工業機械人
工業機械人按照ISO 8373[1]定義，它是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機械人。工業機械人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機械人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。
工業機械人的典型應用包括焊接、刷漆、組裝、採集和放置（例如包裝、碼垛和 SMT）、產品檢測和測試等; 所有的工作的完成都具有高效性、持久性、速度和準確性。
形式和特色
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最常使用的機械人構造為關節型機械人、SCARA機械人、delta機械人和直角座標機械人（高架機械人或x-y-z機械人）。 機械人會展現不同程度的自律：
- 一些機械人係透過程式設計而能忠實、無變異、高度準確的一再執行特定動作（反覆動作）。這些動作取決於程式設定的常式，這些常式訂定一系列協同動作的方向、加速度、速度、減速度、距離。
- 其他機械人則更有彈性，因為這些機械人可能連作業目標的方位，甚或對目標所需完成的作業，都需要進行辨識。例如，為了更精確的導引，機械人常包含機器視覺子系統做為其視覺感測器，連接到強大的電腦或控制器。對於現代工業機械人而言，人工智能、或者任何被誤認為人工智能的東西，成為日益重要的因素。
工業機械人歷史
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喬治·戴沃爾最早提出了工業機械人的概念，並在1954年申請了專利。 (專利批准在1961年). 在1956年，戴沃爾和約瑟夫·恩蓋爾柏格基於戴沃爾的原先專利，合作建立了Unimation公司。1959年Unimation公司的第一台工業機械人在美國誕生，開創了機械人發展的新紀元。
Unimation公司以後授權其技術給川崎重工和GKN，分別在日本和英國生產Unimates工業機械人。在一段時間以來，Unimation的唯一競爭對手是美國俄亥俄州的辛辛那提米拉克龍公司(Cincinnati Milacron Inc.)。但是，在1970年代後期，在幾家大型日本企業集團開始生產類似的工業機械人之後，這局面從根本上改變了。
工業機械人在歐洲興起得相當快，在1973年ABB機械人公司和庫卡機械人(KUKA)公司就把機械人帶入市場。
在70年代末，對於機械人技術的興趣在增加，許多美國公司進入該領域，包括例如通用電氣和通用汽車公司（其成立的與日本發那科公司合資的發那科(FANUC)機械人公司等大型公司。美國的創業公司包括Automatix和Adept Technology。在1984年的機械人熱潮時期，Unimation公司被西屋電氣公司以$1.07億美元收購。西屋電氣公司於1988年將Unimation公司出售給法國史陶比爾Faverges SCA公司，這家公司仍然製造關節型機械人適用於一般工業和潔淨室的應用，並且於2004年底甚至收購博世公司的機械人事業部。
市場結構
[編輯]根據國際機械人聯合會（IFR）發佈的在2012年世界機械人研究報告，在2011年年底為至少有1,153,000個運行的工業機械人。預計這個數字到2015年年底將達到1,575,000個。[2]
根據國際機械人聯合會2011年度的估計，工業機械人全球銷售額為85億美元。包括軟件，外圍設備和系統工程的成本後，機械人系統的年度營業額估計在2011年達到255億美元。[3]
日本政府估計，該行業可能從約在2006年52億美元到在2010年接近260億美元，並在2025年激增至700億美元。在2005年，日本已有超過370,000個正在運行的工業機械人。在2007年的國家技術發展路線圖中，貿易部呼籲到2025年要在全國各地安裝100萬台工業機械人。[4]
估計全世界每年供應的工業機械人數量（台）：[5]
| 年份 | 供應 |
|---|---|
| 1998 | 69,000 |
| 1999 | 79,000 |
| 2000 | 99,000 |
| 2001 | 78,000 |
| 2002 | 69,000 |
| 2003 | 81,000 |
| 2004 | 97,000 |
| 2005 | 120,000 |
| 2006 | 112,000 |
| 2007 | 114,000 |
| 2008 | 113,000 |
| 2009 | 60,000 |
| 2010 | 118,000 |
| 2012 | 159,346 |
| 2013 | 178,132 |
| 2014 (forecast) | 205,000 [6] |
