東行記:程天縱先生的日本機器人技術與創客空間之旅

程天縱
1979到1997服務於惠普,其中1992到1997擔任中國惠普總裁。1997到2007擔任美國德州儀器亞太區總裁;2007到2012加入富士康擔任集團副總裁,2011年兼任集團子公司香港上市的富智康CEO。 2012年6月決定退休,2013年9月投入中國創客運動,協助指導創客創業。 本文已獲作者親自授權整理刊登。

編按:為了促進「產品 4.0」的發展、並規劃設立以機器人創業的孵化器,作者程天縱先生前往日本尋找機器人關鍵技術和零組件的合作夥伴。作者特別感謝和椿公司董事長張永昌和來嶋顧問在此行之中的安排和陪伴。

本文已獲作者與原整理網站深圳灣授權,並由本站重新編輯製作。

開啓日本行的第一站──Sques 革新技術工場

昨天一早從桃園機場飛大阪、再乘新幹線到京都拜訪第一家公司「Sques 革新技術工場」。

這是一家從事工業及服務機器人技術型的小企業。創辦人清水社長親自接待,介紹了他們的技術、產品和應用實例的影片,最後並拿出了他們的仿生手臂和我握手。

這款有趣的機器手做得維妙維肖,內部用氣動元件、外皮用矽膠,跟它握手感覺很像真的。

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與仿生手臂握手。

我建議清水社長,將這個技術和產品提供給孵化器裡的機器人創客創業團隊,讓更多的創意團隊來開發應用,創造多贏。這一點得到了清水社長的同意和支持,於是第一站順利達陣。

竹節機器人與轉向節

第二天行程是一早去名古屋大學和「產學官金聯合的地區機器人及技能改進項目」的「愛知縣機器人產業群體推進協議會」座談。

愛知縣相當於美國的底特律,是日本的汽車城;本協議會組織有約 300 會員數,會長由愛知縣知事大村秀章擔任。

這裡的核心企業有兩家:第一家是 Maxis-Shinto, Inc.;這家企業最初為生產用於汽車部件(樹脂、橡膠製品)的模具製造商,目前則拓展出技術者派遣、機械設備、以及機器人系統的開發業務,並與名古屋工業大學的梅崎教授合作,共同進行機器視覺及機器人控制技術的研發。

在會議中,他們展示了 Universal Robotics 竹節機器人的操作和應用。

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Universal Robotics 的竹節機器人

第二家是協和工業株式會社,這家企業主要從事汽車轉向節(Joint)的研發、設計、製造和銷售。

此外,在拖拉機和插秧機等農業機械、以及堆高機等產業車輛領域中,該公司也有相當高的市場佔有率,同時也正在構建自主的產品生產工藝及品牌。

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會議結束後,我們特地到協和工業株式會社去參觀。社長鬼頭先生在去年五月得到了日本天皇頒授勳章的殊榮,以表彰他在工業和技術領域的特殊貢獻;我特別拍了他在日本天皇皇居受獎的照片、以及獎狀勳章的照片:

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和椿公司的張永昌董事長告訴我,他在二十四歲創業的時候,第一個到日本拜訪和爭取的代理廠商就是協和工業;因此,他和鬼頭社長已經是三十六年的老朋友了。

當時張董事長先在台灣註冊了和椿公司,然後到日本拜訪協和工業的鬼頭社長,社長則找來了一家叫做「椿本」的日本商社參與商談合作;當三個人互換名片的時候,不禁相視而笑,沒想到「和椿」的第一個日本合作案的公司名字,一家叫做「協和」、一家叫做「椿本」。

這個就是緣分,沒有辦法解釋的巧合。

我也有同樣的感覺:在冥冥中似乎已經注定了有些事情就是會發生。其實命運在每個人的人生重大事情發生之前,都會預先給許多徵兆。如果你仔細去注意,就會發現許許多多的小細節、小徵兆不斷出現,接著就會有人生的重大轉折。

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請各位看看我分享的照片:我認為這些轉向節(Joint)將來可以運用在服務和家庭機器人上面。如果這些轉向節能夠更加微型化,結合我昨天看到的仿生手掌,就充滿了無限的想像力、可以應用在許多「動能結合智能」的場景裡。

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和椿張董事長說,這些轉向節就是「同心不同軸」的技術。過去在汽車上大部分是用鑄鐵,但是最近已經開發出鋁合金材質的版本,讓它更加輕巧,以便於用在服務機器人上。

