【工業機器人】工業機器人之五大機械結構及關鍵零元件分析

根據國際機器人聯合會（International Federation of Robotics；簡稱IFR）定義，機器人分為工業機器人（Industrial Robots）及服務型機器人（Service Robots）。其中，目前工業機器人又佔全球機器人80％的市佔率，遠高於服務型機器人。

若以機械結構來看，工業機器人可區分為單軸機器人、座標機器人、水平多關節機器人（SCARA）、垂直多關節機器人以及並聯式機器人（DELTA）等，以下依序就這五種型別來說明。

ㄧ、工業機器人之五大機械結構

1. 單軸機器人

單軸機器人一般分為兩種傳動方式，一為滾珠螺桿傳動，二為同步齒形帶（簡稱：同步帶）傳動，兩種皆是以直線導軌做為導向，並配合伺服電機或步進電機，來實現不同應用領域的定位、移載、搬運等等。透過不同的組合樣式，還可以實現兩軸、三軸、龍門式的組合。

單軸機器人的應用領域涵蓋半導體、家電、醫療、汽車、包裝、點膠機、焊接、切割、檢測等自動化應用領域，而臺灣的上銀科技在單軸機器人的市場名列全球前三。

2. 直角座標機器人

直角座標機器人是基於X、Y、Z直角座標，在各座標的長度範圍內進行工作或運動，適用於搬運、取放等作業，可應用的領域包括射出成型機取出用手臂、移動並定位、堆迭、鎖螺絲、切割、裝夾、壓入、插取、裝配、自動藥房等。

臺灣機器人相關業者數量約有80家，現有40家以上的業者可從事座標機器人相關裝置的設計開發，所使用的關鍵零元件國產化程度較高。在射出成型機取出用機械手臂中，天行自動化（Alfa）與臺灣精銳（Apex）為該領域之領先業者，並在中國大陸具有一定的市場佔有率。

3. 水平多關節（SCARA）機器人

水平多關節機器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm；縮寫SCARA ），是一種圓柱座標型的特殊型別工業機器人。一般有4個自由度，包含沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉。

SCARA機器人的特點是負載小、速度快，因此其主要應用在快速分揀、精密裝配等3C行業或是食品行業等領域。例如IC產業的晶圓、皮膚搬運、電路板運送、電子元件的插入組裝都可以看到SCARA機器人的蹤跡。國外廠商包含EPSON、IAI、DENSO等日廠。國內廠商則有臺達電、東佑達、上銀。

4. 垂直多關節機器人

垂直多關節機器人，有相當高的自由度，適用於任何軌跡或角度的工作。其具有三維運動的特性，可做到高階非線性運動，是目前最廣泛應用的自動化機械裝置，常用於汽車製造商、汽車零元件與電子相關產業。

上銀科技、和樁科技、鴻海集團均在國際機器人展覽中推出自有品牌之六軸多關節機器人，然而關鍵零元件諧波減速機（Harmonic Drive）仍需外國進口，所以在價格上較不具競爭力。

5. 並聯式（DELTA）機器人

並聯式機器人亦稱為DELTA機器人，透過上平臺之三組動力結構帶動主動臂與被動臂至末端平臺進行位移，並可在末端搭載第四軸或是自上平臺連結第四軸作為旋轉軸。

由於其構造簡單，在移動上能達到最短路程，機構也容易小型化，可達到高速高精度的控制，因此主要應用於高速取放、篩選作業，主要應用於食品業、電子檢料、製藥、包裝等用途。一般情況下，一個並聯機器人可以替代4-6個人工，幫助使用者有效提高生產效率，降低生產成本。

二、工業機器人之三大零元件

瞭解完工業機器人的五種機械結構後，接下來我們來談談工業機器人剩下的三大關鍵零元件：減速機、伺服馬達、控制器。這些零元件約佔機器人整機成本的60-70％，是邁入工業機器人產業相當重要的門檻。

以全球四大工業機器人大廠（瑞士ABB、日本發那科FANUC、德國庫卡KUKA、日本安川YASKAWA）來看，控制器是唯一皆自行製造的關鍵零元件，伺服馬達及減速器則部分外購，以下將依序就這三項零元件來說明：