中國機械人產業規模快速增長，2021年機械人全行業營業收入超過1300億元。其中，工業機械人產量達36.6萬台，比2015年增長了10倍，在世界工業機械人市場中排名第一。工業機械人應用覆蓋國民經濟60個行業大類、168個行業中類。2021年中國製造業機械人密度達到每萬人超300台，比2012年增長約13倍。[7]
技術說明
[編輯]定義參數
[編輯]- 軸數 – 在一平面中取得任意點需要兩個軸；在空間中取得任意點需要三個軸。要完全控制手臂終端（意即手腕）的指向，需要另外三個軸（平擺、俯仰及橫搖）。某些設計（例如SCARA機械人）犧牲運動性以換取成本、速度、精度。
- 自由度 – 通常跟軸數一樣。
- 工作包絡面 – 在空間中機械人可觸及的區域。
- 運動學 – 機械人的剛體元件及關節的實際配置，決定了機械人所有可能的動作。機械人運動學的類別包含關節型、卡式座標型、平行型及SCARA。
- 承載量或載重量 – 機械人能舉起多少重量。
- 速率 – 機械人能多快使其手臂終端就定位。本參數可由各軸的角速率或線速率定義，或者以複合速率，意即以手臂終端速率來定義。
- 加速度 – 一軸能多快加速。此係一限制因素，因為在進行短距離移動或需要常常改變方向的複雜路徑時，機械人可能無法達到其最大速度。
- 準確度 – 機械人可以多接近要求位置。準確度的度量方式即機械人的絕對位置與要求位置的差距。利用外部感測設備如視覺系統或紅外線，可改善準確度。
- 再現性 – 機械人再次回到程式設定的某位置的能力有多好。這跟準確度不一樣。可能告訴它去某X-Y-Z位置的時候，它只走到距離那個位置不到1 mm的地方，那麼這是準確度問題，可以透過校正改善。但是如果那個位置經教導並置入控制器記憶體，而每次它都回到距離教導位置0.1mm之內的地方，則其再現性在0.1mm以內。
準確度及再現性是截然不同的度量方式。再現性對機械人而言通常是最重要的規範，而且它類似測量中的「精確度」─參照準確度及精密度。ISO 9283[8]確立測量準確度及再現性的方法。一般而言，機械人會被送去一個教導位置數次，每次都會前往4個其他位置再回到教導位置，然後測量誤差值。接着用這些樣本在三度空間中的標準差來量化再現性。一般的機械人當然可能會發生超過再現性的位置誤差，而這可能是程序問題。再者，工作包絡的不同部位會有不一樣的再現性，而且再現性也會隨着速率跟酬載而變。ISO 9283規定要在最大速度及在最大酬載下測量準確度及再現性。然而如此產生的數據比較悲觀，因為機械人在輕負載及速度時的準確度及再現性會好很多。工業程序中的再現性也受到端接器（例如握爪）的準確度影響，甚至也受到握爪上用來抓取物件的「手指」設計的影響。例如，如果機械人從螺絲的頭部拾起這個螺絲，螺絲可能會呈現隨機的角度。後續嘗試把螺絲放進螺絲孔的動作就很容易失敗。諸如此類的情境可以透過「導入特徵」加以改善，像是使孔的入口呈錐形（倒角）。
- 運動控制 ─ 對於某些應用，像是簡單的採集和放置的組裝作業，機械人只需要在數量有限的預先教導位置之間往返。對於更複雜的應用，像是焊接及塗裝（噴漆），一定要沿着空間中的路徑以指定的方位及速度持續控制運動。
- 動力源 ─ 有些機械人使用電動馬達，其他則使用液壓致動器。前者會比較快，後者則是出力較大且有利於噴漆之類的應用，因為火花可能引發爆炸；然而，手臂內部的低度加壓空氣可防止可燃蒸氣及其他污染物進入。
- 驅動 ─ 有些機械人透過齒輪連接馬達及關節；其他則是馬達直接連接關節（直接驅動）。使用齒輪導致可測量到的「背隙」，這是一軸的自由移動。較小的機械人手臂常常運用高速、低扭矩的DC馬達，通常需要較高的齒輪比，而這會有背隙的缺點，在這樣的案例常會改用諧波齒輪減速器(Harmonic drive)。
- 順應性 ─ 這是施加力量於機械人一軸能使之移動的角度或距離總量的度量。因為順應性的關係，在攜帶最大酬載時機械人走到的位置會比沒有攜帶任何酬載的時候稍微低一些。在攜帶高酬載而需要降低加速度的場合，順應性也會對超越量有所影響。
機械人程式編寫及介面
[編輯]工業機械人的運動及順序的設定或程式編寫，一般是將機械人控制器連接到筆記型電腦、桌上型電腦或網絡（內部網絡或互聯網）來進行教導。
一台機械人以及一群機器或周邊設備的集合稱為工作單元或單元。典型的單元可能包含一台零件給料器、一台射出機以及一台機械人。這幾樣機器「整合」在一起，由單一計算機或PLC控制。一定要以程式編寫機械人如何與單元中的其他機器互動，同時要顧及它們在單元中的位置並且和它們協同作業。
軟件：對應的介面軟件會安裝在計算機裏。使用計算機會大幅簡化程式編寫過程。取決於系統設計，專用的機械人軟件會在機械人控制器中運行、在計算機中運行、或者在二者中運行。