在結束訪問協和工業株式會社的時候,鬼頭社長特別跟我講,他願意支持未來在服務和家庭機器人領域創業的創客團隊,所以我們肯定還會再相見──再次達陣。

不可辜負的美食與天氣

在跟各位介紹我的第三天行程之前,想先分享一下這次沿途所吃的美食。

這次行程是跟和椿公司的張永昌董事長一起旅行,行程也都是他安排的。張董事長不愧為日本通,我們第一天到京都拜訪完 Sques 以後立刻趕到名古屋,晚上和協和工業董事長鬼頭先生吃晚飯。我們到的這家餐廳,菜單上全部都是雞肉。我在這裡第一次吃了雞肉沙西米,其他每道菜也都非常美味。

第二天中午,還是鬼頭先生請我們吃中飯,特別安排了一家在名古屋非常有名的鰻魚飯餐廳;他們吃鰻魚飯的方法和台灣非常不一樣,可惜這兩餐飯我都沒有拍照,所以沒辦法跟各位分享。

拜訪完協和工業以後,我們搭乘新幹線再轉電車,前往長野的著名溫泉風景區「穗高」。昨天晚上入住由 Harmonic Drive System 公司建議的溫泉旅館「穗高城」。

這裡除了溫泉著名以外,最有名的就是蕎麥麵;一路上可以看到每家溫泉旅館都擺著大大「蕎麥麵」招牌。我們問計程車司機為什麼這裡的蕎麥麵那麼有名,得到的答案是這邊的地下泉水特別甜美,而這是製作蕎麥麵的關鍵。

這裡的大大小小溫泉旅館都提供一樣的套餐;一晚的住宿包含一頓晚餐、以及第二天的早餐。昨天晚上入住以後先去泡了溫泉,然後穿著浴衣就去吃一頓非常豐富的晚餐。這頓晚餐比較特殊的是,包含了馬肉沙西米,還有牛肉、鴨肉、魚肉、羊等等;搭配美食的有啤酒和日本燒酒,大家可以看看我分享的照片:

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晚上睡覺之前,只感覺到溫度比名古屋低了許多;沒想到早上起來的時候,打開窗戶看到窗戶外面白茫茫的一片雪景,真讓人興奮,連忙跑到外頭去照了幾張自拍。回到旅館裡看到豐盛的早餐,又有讓我大開眼界的感覺。

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早餐後去拜訪了在機器人產業中赫赫有名的 Harmonic Drive System 公司,我會另外再找機會跟各位分享這家公司的產品和技術。結束訪問之後,立刻轉了三趟車到達東京,下午拜訪了另外一家以 Motion Control 軟體和演算法知名的新創公司 Mujin(無人或無限的意思),晚上和他們在上野用餐。

秋葉原 DMM.make AKIBA 創客空間

這一天是在日本的第四天,一早去 Nabtesco 公司拜訪。結束後再到秋葉原參觀訪問「DMM.make AKIBA 創客空間」。這個空間在秋葉原地點站旁邊的一棟大樓佔了三層樓面:10 樓是工作間、11 樓是 3D 工作工場、12 樓是交流空間及辦公室。

有專人帶領我們參觀,但只看了 10 樓和12 樓;11 樓由於有會員的創業產品正在製造之中,所以為了保密不提供參觀。下圖中是開放的工場,有各種設備及工具;接著是 10 樓開放工作工場,旁邊有配套的 PC 工作桌,供會員進行 CNC 程式設計、3D 列印、3D 掃描,還有 3D 列印使用的線材和耗材,以及預約使用設備的櫃台。

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這個地方將創客空間、製造空間、孵化器整合為一體,並以會員制提供使用;如果只用 12 樓的公共創客空間,月會費是日幣 1.8 萬。如果再加用 10 樓製造空間,月會費則為日幣 3 萬;如果再加用 12 樓的專用小辦公室,中間的房間每月日幣 15 萬、邊間則為 18 萬。

這個空間現有會員約 350 人,空間 24 小時開放會員使用;以下是 10 樓的製程及設備工作間,每個工作間有編號。然後是 12 樓公共交流空間及會員租用的專屬辦公室,圖中的摩托車是會員自己製造的:

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10 樓的製程及設備工作間之一。

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12 樓的公共交流空間。

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出租給會員的專用辦公室。

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會員製造的摩托車(是不是很拉風?)。

日本三家工業機器人公司的拜訪總結報告

接下來,就讓我將這次日本之行拜訪的最重要的三家公司做個報告。

這三家公司分別是:

  1. Harmonic Drive
  2. Nabtesco
  3. Mujin

前兩家公司加起來,在工業機器人減速機的全球市場佔有率已經高達 75%;而 Mujin 則是新近崛起的創新公司,在工業機器人 Motion Control 的軟體和演算法方面已經全球知名。