1.  減速器

減速器是連線動力源與執行機構之間的傳動機構，能將馬達的轉速降低，並讓轉矩提升。其將電動機、內燃機等高速運轉的動力，透過輸入軸上的小齒輪齧合後，再輸出至軸上的大齒輪以達到減速的目的，並藉此傳遞更大的力矩。

減速器特別講究高可靠度、高精度、高剛性，是個重資產、高投入、慢回報的產業。從全球工業機器人大廠來看，多未自行研發減速器，而是主要仰賴日本納博特斯克（Nabtesco）及哈默納科（Harmonic Drive）等兩大巨頭，光這兩大廠就佔了減速器70％以上的市場份額。

依據IFR估計，2019工業機器人銷量將達41.4萬臺，若以一臺多關節工業機器人需要4-6個減速器來看，市場將有兩百多萬組減速器的需求，可見其成長速度會比工業機器人來得快。

2. 伺服馬達

伺服馬達是工業機器人的動力系統，一般安裝於機器人的「關節」處，是機器人運動的心臟，通常又可細分為兩個部分，一為馬達本體，二為運動控制系統。

主流供應商包括日本松下、摩川、安川、三菱、三洋、富士以及歐美廠商如德國倫茨（Lenze）、博世力士樂（Bosch Rexroth）。目前光是日系品牌即佔全球機器人市場40％市佔率。在臺灣，伺服馬達品牌如東元、臺達電亦有不錯表現。

3. 控制器

控制器為機器人之「大腦」，包含硬體及軟體兩部分。硬體是工業控制板卡，軟體則是控制演演算法。一般較成熟的機器人廠商多半自行開發控制器，以保證品質的穩定性及產品的維修體系，因此也是各機器人製造商的核心技術所在。

除了全球四大機器人大廠自行研發控制器外，EPSON、DENSO、TOSHIBA亦深耕控制器領域，生產自有品牌的機器人。而在臺灣，諸如工研院、研華寶元、新漢等廠商，近幾年在全球控制器市場也有不錯的成績。

工業機器人全知道！

e-works 

本文導覽

©文丨 e-works原創專題

機器人越來越智慧化，並在製造企業中擔負起越來越重要的角色。

近年來德國率先提出"工業4.0"概念，美國推行"先進製造夥伴關係"計劃，日本實施"智慧製造系統"，而中國也提出了"中國製造2025規劃"，這些都指向同一個目標，那就是希望通過先進的IT與自動化技術來促進製造業的革新，以實現"智慧化"，提升效率，降低成本。

而要實現這個目標工業機器人是不可或缺的一環。

1

工業機器人的發展背景

從1920年，"Robot"這個詞被捷克劇作家創造出來，到現在機器人已經發展了近百年，從最初的單純用於搬運的工業機器人，到第二代具有視覺感測器以及資訊處理技術的工業機器人，再到目前正在研究的"智慧機器人"，工業機器人的發展及應用日新月異。

▲工業機器人發展史，點選放大看

2

工業機器人的應用場景

在短短50多年的時間中，機器人技術得到了迅速的發展，在眾多製造業領域中，工業機器人應用最廣泛的領域是汽車及汽車零部件製造業，並且正在不斷地向其他領域擴充，如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與傢俱製造業等領域中。

在工業生產中，焊接機器人、磨拋加工機器人、焊接機器人、鐳射加工機器人、噴塗機器人、搬運機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量採用。

1

磨拋加工機器人

磨拋加工機器人主要應用於航空、航海、核電葉片磨拋，採用機器人持砂帶在葉片表面磨拋，採用柔性接觸、視覺定位的方式減小磨拋缺陷。

與人工磨拋相比，具有加工時間短，型面精度高，表面粗糙度小，加工一致性好的特點。能適應大負載，惡劣的工作環境。精度要求高。

2

焊接機器人

弧焊機器人主要應用於各類汽車零部件的焊接生產，主要有熔化極焊接作業和非熔化極焊接作業兩種型別。

在該領域，國際大型工業機器人生產企業主要以向成套裝備供應商提供單元產品為主。應用特點：要求快速平穩移動，定位精度要求較高。

3

鐳射加工機器人

鐳射加工機器人是將機器人技術應用於鐳射加工中，通過高精度工業機器人實現更加柔性的鐳射加工作業。

通過對加工工件的自動檢測，產生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD資料直接加工。可用於工件的鐳射表面處理、打孔、焊接和模具修復等。精度要求較高。

