國科會工程處113年度產學合作計畫優良成果

從人工作業到智慧研磨：自動化技術打造更好的安全帽

安全帽從傳統的手工打磨，到現在由機器人精準加工，其製造方式正經歷一場轉變。這場變革的幕後推手，就是國立成功大學機械系藍兆杰教授所領導的研究團隊。他們成功研發出能「感覺力量」的自動研磨機器人，大幅提高生產效率與品質，也減少工人的勞力負擔與工廠污染。

傳統製造的挑戰：安全帽怎麼磨？

安全帽是工地、工廠與機車騎士必備的防護工具。它的外型簡單，但製作過程卻一點也不馬虎，尤其是表面處理這一關，過去全靠技術工人用砂輪仔細地把合模線(模具壓合後留下的微小接縫)磨平，確保帽體光滑無刮手。然而，這種手工研磨不僅耗時費力，而且品質很難一致。

不同工人的手感與經驗差異，可能導致成品品質參差不齊；長時間的重複動作也容易造成職業傷害；再加上研磨時會產生大量粉塵與噪音，對工廠環境與工人健康都是一大負擔。

這些問題，正是成功大學藍兆杰教授帶領的研究團隊想要解決的。

機器人來幫忙：感覺「力道」的研磨高手

傳統機器手臂雖然可以重複動作，但它們缺乏「觸感」，也就是不知道該用多大的力量去磨安全帽。太用力會磨破表面，太輕又磨不平。這正是藍教授團隊突破的關鍵：開發出能夠精確控制「研磨力」的機器人。

這台機器人核心技術有兩大亮點：

1. 力控電動研磨模組

透過名為「串聯彈性致動器(SEA)」的技術，把一片彈簧結構加入馬達與研磨頭之間，讓研磨頭在施力時會有「微小變形」，而這些變形就能轉換成力量的感知。這等於讓機器人有了「觸感」，能夠即時知道壓得太重還是太輕，並自動調整力量。相較於傳統的氣壓式系統，這個模組體積小、重量輕(僅1.26公斤)，不需氣壓設備，省電省空間；力量控制誤差小於0.1牛頓，極為精準，而且噪音小20分貝以上，讓工廠環境更安靜。

圖一、研磨機器人之人機互動

2. 球面旋轉機構

這個看似拗口的名稱，其實解決了實際的問題：安全帽是圓的，不是平的。傳統機器手臂要貼合這種弧形表面常會卡角或打不到死角。但透過這種球面結構設計，研磨工具就能如同人手一樣靈活轉動，完整覆蓋帽殼表面，讓每個角落都能打磨到位。

圖二、研磨機器人之安全帽研磨示意

效果如何：數據說話

這台研磨機器人實際應用在安全帽製造後，展現了驚人的成果：

• 研磨時間縮短4倍：機器人只需30秒，技工則需120秒。
• 合模線高度由28.69 μm降至9.93 μm：表面處理接近熟練技工等級。
• 能源使用量從3.7kW降至24W：節能99%，非常環保。
• 系統輕巧、易於整合產線：可彈性調整至不同產品線。

這些技術上的成功，也讓企業在節省成本的同時提升產品品質，產生雙贏的局面。

圖三、研磨前後的表面粗糙度比較：使用人工研磨方式處理後的合模線平均高度，與使用機器人研磨方式幾乎相同。相較之下，熟練的工人平均需要120秒才能完全去除合模線，而機器人只需30秒。因此，機器人研磨系統能在遠短於人工的操作時間內，達到與熟練技工相同的帽殼表面品質。

邁向多元產業應用

雖然這項技術最初是為安全帽量身打造，但它的潛力遠不止如此。只要是有圓形或曲面工件需要打磨的產業，都可能受益於這套系統。例如：

• 航空航太：複雜金屬件的精密研磨。
• 汽車零件：如車燈罩或裝飾件。
• 3C產品：手機外殼、筆電機殼的表面處理。

未來，這樣的機器人可能在你購買的每一台手機、每一輛汽車中「留下痕跡」；當然，是更光滑、更高品質的表面。

科技與人才並進：從學校到產業的橋梁

這項研發成果讓台灣製造業向智慧化邁進，也成為培育科技人才的搖籃。

在計畫執行期間，參與的研究生設計模組、組裝機器人、測試與優化參數，培養了解問題、解決問題的能力。研究生薛亦呈與藍翊瑄和計畫主持人藍兆杰教授將研究成果發表至國際會議與期刊，讓世界看見台灣的創新。

圖四、計畫主持人藍兆杰教授參加在日本東京舉行的第16屆IFToMM World Congress (2023/11/5-9)，發表論文「Kinematic Analysis of a New 3T1R Parallel Manipulator」。

這些實戰經驗讓他們畢業後無論進入企業或攻讀博士，都具備領導與研發能力，更加貼近產業需求。

技術落地：產學合作，創新不是夢

研發成功後，這項技術並沒有停留在論文或實驗室中，而是透過與安全帽製造商「隆輝安全帽有限公司」的合作，實際導入產線，提升工廠效率與產品品質。合作過程中，雙方也展開技術轉移與人員訓練，衍生更多新的研究與開發方向。

這帶動更多產學合作的契機，讓學生接觸工業需求，也讓企業獲得創新動能。未來，甚至有機會推動新創公司，專門提供這類研磨自動化解決方案。

安全、環保、高效：製造業新動力

這台力控研磨機器人不只是科技成果，它代表的是朝更安全的工作環境、更環保的生產方式與更高附加價值的轉型契機。

• 對企業：大幅減少人力與能源成本，提升生產自動化與品質穩定性。
• 對工人：減少重複性勞動與職業傷害，改善工作環境。
• 對社會：減少粉塵與噪音污染，有助綠色製造。
• 對國家產業：強化台灣在智慧製造領域的競爭力與國際地位。

這樣的技術，正是台灣從「代工大國」邁向「創新製造」的重要推力。

結語：與機器人協作 邁向智慧製造

科技的價值，從來不是冷冰冰的數據或華麗的裝置，而是在於它如何改變我們的生活，提升工作的尊嚴，進而創造更多的可能性。

這台看似簡單的研磨機器人，背後凝聚的是工程師對「更好製造」的想像與實踐，是學術與產業攜手合作的結晶，也是台灣邁向智慧製造時代的重要一哩路。

當我們戴上安全帽時，也許可以想起，在某個工廠角落，一台智慧機器人正把下一頂帽子磨得光滑閃亮。這，就是科技與生活最美的連結。