東元電機如何快速打造關節模組切入機器人市場？饒達仁：用AI縮短最佳化設計所需時間

不論是人型機器人還是現在很夯的機器狗，驅動機器人肢體靈活運動自如的關鍵元件是關節模組，一臺機器人或機器狗身上往往需要多個關節模組，國內以生產製造馬達起家的東元電機看準市場商機，近幾年積極投入研發機器人關節模組的研發設計，今年8月才剛在自動化展上秀出機器人關節模組，但是其關節模組設計的背後，AI設計軟體提供不小的助力，東元電機技術長饒達仁近期在一場活動中分享研發關節模組的祕辛。

饒達仁今年1月初才加入東元電機，但是他對於機械動力模組的研發並不陌生，在加入東元電機之前，他在工研院擔任機械所所長，曾帶領工研院團隊投入自駕車、無人機，以及後來的機器狗的研發，進入東元電機後擔任技術長，協助東元電機研發國產的旋轉關節模組。

饒達仁相信機器人或是四足機器人未來將成為重要的趨勢，從大部分市場研究報告顯示，至少有1000億美元商機，Nvidia執行長黃仁勳也對外說，無人機、機器人、自駕車相關市場商機應有100兆美元商機，這也是吸引東元電機投入原因。

他加入東元電機後，結合東元的馬達製造，先投入人型機器人的關節模組研發，至於機器狗的關節模組也與工研院合作，未來將和工研院共同展示機器狗。接下來，人類身上6大關節模組研發，並投入量產，目標是讓關節模組的性能可和歐美的技術比美，而模組的價格必需與紅色供應鏈一樣低，才能競爭世界市場。

AI設計軟體助攻

然而傳統的馬達模組和機器人使用的關節模組，在設計上有何不同？機器人關節模組設計上的挑戰有哪些，廠商如何克服？

饒達仁指出，儘管機器人用的關節模組結構大同小異，包括馬達、減速器、高精度感測器等，但是因為關節模組的大小不同，放置的位置不同，其設計上也需要作調整，透過設計軟體，甚至運用到最佳化設計。

他表示，傳統上馬達有兩個重要參數，一個是轉速（RPM），另一個則是力學上的受力（Torque），一般而言，以轉速和受力兩者互斥，轉速愈高、受力愈小，而轉速愈慢、受力愈大；以往機械手臂的需求是快速精準移動位置，因此轉速要快，但受力不需那麼高，因此以往各種馬達設計上，要求快速移動到精確位置的要求。但是機器人或機械狗，當機器人或狗要向上跳起，關節模組需使機械人或狗能夠撐起跳躍，關節模組轉速和受力都需要提升，這是機器人關節模組內的馬達設計特別之處。此外，除了轉速、受力之外，基於機械狗的型體，還需要考慮不同模組的大小和重量，還有價格要有競爭力。

饒達仁進一步說明關節模組研發設計上的複雜性，關節模組除了馬達轉速，力學上的受力，當馬達轉速增加，內部的帶動齒輪機構是否能承受，如果無法承受就可能因此破壞掉，因此需要力學的分析，另一方面當馬達轉速提升後，馬達本身發熱會影響到其性能表現，因此電機、熱學、力學彼此之間是相互聯動的，東元電機透過設計平臺整合這些數據。

「透過設計軟體的協助，以及軟體提供的最佳化設計，為設計端節省許多時間，過去可能要花費2、3個月時間，現在一個關節模組可能只要1、2周就能設計出來，並且是最佳化設計」，饒達仁說。

為了研發關節模組，饒達仁指出，在研發設計端的挑戰是同時需要模擬電機、機械材料特性及性能，運轉時的震動、噪音、散熱的表現，因每個元件之間聯動，計算出的數據需要換到另一個元件聯動以偵錯實作，透過設計軟體的雲端數據平臺，確保數據不會出錯，不同工程師能夠存取數據，同時也強化資安控管，確保研發數據不會外洩。

過去廠商在設計產品時，特別是針對多參數的最佳化設計較棘手，往往需要手動或半自動調整，不斷找出最佳化設計；饒達仁認為，現在透過設計軟體的AI演算法，提供幾個最佳化設計方案的選項，再由設計開發人員決定，節省相當多的時間。在產品開發設計時，目前設計軟體提供的AI工具，從輸入的數據中快速進行分析，為其演算法的優勢，能夠快速提供開發人員最佳化設計，是AI推動產業創新的好處之一。

熟悉各家設計軟體的饒達仁舉例說明AI在產品設計上的優勢，當產品需要輕量化設計，例如重量要從2公斤降到1.8公斤，開發設計人員可以由AI從大量的材料數據中進行分析，提供最佳化設計方案讓設計人員參考，可能從廠商既有的材料數據中，協助設計人員找出最佳化設計，或是提出開發人員意想不到的建議。「現在AI真的比以往強太多，它會提出以往想不到的事情」，饒達仁說。

換言之，運用AI輔助產品開發設計，可能提供設計人員可能沒有想到的設計概念，另外，AI對使用材料的建議，也可能超出廠商原有的材料數據庫，啟發廠商使用創新的材料或工法。

另外，因應ESG的淨零碳排趨勢，材料數據也加入碳費。饒達仁表示，讓開發設計人員除了選擇最佳化設計之外，也能考慮使用哪一種材料，它的碳費成本高低、加工程序，從選擇材料到製造找到最適當的方法。