工业机器人机械结构的组成:关节、手轴、手腕、基底

工业机器人诞生后,随着不同的产业应用,而开发出五种具有不同机械结构特征的类型。 工业机器人诞生在1961年,最早是应用在汽车工业里,而且功用相当单一,只是重复汽车制造环节中的压铸步骤,即将金属压制成特定形状的工序。当时一台工业机器人的成本高达65,000美元,若以每年通膨率 3.7% 来计算的话,大约等于今天的55万美元。 不过随着各产业大幅度应用工业机器人后,不只因为规模经济的关系,使得工业机器人的价格开始下降,而且不同产业的应用场景,也催生出不同型态的工业机器人。 根据国际机器人联盟( IFR )的分类,工业机器人可以依据其机械结构区分成五种型态,在正式介绍之前,我们先来了解一下机械结构是甚么意思。 机械结构包含关节跟手轴,形塑了不同类型工业机器人在外观上的差异。直白地说,所谓的机械结构可以体现在工业机器人的内、外在造型上,而这个造型的差异可以由其拥有的手轴、关节的数量决定。
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图中提到可附加在手腕的是末端效应器一般分成夹爪类和工具类两大种,夹爪用在夹取生产在线的物体,而工具则有多种功能,像是有些是用来上漆,也有些可以用来锁螺丝等,因此在工业机器人手腕装上不同的末端效应器,可赋予它们不同的能力。 工业机器人拥有越多的关节就有越多的自由度,能够更方便地抵达空间中的指定位置,能处理多任务的工业机器人通常有更复杂的结构,像是有较多关节跟手轴的工业机器人,常意味着它能够抵达空间中越多的位置,这就是工业机器人领域谈到的自由度( DoF ),越多关节就越「自由」,也就能应用在更难处理的任务上。 就以人类的手臂当作一个例子,正常的手臂可以碰触到的范围,相比同一支手臂但却少了一个关节的情况,势必是后者来的受局限、不自由。同样要拿桌上的东西,如果无法弯曲或伸长手臂,则要移动整个身体才拿得到,所以这种手臂的自由度就小于正常手臂。另一方面,也由于越多自由度意味着一台工业机器人可以更加任意地移到空间中的不同位置,所以通常也就是售价越高的工业机器人。

五种型态的工业机器人:不同的机械结构界定出各异的型态

直角坐标机器人( Cartesian robot )
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由三个棱柱接点( prismatic joints )构成三个方向上的轴,棱柱接点是关节的一种,每个棱柱接点可在单轴上做线性滑动,因此三个方向上的线性滑动构成的移动范围为一长方体空间。 直角坐标机器人常用在搬运重物上,也可应用在检测、切割、包装等工序中,我们可以在许多产业看到它的身影,如汽车工业、半导体产业,同时也常是最便宜跟较容易打造的工业机器人。 SCARA机器人( SCARA robot )
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SCARA 为 Selective Compliance Articulated Robot Arm 的简称,直译为选择顺应性关节机械手臂,是由一个棱柱接点和两个旋转关节构成。 前面讲过棱柱接点是线性滑动的关节,而旋转关节则是可以360度旋转,构成的移动范围为一扁平的空心半圆柱体,相较于直角坐标机器人。 SCARA机器人的体积较小、可搬运的重量没那么大,但是在空间中移取物品的速度较快,由于结构更为复杂,所以一般在售价上也比直角坐标机器人贵,常用在快速分拣、精密装配等工序上,如晶圆制造业、面板业、终端电子产品组装。 平行机器人( Parallel robot )
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这种工业机器人具有多个机械臂,而在臂上装有棱柱接点或旋转关节,且这些臂是同步运作的,由于高准确度、高搬运速度的特性,平行机器人常用在流水式的生产在线,会出现在汽车零件制造、电子零组件生产等产业中。 圆柱坐标型机器人( Cylindrical robot )
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由两个棱柱接点和一个旋转关节构成,构成的移动范围为一直长的圆柱体,至今已经不太常使用圆柱坐标型机器人,所以可以看到许多统计数字已经不包含此一型的工业机器人。 多关节机器人( Articulated robot )
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这种工业机器人至少由三个旋转关节构成,构成的移动范围为一圆球体,移动的灵敏度相当高,自由度最高。由于应用的领域相当广泛,可以执行组装、搬运、包装、焊接等工序,在售价上则是较其他型态的工业机器人贵,也是目前最常见的工业机器人。
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观察全球最大市场中国的资料,将近 70% 的工业机器人都是属于多关节型态的,足见其在目前的各产业中应用的有多广。

工业机器人产业的上下游:零组件、整机、出货

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认识完五种工业机器人的型态后,接着我们就来一窥一台工业机器人如何从无到有。 上游产业:工业机器人的零组件 工业机器人的上游零组件可以分成:机构模组、感测模组、驱动模组三大类。 首先是机构模组 我们之前介绍过的传动组件就是其中很重要的一种,它扮演的角色是稳定传递动力,使得工业机器人可以实际摆出不同的动作,精确地移动到空间中的指定位置。 接着是感测模组 扮演的角色是让工业机器人可以感应来自外界的刺激,就如同人的眼睛、耳朵,有了相对应感测装置的工业机器人,便可以感知到生产在线的物体在哪、压力跟声音的大小。 常见的感测模组包括:压力侦测器、位置感知装置、影像扫描等。 最后是驱动模组 扮演的角色是提供动力的来源,工业机器人能不能动起来,就是依靠它。 常见的驱动模组有伺服马达、减速器,伺服马达供给机器人需要的动力,而减速器则是构成旋转关节的部分,藉由调整机器内齿轮的转速,将动力分配在不同的轴。

中游产业:将工业机器人给组装出来并装上控制器,将工业机器人组装成形,成为前面我们讲到的五种型态的工业机器人。

在整机领域中,世界上有几家重要的公司:三菱电机( Mitsubishi electric )、奥姆龙( Omron )、发那科( Fanuc )、安川( Yaskawa )、 ABB、库卡( KUKA )等,而台湾新生的则有上银( HIWIN )、台达电、。当中不乏有能力整合上游者,像是上银就可以自制部分的驱动模组跟机构模组。 控制模组,扮演着工业机器人的大脑的角色,可归在中游到下游。 有些整机厂会安装自己的系统,同时有的下游代理商或者工厂,可能会在买入工业机器人后使用自己的系统。这些控制系统的功用在于发号施令,藉由在上面重新编写程序,可以安排工业机器人处理不同的任务,这一块领域的主要厂商有台达电、西门子( Siemens )、松下( Panasonic )、安川( Yaskawa )等。

工业机器人的成本主要由机构、驱动模组、整机构成,从上游到下游实际是哪一个部分最耗费成本的呢?

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一般来说驱动模组是最贵的部分,其中伺服马达占比约20% – 25%,而被称为工业机器人心脏的减速器,则是占比30% – 35%,堪称工业机器人最昂贵的零件。 所以对整机厂商来说,往上游整合的好处便是压低购买驱动模组的成本,尤其是要生产多关节机器人时,所需要的减速器也越多,因此成本更是水涨船高。 接着是机构模组跟整机服务,占去了成本的 25% – 30%。 最后才是控制模组,由于大部份是软件层面的应用,进入门坎相对不高,所以这一块市场有着大量的厂商在竞争,导致了其对整机厂商来说不是太耗费成本的部分。 讲到这里,我们对于工业机器人的五种型态有了基本的认识,像是机械结构特性、目前的市占比率等,也了解一台工业机器人的成本结构、上下游产业链。