在產品 4.0 時代,是動能整合智能來產生新功能。智能技術的演進非常快速,但是學習和超越也相對比較容易,但動能技術的學習就沒有那麼容易了。

動能技術的關鍵,在於許多機械結構的連接、以及傳動與驅動;傳動就好像人的骨骼,而驅動就好像人的肌肉,至於 Motion Control 就好像人的神經。

以機器人的關節做例子:每個關節都由馬達和減速機兩個部分構成;馬達就是動力源,可以採用步進馬達或無刷電機,也可以不用馬達,而改用油壓或氣動方式作為動力來源。

減速機的工作原理,就是將速度轉化為動力,透過降低來自動力源電動機的轉速,從而得到旋轉力(扭矩),也就是承擔著「將小動力變為大扭矩」的放大作用;同時,精密減速機也是精準定位控制中不可或缺的關鍵零組件。

Harmonic Drive System

日本之行的第三天,於 3 月 24 日早上到達長野縣的溫泉度假勝地穗高拜訪 HD(Harmonic Drive)公司,由山崎副社長、古本部長、以及負責台灣業務的會田先生,來負責接待我們這次的訪問。

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HD 的這座工廠位於著名的溫泉風景區穗高,四周的風景非常漂亮。接待大廳佈置得非常的典雅、並陳設設兩部舊機器作為紀念;牆上的書法也令人產生了敬畏之心:

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Harmonic Drive 是 1950 年代中期隨著太空科學的發展,在薄殻彈性變形的理論基礎上建立起來的一種新型傳動技術。該傳動的基本原理,是由美國學者 C.W. Missed 於 1955 年提出,並於 1959 年獲得專利、1960 年在紐約展出實物,成功用於火箭、衛星等多種傳動系統之中。

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HD 由三個部分構成:

  • 波發生器(Wave Generator)
  • 柔輪(Flex Spline)
  • 鋼輪(Circular Spline)

這項技術在美國被許許多大公司,研究中心、學校等採用,其中以 USM 的生產規模最大;日本長谷川齒輪株式會社自 1970 年起從美國引進 USM 的全套技術,後來甚至合併了 USM,在 1970 年成立了 Harmonic Drive System Inc. 公司。

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目前該公司有員工 490 人,光是在穗高工場就有 300 人;去年營業額達到 260 億日圓,在工業機器人領域減速機的市場佔有率約達 15%。

雖然這個技術發明已經超過 60 年,專利也早就過期,而且業界有許多公司仿製 HD 的產品,但始終很難取代 HD 。主要的原因,就是動能技術從材料開始,包括製程、設計、測試,都是多年技術累積的成果,是很難在短期間內被新進公司學習、山寨、或者超越的。

HD 是一個非常重視技術的公司,能夠安排參觀非常不容易,而且工場參觀時全程禁止錄影或攝影。

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Mujin

Mujin 在 2011 年由兩位聯合創始人:執行長滝野一征、以及擔任技術長的 Dr. Rosen Diankov 成立於東京大學,最近還獲得了來自日本風投公司 Jafco 和 UTEC 的 600 萬美元融資。

根據 CEO 滝野一征的說法,Mujin 就是中文所說的「無人」、在日文中也有「無限」的意思,而這也是 Mujin 的目標與願景。

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目前機器人的硬體已經發展到了一定的成熟度,但是沒有一個跨平台的程式語言,能夠讓開發者方便地為機器人設計程式。每家機器人公司都開發了自己獨特的控制器和程式語言,這讓機器人的使用者(尤其是使用多種機器人的公司)非常不方便。

因此,Mujin 利用自己開發的機器人控制器,結合 CTO Rosen Diankov 的博士導師 James Kuffner 所發明的 RRT(Rapidly exploring Random Tree)演算法,讓軟體工程師將裝配車間的三維模型導入 Mujin 平台,再輸入關於機械臂的運動指令,Mujin 就會直接計算出較為理想的運動軌跡,再告訴機器人如何動作。

雖然有自己獨特的程式技術,但是要讓它變成一個跨平台的通用工具,是一個極大的挑戰;因為每一家機器人公司都不願意開放自己的原始碼給 Mujin。

於是滝野一征決定將資源集中,開發一個叫做「Bin Picking」的殺手級應用;在任何企業的出貨包裝線上,都需要用許多作業員來挑選不同的產品組合、然後加以包裝,這在物流中心的使用尤其廣泛。

然而,要將各種不同的產品和標配零組件隨機撿起來、放進盒子裡、然後包裝起來,並不是現在的工業機器人可以勝任的;因為機器人即時辨識、撿起、放下的動作,都需要很複雜的程式控制,而 Mujin 的技術就可以解決這個複雜的問題、為企業節省大量的人力,因此引起了眾多企業的興趣。

