前言
在工業自動化領域，力覺感知（Force Sensing） 是實現精密組裝與安全防護的關鍵技術。傳統方案需要在機器手臂上外掛昂貴的六軸力覺感測器（Force/Torque Sensor），成本高達數十萬元，且需要額外的校正與維護。
本文介紹我們自主開發的 KUKA 機器手臂力覺感知技術，不需外掛 sensor，僅透過手臂自身的關節扭力感測，配合自行撰寫的 KRL 程式擴充，即可實現力道檢測、防撞保護與異常處理功能。
技術突破
不外掛 Sensor 的力覺感知
KUKA 機器手臂的每個關節都配備有扭力感測器（Torque Sensor），用於監控馬達電流與關節負載。透過分析這些扭力數據，可以判斷手臂在運動過程中是否遇到異常阻力。
核心技術：
- ✅ 零硬體成本：利用 KUKA 自身的關節扭力感測
- ✅ 高可靠性：無外掛元件，不易損壞
- ✅ 易於整合：純軟體實作，不影響機械結構
- ✅ 彈性應用：可依不同場景調整靈敏度
關鍵優勢：
- 費用不到 Force Sensor 價格的一半
- 當日安裝、設定、測試，當日即可投產
- Sensing Update Rate < 20ms
- XYZABC 軸向力覺感知
與傳統方案比較
| 項目 | 外掛六軸力覺感測器 | KUKA 扭力感測方案 |
|---|---|---|
| 硬體成本 | NT$ 300,000 - 800,000 | NT$ 0（軟體開發） |
| 安裝時間 | 需拆裝手臂，2-4 小時 | 當日安裝、設定、測試 |
| 維護成本 | 感測器易損壞，維修費高 | 無額外維護 |
| 投產速度 | 需校正與調試 | 當日即可投產 |
| 系統複雜度 | 需額外控制器與訊號線 | 純軟體實作 |
應用案例
這項技術已成功應用於 4 個專案，涵蓋插件組裝、深度感測、堆疊作業、防撞保護等場景：
1. 記憶卡插件力道感測（2017）
應用： 2017 自動化展，記憶卡插件反向錯放偵測 技術： 插入阻力異常偵測，即時停止並分揀 NG 件 機器手臂： KUKA KR6 R900
| 詳細介紹 | 論壇專案 |
2. PCB 來料深度感測（2020）
應用： PCB 板材深度判定與精確吸取 技術： 接觸力偵測（±6N），自動適應料盤深度變化 機器手臂： KUKA KR 3 R540
| 詳細介紹 | 論壇專案 |
3. Tray 盤取放堆疊（2020）
應用： 來料深度感測 + 堆疊高度判斷 技術： 雙向深度感測，取代視覺系統 機器手臂： KUKA KR 6 R700
| 詳細介紹 | 論壇專案 |
4. 散亂螺絲整列防撞保護（2020）
應用： 2020 高雄自動化展，夾取異常不停機 技術： 力覺防撞保護 + WiseTechVision 視覺整合 機器手臂： KUKA KR6 R900-2
| 詳細介紹 | 論壇專案 |
應用場景總覽
| 應用類型 | 偵測目標 | 力道特性 | 典型應用 | 參考文章 |
|---|---|---|---|---|
| 插件組裝 | 插入阻力異常 | 中力道（10-20N） | 記憶卡、CPU、連接器 | 連結 |
| 深度感測 | 接觸力（表面偵測） | 低力道（3-6N） | PCB、板材、料盤 | 連結 |
| 堆疊作業 | 雙向深度感測 | 低力道（5-9N） | Tray盤、料盤管理 | 連結 |
| 防撞保護 | 碰撞偵測 | 中力道（12-15N） | 夾取、移動、定位 | 連結 |
延伸應用
力覺感知技術可應用於多種工業場景：
1. 精密組裝
- 電子元件插件（CPU、記憶卡、連接器）
- 機械零件壓入（軸承、油封、插銷）
- 卡扣組裝（塑膠件、外殼）
2. 防撞保護
- 夾取散亂工件（防止夾爪撞擊）
- 狹小空間作業（防止手臂碰撞）
- 人機協作（安全防護）
3. 深度感測
- 板材取放（PCB、玻璃、金屬板）
- 料盤深度檢測
- 堆疊高度偵測
4. 品質檢測
- 插入力道檢測（判定組裝品質）
- 異常件篩選（尺寸過大/過小）
- 組裝完整性驗證（插到底判定）
系統效益
成本優勢
| 項目 | 外掛力覺感測器 | KUKA 扭力感測 | 節省 |
|---|---|---|---|
| 硬體成本 | NT$ 300,000 - 800,000 | NT$ 0 | 100% |
| 安裝費用 | NT$ 20,000 - 50,000 | NT$ 0 | 100% |
| 年維護費 | NT$ 30,000 - 80,000 | NT$ 0 | 100% |
實際效益
4 個專案驗證成果：
- ✅ 記憶卡插件：反向錯放偵測 100%，防止元件損壞
- ✅ PCB 深度感測：精度 ±0.5mm，無損壞 PCB
- ✅ Tray 盤堆疊：無需視覺系統，節省成本 50%+
- ✅ 螺絲整列：異常不停機，產線穩定率 95%+
技術資源
力覺感知系列文章
- 力覺感知技術總覽（本文）- 核心技術與應用總覽
- 記憶卡插件力道感測 - 2017 自動化展
- PCB 來料深度感測 - PCB 板材吸取
- Tray 盤取放堆疊 - 料盤堆疊應用
- 散亂螺絲整列 - 力覺 + 視覺整合
論壇專案連結
技術支援
結語
KUKA 機器手臂力覺感知技術展示了透過軟體創新突破硬體限制的技術價值。
核心價值
- 低成本方案
- 不外掛昂貴的六軸力覺感測器
- 節省 30-80 萬硬體成本
- 無額外維護費用
- 軟體技術突破
- 自主開發 KRL 力覺感知函式庫
- 提供簡易 API，易於整合
- 可快速複製至其他專案
- 實用性驗證
- 4 個專案實戰驗證
- 涵蓋插件、深度感測、堆疊、防撞等場景
- 多個展覽與產線應用
- 彈性應用
- 適用於精密組裝、防撞保護、品質檢測
- 可依不同應用調整靈敏度與閾值
- 純軟體實作，無硬體限制
技術突破
這項技術的關鍵在於充分利用 KUKA 機器手臂的既有功能，透過軟體演算法實現原本需要昂貴硬體才能達成的功能。這種「軟體補償硬體」的思維，在工業自動化領域具有重要的實踐價值。
專案資訊
- 技術開發：Yaze Lin
- 系統整合：卓智機器人 Wise Tech Robot
- 專案數量：4 個應用案例
- 專案年份：2017 - 2020 年