工業(yè)機(jī)器人的五大機(jī)械結(jié)構(gòu)和三大零部件解析

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics；簡(jiǎn)稱IFR）定義，機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robots）及服務(wù)型機(jī)器人（Service Robots）。其中，目前工業(yè)機(jī)器人又佔(zhàn)全球機(jī)器人80％的市佔(zhàn)率，遠(yuǎn)高于服務(wù)型機(jī)器人。

若以機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，工業(yè)機(jī)器人可區(qū)分為單軸機(jī)器人、座標(biāo)機(jī)器人、水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（SCARA）、垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人以及并聯(lián)式機(jī)器人（DELTA）等，以下依序就這五種類型來說明。

一、工業(yè)機(jī)器人之五大機(jī)械結(jié)構(gòu)

1. 單軸機(jī)器人

單軸機(jī)器人一般分為兩種傳動(dòng)方式，一為滾珠螺桿傳動(dòng)，二為同步齒形帶（簡(jiǎn)稱：同步帶）傳動(dòng)，兩種皆是以直線導(dǎo)軌做為導(dǎo)向，并配合伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，來實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用領(lǐng)域的定位、移載、搬運(yùn)等等。透過不同的組合樣式，還可以實(shí)現(xiàn)兩軸、三軸、龍門式的組合。

單軸機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋半導(dǎo)體、家電、醫(yī)療、汽車、包裝、點(diǎn)膠機(jī)、焊接、切割、檢測(cè)等自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域，而***的上銀科技在單軸機(jī)器人的市場(chǎng)名列全球前三。

2. 直角座標(biāo)機(jī)器人

直角座標(biāo)機(jī)器人是基于X、Y、Z直角座標(biāo)，在各座標(biāo)的長度范圍內(nèi)進(jìn)行工作或運(yùn)動(dòng)，適用于搬運(yùn)、取放等作業(yè)，可應(yīng)用的領(lǐng)域包括射出成型機(jī)取出用手臂、移動(dòng)并定位、堆迭、鎖螺絲、切割、裝夾、壓入、插取、裝配、自動(dòng)藥房等。

***機(jī)器人相關(guān)業(yè)者數(shù)量約有80家，現(xiàn)有40家以上的業(yè)者可從事座標(biāo)機(jī)器人相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)，所使用的關(guān)鍵零組件國產(chǎn)化程度較高。在射出成型機(jī)取出用機(jī)械手臂中，天行自動(dòng)化（Alfa）與***精銳（Apex）為該領(lǐng)域之領(lǐng)先業(yè)者，并在中國大陸具有一定的市場(chǎng)佔(zhàn)有率。

3. 水平多關(guān)節(jié)（SCARA）機(jī)器人

水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm；縮寫SCARA ），是一種圓柱座標(biāo)型的特殊類型工業(yè)機(jī)器人。一般有4個(gè)自由度，包含沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。

SCARA機(jī)器人的特點(diǎn)是負(fù)載小、速度快，因此其主要應(yīng)用在快速分揀、精密裝配等3C行業(yè)或是食品行業(yè)等領(lǐng)域。例如IC產(chǎn)業(yè)的晶圓、面板搬運(yùn)、電路板運(yùn)送、電子元件的插入組裝都可以看到SCARA機(jī)器人的蹤跡。國外廠商包含EPSON、IAI、DENSO等日廠。國內(nèi)廠商則有臺(tái)達(dá)電、東佑達(dá)、上銀。

4. 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人

垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，有相當(dāng)高的自由度，適用于任何軌跡或角度的工作。其具有三維運(yùn)動(dòng)的特性，可做到高階非線性運(yùn)動(dòng)，是目前最廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，常用于汽車製造商、汽車零組件與電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

上銀科技、和樁科技、鴻海集團(tuán)均在國際機(jī)器人展覽中推出自有品牌之六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人，然而關(guān)鍵零組件諧波減速機(jī)（Harmonic Drive）仍需外國進(jìn)口，所以在價(jià)格上較不具競(jìng)爭(zhēng)力。

5. 并聯(lián)式（DELTA）機(jī)器人

并聯(lián)式機(jī)器人亦稱為DELTA機(jī)器人，透過上平臺(tái)之三組動(dòng)力結(jié)構(gòu)帶動(dòng)主動(dòng)臂與被動(dòng)臂至末端平臺(tái)進(jìn)行位移，并可在末端搭載第四軸或是自上平臺(tái)連結(jié)第四軸作為旋轉(zhuǎn)軸。

由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單，在移動(dòng)上能達(dá)到最短路程，機(jī)構(gòu)也容易小型化，可達(dá)到高速高精度的控制，因此主要應(yīng)用于高速取放、篩選作業(yè)，主要應(yīng)用于食品業(yè)、電子檢料、製藥、包裝等用途。一般情況下，一個(gè)并聯(lián)機(jī)器人可以替代4-6個(gè)人工，幫助用戶有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

二、工業(yè)機(jī)器人之三大零件

了解完工業(yè)機(jī)器人的五種機(jī)械結(jié)構(gòu)后，接下來我們來談?wù)劰I(yè)機(jī)器人剩下的三大關(guān)鍵零組件：減速機(jī)、伺服馬達(dá)、控制器。這些零組件約佔(zhàn)機(jī)器人整機(jī)成本的60-70％，是邁入工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相當(dāng)重要的門檻。

以全球四大工業(yè)機(jī)器人大廠（瑞士ABB、日本發(fā)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(guān)鍵零組件，伺服馬達(dá)及減速器則部分外購，以下將依序就這三項(xiàng)零組件來說明：

1. 減速器

減速器是連接動(dòng)力源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低，并讓轉(zhuǎn)矩提升。其將電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，透過輸入軸上的小齒輪嚙合后，再輸出至軸上的大齒輪以達(dá)到減速的目的，并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(gè)重資產(chǎn)、高投入、慢回報(bào)的產(chǎn)業(yè)。從全球工業(yè)機(jī)器人大廠來看，多未自行研發(fā)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(zhàn)了減速器70％以上的市場(chǎng)份額。

依據(jù)IFR估計(jì)，2019工業(yè)機(jī)器人銷量將達(dá)41.4萬臺(tái)，若以一臺(tái)多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人需要4-6個(gè)減速器來看，市場(chǎng)將有兩百多萬組減速器的需求，可見其成長速度會(huì)比工業(yè)機(jī)器人來得快。

2. 伺服馬達(dá)

伺服馬達(dá)是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，一般安裝于機(jī)器人的「關(guān)節(jié)」處，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的心臟，通常又可細(xì)分為兩個(gè)部分，一為馬達(dá)本體，二為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

主流供應(yīng)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(zhàn)全球機(jī)器人市場(chǎng)40％市佔(zhàn)率。在***，伺服馬達(dá)品牌如東元、臺(tái)達(dá)電亦有不錯(cuò)表現(xiàn)。

3. 控制器

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

除了全球四大機(jī)器人大廠自行研發(fā)控制器外，EPSON、DENSO、TOSHIBA亦深耕控制器領(lǐng)域，生產(chǎn)自有品牌的機(jī)器人。而在***，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(chǎng)也有不錯(cuò)的成績(jī)。