工業機器人之五大機械結構及關鍵零組件分析

工業機器人之五大機械結構及關鍵零組件分析
by 蕭佑和二月 28, 2018CC-BY-NC-ND

ABBFANUCKUKAYASKAWA伺服電機工業機器人控制器減速器

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，以下依序就這五種類型來說明。

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，而台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、堆疊、鎖螺絲、切割、裝夾、壓入、插取、裝配、自動藥房等。

台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設備的設計開發，所使用的關鍵零組件國產化程度較高。

在射出成型機取出用機械手臂中，天行自動化（Alfa）與台灣精銳（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類型工業機器人。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、面板搬運、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。國內廠商則有台達電、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、汽車零組件與電子相關產業。

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，然而關鍵零組件諧波減速機（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，透過上平台之三組動力結構帶動主動臂與被動臂至末端平台進行位移，並可在末端搭載第四軸或是自上平台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，幫助用戶有效提高生產效率，降低生產成本。


二、工業機器人之三大零組件
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組件：減速機、伺服馬達、控制器。這些零組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組件，伺服馬達及減速器則部分外購，以下將依序就這三項零組件來說明：

1. 減速器
減速器是連接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嚙合後，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41.4萬台，若以一台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。在台灣，伺服馬達品牌如東元、台達電亦有不錯表現。

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。而在台灣，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。

三、台灣工業機器人的發展出路
由於工業機器人的核心技術掌握在四大廠商（瑞士ABB、日本發那科FANUC、德國庫卡KUKA、日本安川YASKAWA）及減速器市場的納博特斯克（Nabtesco）及哈默納科（Harmonic Drive）手上，因此台灣發展機器人產業，最大瓶頸還是在於三大關鍵零組件的技術無法突破。

由於這些關鍵零組件仰賴進口，在議價空間小加上關稅的情況下，自然拉抬了國產機器人的整機成本。以關鍵零組件減速器來看，就佔了國內生產整機成本的1/3，遠高於國際巨頭的1/10～1/6，足以想像到國產機器人的價格競爭力較低。

因此，也許台灣現階段能做的，除了持續在整機製造上累積能量外，就是選定優勢的產業，借助台灣特有製程之特有Know how與厚實的ICT產業基礎，來開發垂直產業機器人之整體解決方案。