高分辨率力觉感测的辅助之下，有些至今仍必须采用人工插件的作业程序，也可以改由机器手臂执行。

在高精度插件应用方面，由于许多电子终端产品都越来越小巧，因此其连接器跟板卡之间的空隙或公差，也跟着缩小到数十微米等级。 在这种情况下，即便用人力来插件，也未必能有很高的作业效率，因为板卡跟连接器之间的缝隙太小了，如果插入的方向稍微有点角度偏差，就会无法插入。

但整合了高精度力觉传感器的机器手臂，在夹持工件插入连接器的过程中，会不断感测到接触面施予工件的反作用力，并藉此不断调整其插入的角度，正确地完成插件作业。 如果在连接器母座上有导角设计，还可以发挥引导手臂寻找孔穴的效果，加快组装作业的速度。 根据爱普生的测试，整合高分辨率力觉传感器的手臂，即便公头跟母座间的公差或缝隙只有1条（10微米），也可以顺利执行插件作业。

另一个插件应用的案例则是传统电容的插件作业。 虽然现在大多数电子产品已经不再采用带有两条插脚的传统电容，改用芯片电容，但由于芯片电容的容值较小，因此某些应用还是得采用传统封装的大型电容。

就产品组装来说，要在电路板上正确插入这种电容，最大的挑战在于电容的接脚既长又软，很容易受力变形、歪曲，因此在组装时，往往还是得用人工插件来安装这类电容。 然而，在高精度力觉感测的辅助下，机器手臂可以先把电容的正极（长脚）插入电路板上的孔穴，然后再用力觉感测帮负极（短脚）寻找到正确的孔穴，完成插件作业。 只要长短脚之间的开岔变形在容许范围内，手臂就能完成自动组装。

软性电路板（FPC）、扁平电缆的组装，目前也大多仍由人工进行，因为软板、扁平电缆的插件作业对力道控制有相当的要求，而且插完后有时还要稍微回拉，以确定连接器跟扁平电缆/软板已牢固接合。 若要用机器手臂执行这种需要精准力道控制的作业，力觉感测技术可说是基本配备。

除了这些精密组装之外，力觉感测还有其他的应用潜力，例如运用在轴承跟转轴的组装，或是工件的抛光处理上。

轴承跟转轴的组装有时需要用恒定的力量持续推动转轴，使其穿过轴承，这时力觉感测就能派上用场。 在抛光作业方面，现在普遍的作法是让手臂夹持着工件，按照固定的路线跟角度，让工件与砂轮机产生接触。 但这种做法无法确定工件跟砂轮机接触的力道，当砂轮随着时间出现磨耗，工件的抛光效果会慢慢变得不如预期。 若是有力觉感测技术辅助，则工件跟砂轮接触的力量便可一直保持在恒定状态。

慢工出细活 手臂动作速度将受限制

对制造业者来说，机器手臂的动作速度越快，则生产线的产能越大，因此制造业者在使用机器手臂时，往往会希望手臂无时无刻保持全速运转状态。 然而，如果要用机器手臂做精密组装，则手臂运作的速度会受到一定限制，因为“慢工出细活”这句话在机器手臂上面也同样适用。

对力觉传感器来说，手臂运动所产生的加速度，其实是一种干扰讯号。 因此，若想用搭载力觉的手臂来做精密组装，手臂的加速度不能超过精密组装所需的力觉分辨率门坎限制。 这也意味着手臂在做精密组装时，动作必然要放慢。 因此，制造业者若有精密组装的需求，在此作业阶段可视产能需求，多设几个平行工作站来避免精密组装成为产线的瓶颈。

另外，将自动化生产纳入考虑的设计观念（Design for Automation， DfA），在未来也会越来越受到重视。 一点小小的设计变更，就能让机器手臂作业变得更顺畅。 DfA是一个跨部门，跨产业的议题，需要各方通力合作，才能找到理想的解决方法。