必須教導（或以程式編寫）的兩個要素：位置資料及步驟。例如，在把螺絲從給料器移動到一個洞的作業裏，給料器跟洞的位置一定要事先教導或輸入程式。接着，把螺絲從給料器放到洞裏的步驟一定要和任何相關的I/O一起編寫成程式，例如給料器裏的螺絲已經可取用的指示訊號。機械人軟件的目的在於使程式編寫作業容易些。
有好幾種方法可以教導位置給機械人：
位置命令：使用GUI或者純文字命令指定或編輯所需的X-Y-Z位置可以引導機械人到所需位置。
教導器：可以透過教導器來教導機械人位置，它是一種手持控制及程式編寫單元。如此單元的共同特徵是手動把機械人送到所需位置，或者以「吋進」調整位置。它們也有改變速度的手段，因為在小心定位、測試新程式或測試修改過的程式的時候，通常會需要用較低的速度進行。通常會附有一個大大的急停按鈕。一般而言，只要機械人程式設定完成，就無須再使用教導器。
牽着鼻子走（Lead-by-the-nose）：這是許多機械人製造商會提供的技巧。使用此方法時，一個使用者抓住機械人的機械臂，同時另一個人輸入命令以除去機械人的能源讓它變得無力。使用者接着用手將機械人移動到所需位置及/或沿着所需路徑移動，同時軟件將這些位置記錄在記憶體裏。程式後續可以運行機械人到這些位置或者使機械人沿着教導路徑運行。這種技巧在噴漆之類的作業很常用。
離線編寫程式：將整個單元、機械人及工作空間裏所有的機械或設備都繪製成圖像，然後在螢幕上移動機械人以模擬程序。機械人模擬器用來建立機械人的嵌入式應用程序，而不用靠實際操作機器臂跟端接器。機械人模擬的好處是在於它節省機械人應用的設計時間。這也能提升攸關機械人設備的安全層級，因為可以在系統啟動前嘗試、測試各種「這麼做會怎樣」的情境。機械人模擬軟件讓各種程式語言撰寫的程式可以進行教導、測試、運行、除錯。
機械人模擬工具：使機械人程式易於撰寫、離線除錯，而只在實際的機械人測試最後版本的程式。這讓我們把種種機構、裝置、架構、控制器應用到「現實世界」之前，就可以在虛擬世界預覽機械人系統的運作，進行各種嘗試及測試。機械人模擬器能夠以幾何模型及運動學模型即時計算、模擬工業機械人的運動。除此之外，操作機械人的作業員經常使用人機介面裝置(一般是觸控螢幕)做為控制面板，用以切換程式、調整程式。控制面板也可以操作周邊裝置的主機，這些周邊裝置可能和同一套機械人系統整合在一起，包含端接器、提供零件給機械人的給料器、輸送帶、急停控制、機器視覺系統、安全互鎖系統、條碼打印機等等。通常程式編寫完畢後，會將教導器或PC斷線，而機械人會依安裝在其控制器的程式運行。然而，通常會有計算機用於「督導」機械人和周邊設備，或者提供額外的儲存空間給大量的複雜路徑及常式。
末端執行器
[編輯]最重要的機械人周邊設備是末端執行器，或稱臂端工具。常見的末端執行器實例有焊接裝置(例如MIG焊槍、點焊器等等)、噴槍以及研磨及去毛邊裝置(例如碟式或帶式氣動研磨器、打光輪等等)、以及夾持器(可抓取物件的裝置，通常是電動或氣動機械，拿取物件的另一種常見手段是用真空吸取)。末端執行器通常非常複雜，而且會對應要處理的產品，常常要能一次拿取一排產品。它們會利用多種感測器幫助機械人系統確認產品位置、拿取產品、並置放產品到定位。
參看
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參考
[編輯]- ^ ISO Standard 8373:1994, Manipulating Industrial Robots – Vocabulary
- ^ 存档副本 (PDF). [2014-06-20]. （原始內容 (PDF)存檔於2013-06-16）.
- ^ The continuing success story of industrial robots. International Federation of Robotics. [2012-11-11]. （原始內容存檔於2014-10-06）.
- ^ 存档副本. [2014-06-20]. （原始內容存檔於2012-05-24）.
- ^ 存档副本 (PDF). [2014-06-20]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-02-27）.
- ^ 存档副本 (PDF). [2015-04-29]. （原始內容 (PDF)存檔於2015-01-23）.
- ^ 我国稳居全球第一大工业机器人市场. 光明網. [2022-09-06]. （原始內容存檔於2022-09-07）.
- ^ Standardikeskus, Eesti. EVS-EN ISO 9283:2001 - Eesti Standardikeskus. www.evs.ee. [2017-05-27]. （原始內容存檔於2019-06-05） （愛沙尼亞語）.
