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創建於 09.11
工業機器人關鍵技術與應用
1. 機器人本體設計的關鍵技術
(1) 傳動結構設計
制定整體設計方案，確定機器人的結構配置，並進行初步的傳動結構設計、零部件結構設計及3D建模。設計人員需深入了解常見的機器人結構配置、標準傳動原理與機構，以及減速器的類型與特性。強大的結構設計能力與實務經驗至關重要。
(2) 減速器選型
工程師必須透徹理解減速機的類型與性能參數，並能夠選擇、計算和驗證合適的減速機。還需要對減速機進行測試與驗證，涵蓋關鍵參數包括噪音、振動、輸出扭矩、扭轉剛度、背隙、重複定位精度和絕對定位精度。
減速機的振動直接導致末端執行器抖動，並降低機器人的軌跡精度。在減速機振動的眾多原因中，共振是最常見的問題之一。機器人製造商必須掌握經過驗證的方法來抑制或避免共振。
(3) 電機選型
工程師必須全面了解電機的運行特性，並能夠計算和驗證電機扭矩、功率和慣量匹配。
(4) 模擬分析
進行靜態與動態模擬分析，以驗證馬達與減速機的選型，檢查車身部件的強度與剛度，減輕整體重量，提升運作效率，並降低製造成本。對3D模型進行模態分析與自然頻率計算是識別與抑制共振的關鍵。
(5) 可靠性設計
- 結構設計遵循最簡可行設計原則；
- 車身鑄鐵件使用球墨鑄鐵，因其具有優異的綜合機械性能；鋁鑄件使用透過金屬模鑄造生產的高流動性鑄造合金；
- 提供詳細的組裝流程說明，並在組裝過程中進行元件級與單軸測試；
- 完成整機組裝後，進行完整的整機性能測試與耐久性測試；
- 優化整機的防護等級，並增強電氣櫃的抗干擾能力，以確保在多元工作環境中可靠運行。
2. 馬達與伺服系統的關鍵技術
(1) 馬達設計
① 輕量化設計
對於機器人應用而言，馬達的尺寸與重量是極為敏感的參數。一項關鍵技術是透過研究高性能磁性材料、整合優化設計以及先進的加工與組裝技術，來提升伺服馬達效率並縮小尺寸與重量。
② 高速能力
當減速比無法大幅調整時，馬達的最大轉速直接決定了機器人的末端執行器速度與工作週期時間。此外，速度比不足會對慣量匹配產生負面影響。因此，提高馬達的最大轉速是機器人馬達的關鍵技術。
③ 直驅與空心軸設計
隨著協作型機器人日益成熟與普及，對於輕量化且緊湊的機器人結構需求持續上升。專用機器人馬達的開發——例如高扭矩直驅馬達與盤式空心軸馬達——代表著未來的關鍵趨勢。
(2) 伺服驅動技術
① 快速響應與精準定位
伺服響應時間直接影響機器人的快速啟停性能，進而決定整體工作效率與週期時間。
② 無感測器彈性碰撞偵測
安全性是機器人的關鍵性能指標。增加力或扭矩感測器會增加結構複雜度與成本。基於編碼器與馬達之間電流耦合關係的無感測器彈性碰撞技術，能夠在不修改機身結構或不增加成本的情況下提升機器人安全性。
③ 整合驅動與控制
多軸驅動整合技術——採用多核心 CPU 與驅動控制整合架構——可提升系統效能，同時減少驅動體積與成本。
④ 線上自適應顫振抑制
工業機器人的懸臂結構在多軸協同運動、重載作業及快速啟停循環中容易產生顫振。機器人本體剛度必須與馬達的伺服剛度參數相匹配——剛度過高會引起振動，而剛度不足則會導致啟停反應遲緩。由於機器人剛度會因不同位置、姿態及工具負載而變化，固定的預設伺服剛度值無法滿足所有工況。
線上自適應顫振抑制技術提供一種無需手動參數調校的智慧控制策略，兼顧剛度匹配與顫振抑制，有效降低末端執行器抖動並提升定位精度。
3. 關鍵控制技術
(1) 運動求解與軌跡規劃
先進的運動求解與最佳路徑規劃演算法可顯著提升機器人的運動精度與工作效率。
(2) 動態補償
通用型工業機器人採用串聯懸臂結構，剛性相對較低，運動模式複雜，且在運行過程中容易產生變形與振動。提升動態性能與運動精度需要控制系統建立動態模型進行即時補償，包括：
- 重力補償
- 慣性補償
- 摩擦補償
- 耦合補償
(3) 校準補償
由於加工公差與組裝誤差，實際機器人不可避免地會偏離理論數學模型，降低 TCP 精度與軌跡精度。這在焊接與離線編程等應用中尤其關鍵。解決方案包括偵測並校準機器人的模型參數以恢復精度。
(4) 綜合製程套件
控制系統必須與實際工程應用緊密結合。除了持續的系統升級與功能擴充外，還必須根據工業需求開發並完善特定應用的製程套件。這種方法有助於累積工業製程專業知識，使客戶操作更便利、執行更簡單，並提升生產效率。
4. 關鍵應用場景
(1) 堆棧
在各行各業的工廠中，高度自動化的碼垛機器人被廣泛部署。人工碼垛不僅耗費人力，對體力要求也極高——工人在承受巨大身體負荷的同時，效率卻相對較低。根據搬運物品的特性及其指定的分類點，碼垛機器人能夠進行高效的分類搬運，同時保持產品的形狀與完整性。這使得包裝設備能夠以每小時數百件的速度完成堆疊任務，在產線卸載和貨櫃裝卸作業中發揮著至關重要的作用。
(2) 焊接
焊接機器人主要執行自動化焊接任務。不同行業有不同的焊接需求，因此發展出包括點焊機器人、弧焊機器人和雷射焊接機器人等專用焊接機器人。汽車製造業是焊接機器人最大且最廣泛的使用者，這些機器在焊接難度、焊接量和焊接品質一致性方面具有無可比擬的優勢。
(3) 組裝
在工業生產中，元件組裝是一項浩大的工程，傳統上需要大量人力。人工組裝由於錯誤率高、效率低，已逐漸被工業機器人取代。組裝機器人的開發整合了多種技術，包括通訊技術、自動控制、光學原理和微電子學。工程師根據具體的組裝流程對機器人進行編程，並將其應用於指定的組裝任務。組裝機器人的顯著特點是安裝精度高、靈活性卓越以及使用壽命長。鑑於組裝工作的複雜性和精密性要求，這些機器人特別適合電子元件組裝和精密汽車零件安裝。
(4) 檢驗與檢測
配備多維感測能力的機器人可以在專業和危險的角色中取代人類工人。應用包括：
- 高風險區域檢測 — 核污染區域、有毒環境及未知危險區域；
- 難以到達位置檢測 — 醫療環境中患者解剖結構的內部檢查、工業缺陷檢測，以及地震區等災難現場的搜救行動。
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