工業用機械手臂分享

最早期應用在工業上的機械手臂應該是在汽車生產作業上，
原因很簡單，因為這個行業：
第一有錢，
第二需要省力裝置協助，
第三有些作業人工不適合，
初期導入機械手臂應該不是為了省人力，
因為汽車業開始快速發展蓬勃的時間，剛好是全球先進國家處於人口紅利的時代，
那個時期年輕的勞動人口供應不餘匱乏，
加上女權運動、公共交通等等因素增加了許多女性工作者，
相信車廠導入機械手臂應該純粹是為了有些工作可以做得比人好、穩定，
例如搬運重物到定位、連續的焊接、噴漆、塗膠等等。

新的汽車自動化生產線上，人工比例越來越少
圖片來源：Stockfeel

到了電子、消費性產品等工業，以及服務業、金融業快速發展時期，
勞動人口就真的陷入嚴重不足，
所以機械手臂的發展就更加有必要與快速進行。

尤其有些工作根本是人無法進行的，也不得不使用機械手臂，
例如半導體晶圓、大型TFT LCD基板、輻射、真空、高溫、高壓等等，
尤其是勞工安全法規上的限制，有些人工作業根本就被禁止不可行，
因此機械手臂就成為不得不用的裝置。

工業上使用的機械手臂型式有很多種，
從一些市場調查報告上，可以看到分成 6 種：
Articulated 、SCARA、Cartesian、Parallel、Others、Collaborative。

Articulated型式，圖片來源：Fanuc 網站

Scara型式，圖片來源：Epson 網站

Scara型式，晶圓搬送用，圖片來源：三和技研

Cartesian型式，圖片來源：東佑達

Parallel型式

Others型式範例：達文西機械手臂，圖片來源：高醫大附設醫院

Collaborative型式，圖片來源：ABB網站

首先最早、最簡單的型式應該是Cartesian型式，
由線性單軸滑台或旋轉軸所組成，
單軸滑台的組成包括底座與軌道(或線性軸承)、傳動元件、馬達跟固定零組件、感測器等。
便宜、低精度的就是由馬達驅動、皮帶輪傳動，搭配線性軸承所組成。

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用XYZ軸機械手臂進行巧克力的注入

精度要比較好就改用步進馬達、螺桿傳動、線性軌道組成。

可以由將單個到多個單軸滑台組成的多軸運動的機械手臂。

類似單軸運動，若精密度要求更高，
就會使用步進/伺服馬達驅動、研磨級有預壓滾珠螺桿傳動、有預壓高精密線性滑軌，再加上光學尺輔助回饋位置資訊。

再更精密就要使用空氣軸承、壓電陶瓷馬達等等，
但是通常到要求高精密等級時，
反而不會稱為機械手臂，而會稱為精密滑台，

這個界限大概在0.05mm，精度高於0.05mm的通常會說精密滑台。

多支單軸滑台組成的多軸滑台在應用上有一些動作上的限制，
以線性運動跟旋轉運動為主，或者加上軸間的補間同步，
另外一個問題是線性運動時往復慣性造成的暫態振動。

有聰明的工程師想出了以多個馬達旋轉驅動的機構，
既可以作線性運動又可以作旋轉運動，
使得機械手臂的動作更加靈活，接近人工的動作，
因此可以成為一種標準的模組產品導入生產線使用。

也就是現在經常看到的Articulated型式機械手臂，
在台灣習慣稱為六軸機械手臂或垂直關節型機械手臂。

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用Yaskawa無塵室垂直關節型機械手臂取放巧克力棍放進模具

後來因應塗膠、晶圓搬送，不需要這麼多軸數跟活動範圍，
但是可能需要較高精度，
出現一種軸數(3~5軸)較少的Scara型式的機械手臂，
在台灣又稱為水平關節型，
晶圓搬送機械手臂通常是其中一種型式。

以上兩種都有慣性作用問題，
對於在有限範圍內進行高速度的運動不太適合，
廠商推出一種Parallel型式的機械手臂，
又稱為Delta型機械手臂或蜘蛛型機械手臂，
慣性比較小，更適合作高速運動，

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用Parallel型機械手臂取放已包裝巧克力產品

有一段時間在太陽能晶圓排放應用上非常的流行，

近期來則是常常看到被應用在3D列印設備上。

其他型的機械手臂其實就各憑想像，
有時是前述四種機械手臂的組合跟延伸應用，
或者是特殊領域的醫療應用上等等。

協作型的機械手臂是考慮到有些作業還是需要人工，
因此當機械手臂與人工在同一個工作空間中進行作業時，
機械手臂必須能夠有感知人體碰撞的能力，
當可能與人體接觸時必須能夠緊急停止甚至放鬆部分馬達避免造成人體傷害。

在台灣泛用型的Articulated、Scara、Parallel型式 常見的廠商有Fanuc、Kuka、Abb、Epson、Yaskawa等等，據統計台灣2016年安裝數量有超過7000組。

台廠工研院與東元早期曾經想要開發，後來無疾而終，

近年來因為步進、伺服馬達與控制器越來越多，台廠的能力也越來越強，重點是要有潛在客戶群支持產品開發，目前已知鴻海集團跟廣達集團有開發機械手臂，

沒聽、看過鴻海集團的機械手臂在設備市場中銷售，

有看過廣達集團旗下的孫公司廣明不斷向各設備公司推促銷其機械手臂，在電子產業領域中或許有望可以搶佔部分(EPSON、Yaskawa)市場。

台達電也有開發垂直關節型產品，但是沒碰過業務推介紹。

至於Cartesian型式的使用與供應廠商就更多，
元件估應商包括日本的IAI、東方馬達，台灣的東佑達、Maxtec等等，
另外有很多是使用者自己設計的XYZR滑台，

北海道新千歲機場巧克力示範產線，用特殊訂製機械手臂抓巧克力模具旋轉，讓液態巧克力凝固在模具上

這些都是廣義上的機械手臂，若再加上去數量就是好幾十倍以上。

而且因應人工缺乏的趨勢，
工業用機械手臂在未來幾年應該都還有很大的成長空間。

參考資料：
1. Markets and Markets，工業機械手臂市場調查報告
2. JARA，Japan Robot Association