4

真空機器人

真空機器人是一種在真空環境下工作的機器人，主要應用於半導體工業中，實現晶圓在真空腔室內的傳輸。

真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，其成為制約了半導體裝備整機的研發進度和整機產品競爭力的關鍵部件。精度要求較高。

5

噴塗機器人

噴漆機器人一般採用液壓驅動，具有動作速度快、防爆效能好等特點，可通過手把手示教或點位示數來實現示教。

噴漆機器人廣泛用於汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產部門。噴塗機器人所處工作環境惡劣，其精度要求較低。

6

搬運機器人

搬運機器人由計算機控制，具有移動、自動導航、多感測器控制、網路互動等功能，它可廣泛應用於各行業的柔性搬運、傳輸等功能，也用於自動化立體倉庫、柔性加工系統、柔性裝配系統；

同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。其負載大，無嚴格精度要求。

3

工業機器人分類

工業機器人按不同的方法可分下述型別：具體看下圖！

▲可點選圖片放大看

4

工業機器人效能評判指標

表示機器人特性的基本引數和效能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態特性等。

▲工業機器人效能評判指標

1

工作空間（Work space）

工作空間是指機器人臂杆的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。

2

運動自由度

運動自由度是指機器人操作機在空間運動所需的變數數，用以表示機器人動作靈活程度的引數，一般是以沿軸線移動和繞軸線轉動的獨立運動的數目來表示。

自由物體在空間自六個自由度（三個轉動自由度和三個移動自由度）。工業機器人往往是個開式連桿系，每個關節運動副只有一個自由度，因此通常機器人的自由度數目就等於其關節數。機器人的自由度數目越多，功能就越強。

3

有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。

機器人在不同位姿時，允許的最大可搬運質量是不同的，因此機器人的額定可搬運質量是指其臂杆在工作空間中任意位姿時腕關節端部都能搬運的最大質量。

4

動精度(Accuracy)

機器人機械系統的精度主要涉及位姿精度、重複位姿精度、軌跡精度、重複軌跡精度等。

位姿精度是指指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時的實到位姿中心之間的偏差。重複位姿精度是指對同指令位姿從同一方向重複響應n次後實到位姿的不一致程度。

軌跡精度是指機器人機械介面從同一方向n次跟隨指令軌跡的接近程度。軌跡重複精度是指對一給定軌跡在同方向跟隨n次後實到軌跡之間的不一致程度。

5

運動特性（Sped）

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。在機器人說明書中，通常提供了主要運動自由度的最大穩定速度，但在實際應用中單純考慮最大穩定速度是不夠的，還應注意其最大允許加速度。

6

動態特性

動態特性結構動態引數主要包括質量、慣性矩、剛度、阻尼係數、固有頻率和振動模態。

5

工業機器人全方位解讀

1

我國的工業機器人現狀

工業機器人之所以能在中國市場異軍突起：

• 首先是因為在成本上，機器人通常僅為人工成本的四分之一；

• 其次，機器人在質量、效率、管理等方面還能帶來很多新的附加值。

所以，在機器人技術快速提升、價格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的綜合作用下，中國的工業機器人產業正處於一個井噴時代。

2

工業機器人的關鍵技術

工業機器人由3大部分6個子系統組成。3大部分是機械部分、感測部分和控制部分。6個子系統可分為機械結構系統、驅動系統、感知系統、機器人-環境互動系統、人機互系統和控制系統。

機器人關鍵基礎部件主要分成以下三部分：高精度減速機，高效能交直流伺服電機和驅動器，高效能控制器等。機器人效能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態特性等。

3

工業機器人面臨的技術挑戰

雖然機器人技術在近幾年取得了非常大的進步，但我們要清醒地看到中國工業機器人產業發展面臨的巨大挑戰。

▲工業機器人裝置

由於關鍵零部件受國外技術壟斷，國產機器人並不具備顯著成本優勢。同時，大量機器人的生產廠商存在低端鎖定的風險。另外，機器人研發、製造與應用之間缺乏有效銜接。

6

工業機器人國內外知名廠商

工業機器人技術水平日趨成熟，已經成為一種標準裝置而得到工業界廣泛應用，從而也形成了一批較有影響力的、著名的工業機器人公司。其主要分為日系和歐美系，日系中主要有FANUC、安川、松下、不二越、川崎、愛普生等公司；