這個殺手級應用,果然讓眾多機器人公司產生了極大的興趣、而且願意把自己的控制及運動軌跡原始碼交給了 Mujin。目前已經有五家世界著名的機器人公司,願意將軟體原始碼開放給 Mujin,以便提供這個殺手級應用給他們的客戶。

這個策略使得 Mujin 的控制器和算法真正成為一個多種機器人的通用平台;目前 Mujin 平台已經被部署在包括佳能、本田、以及日產等日本企業的一部分生產線之中。

3 月 24 日,在 Nabtesco 大浦篤志先生的陪同下,我們拜訪了 Mujin 公司,由 CEO 滝野一征親自接待。滝野生於 1984 年,創業之前在以色列公司 Incar 工作過六年;雖然出色的表現讓他被提拔為銷售總監,並且享有優厚的待遇,但是他還是決定自己創業,為了就是改變目前工業機器人產業的現況。

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據滝野的說法,目前工業機器人的應用只能滿足製造業需求的 5% ;但用了 Mujin 的技術和算法之後,可以輕易的增加到 45%,也就是讓工業機器人的市場大餅成長幾乎 9 倍。

目前 Mujin 團隊有 22 人,分別是來自中國、日本、美國、以色列、烏克蘭、印度等多個國家的程式設計菁英,其中包括 ACM 歐洲區的銀牌得主、中國的國家級奧林匹亞數學金牌得主等等。

當天晚上和 Mujin 執行長滝野、以及 Nabtesco 的大浦先生共進晚餐;酒酣耳熱之際,滝野邀請我擔任他的個人導師,為 Mujin 的策略和管理給予指導。我當然欣然答應了。

Nabtesco

日本人說跪,全球機器人沒幾個能站著;這可不是危言聳聽,主要的原因就是 Nabtesco 的精密減速機。

目前全球能夠以較大規模生產減速器、而且產品性能可靠的企業不多,絕大多數市場都被日本企業佔據;例如 Harmonic Drive 的諧波減速機佔了全球市場的 15%,而 Nabtesco 的 RV 減速機更佔有可怕的約 60% 比例。

Nabtesco 成立於 2003 年 9 月,可是在未合併之前,它的兩家母公司可是老牌企業:帝人製機株式會社(Teijin Seiki)成立於 1944 年、納博克株式會社(Nabco)則成立於 1925 年。這兩家企業都是運動控制系統和零組件的生產商,各自在專業領域掌握了高階核心技術,控制了很高比例的市場。

在機器人關節減速機方面,HD 有著體積小、重量輕、高精度等優點,但是 Nabtesco 的 RV 減速機則有剛性強、抗衝擊性強、輸出扭矩大、以及高精密度定位等的特色。

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Nabtesco 為了提高耐衝擊性,減速機內部齒輪採用的「雙弧外擺線齒輪」。這種齒輪與普通的「漸開線齒輪」相比,同時嵌合的齒數多、因此耐衝擊性高;同時也透過將雙弧外擺線齒輪的齒隙減小到極限,因而提高了加工精度,並且可以實現焊接機器人等運用所要求的抗衝擊強度。

例如臂長約 3 公尺的工業機器人,手臂前端的動作誤差竟然可以控制在 0.1 公釐以內。

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以 6 軸的工業機器人為例,1 到 3 軸大部分都必須採用 Nabtesco 的減速機,而 4 到 6 軸則大多採用 HD 的減速機。

Nabtesco(納博特斯克株式會社)成立於 2003 年 9 月,有精密機械、運輸機械、產業機械、航空液壓機械四大事業部門;2015 年由於會計年度調整,三個季度的營業收入高達 2196 億日圓,員工約 5800 人。

Nabtesco 的企業使命是「以動靜互換技術為社會貢獻」,而這個「動靜互換」也就是我在產品 4.0 概念裡面所提到的動能技術之一。

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RV 減速機隸屬於精密機械事業部門,這個部門的三個季度營業額大約是 515 億日圓,其中有 80% 營收來自減速機。

3 月 25 日早上 ,和椿張董事長和來嶋顧問陪著我拜訪了 Nabtesco,由精密機械事業部的波部敦營業部長和大浦篤志營業部擔當負責接待我們。

和椿公司成立於 1980 年,主要聚焦在自動化產線和工業機器人領域的關鍵零組件代理,也自主研發特殊應用的客製化自動生產設備;在中國大陸有 100 人的工程支援團隊,提供產品的安裝、測試、維護和培訓,在崑山也有自己的生產工廠。

因此,和椿成為全球唯一同時代理 Nabtesco 和 Harmonic Drive 兩家互相競爭減速機大廠的公司,也才能夠安排陪同我拜訪這兩家在工業機器人減速機市場擁有壟斷地位的企業。特別感謝!


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