歐美系中主要有德國的KUKA、瑞典的ABB、瑞士的史陶比爾、義大利的COMAU公司。在國內，工業機器人產業剛剛起步，但增長的勢頭非常強勁，如新鬆、安徽埃夫特。

1

庫卡（KUKA）

德國庫卡成立於1898年，是世界幾家頂級為自動化生產行業提供柔性，生產系統、機器人、夾具、模具及備件的供應商之一。

1996年，庫卡焊接裝置和機器人有限公司分成兩個在市場上獨立運作的公司，即庫卡機器人有限公司及庫卡焊接裝置有限公司。

2

ABB機器人

1988年創立於歐洲的ABB公司於1994年進入中國，1995年成立ABB中國有限公司。

2005年起，ABB機器人的生產、研發、工程中心都開始轉移到中國，可見國際機器人巨頭對中國市場的重視。目前，中國已經成為ABB全球第一大市場。

3

發那科

FANUC（發那科）成立於1956年，是日本一家專門研究數控系統的公司，是世界上最大的專業數控系統生產廠家。

1974年，FANUC首臺機器人問世；2008年，FANUC機器人裝機量突破20萬臺，居世界首位；2011年，FANUC全球機器人已超25萬臺，市場份額穩居第一。

4

安川

安川電機（中國）有限公司是有近100年曆史的日本安川電機株式會社全額投資的外商獨資企業，於1999年4月在上海註冊成立。

隨著業務範圍和企業規模的不斷擴大，公司除上海總部外還在廣州、北京、成都等地開設了分公司，並在中國各地區設立了代理店和經銷商。

5

松下

唐山松下產業機器有限公司是一家中日合資企業，年產值10億元，專注於中國焊接市場，為中國使用者提供高效能的電焊機、機器人和鐳射焊接系統。

唐山松下的機器人焊接電源融合式控制器，體現了全數字焊接電源在機器人弧焊技術領域的先進技術水平，得到了國內廣大使用者認可。

6

那智不二越（NACHI）

那智不二越公司是1928年在日本成立的，自創立開始一直致力於發展機械技術，以及機械製造事業。

總工廠位於日本富山，北美、南美、歐洲及亞洲也設有生產基地，並在世界範圍內設立了常駐代表機構和銷售網點。

7

川崎（Kawasaki）

川崎機器人（天津）有限公司是由川崎重工業株式會社100%投資，並於2006年8月正式在中國天津經濟技術開發區註冊成立。

主要負責川崎重工生產的工業機器人在中國境內的銷售、售後服務（機器人的保養、維護、維修等）、技術支援等相關工作。

8

史陶比爾（Stäubli）

史陶比爾公司於1892年建立在瑞士蘇黎世湖畔的Horgen市

製造生產精密機械電子產品：紡織機械、工業接頭和工業機器人，公司員工人數達4000多人，年營業額超過十億瑞士法郎。

9

新鬆（SIASUN）

新鬆機器人成立於2000年，其機器人產品線涵蓋工業機器人、潔淨（真空）機器人、移動機器人、特種機器人及智慧服務機器人五大系列。

公司以近150億的市值成為瀋陽最大的企業，是國際上機器人產品線最全廠商之一，也是國內機器人產業的領導企業。

10

柯馬機器人

柯馬（COMAU）是一家隸屬於菲亞特集團的全球化企業，成立於1976年，總部位於義大利都靈。

柯馬業務範圍主要包括：車身焊裝，動力總成，工程設計，機器人和維修服務。柯馬在全球17個國家擁有分公司29個，員工總數達11,000多人。

以上簡單介紹了10種主要的工業機器人廠商，還有更多各位可以自己到網上查資料！

本文系“產業智慧官”（公眾號ID：AI-CPS）收集整理，轉載請註明出處！

版權宣告：由產業智慧官（公眾號ID：AI-CPS）推薦的文章，除非確實無法確認，我們都會註明作者和來源。部分文章推送時未能與原作者取得聯絡。若涉及版權問題，煩請原作者聯絡我們，與您共同協商解決。聯絡、投稿郵箱：erp_vip@hotmail.com