工業機器人分類的關鍵因素為何？

數以百萬計的工業機器人活躍於世界各地的工業 4.0 工廠中。這類機器人可用來提高生產率、改善品質、降低成本，以及支援更靈活且更永續的營運。由於工業機器人非常重要，因此國際標準化組織 (ISO) 制定了一套 8373:2021 機器人詞彙標準，以定義機器人技術中使用的術語，並針對多種類型的機器人及其應用提供一種方便討論的通用語言。

國際機器人聯盟 (IFR) 使用 ISO 8373:2021 中定義的關鍵術語，根據其以下機械結構識別六個機器人類別：

• 關節型
• 笛卡爾座標型
• 圓柱座標型
• 平行／三角形
• 極座標型
• SCARA

本文將回顧 ISO 8373:2021 標準，探討用來定義機器人的四個關鍵術語，並且關注對可重新編程能力的需求，以及 IFR 用來制訂機器人類別時所依據的機器人關節類型和數量。然後深入探討每個機器人類別的細節和細微差異，並展示來自多家製造商的機器人範例。除此之外，還會探討一些完全不符合 ISO 要求，卻稱為機器人的系統。

ISO 8373:2021 將工業機器人定義為「自動控制、可重新編程、多用途的機械手臂，且可進行三軸以上方向的編程，既可採取固定式安裝亦可安裝在移動式平台上，以便用於工業環境中的自動化應用」。

可重新編程的能力是關鍵的差異化因素。某些工業用機器可能具有機械手臂並可進行多軸移動，因此能夠處理特定任務，例如在飲料填充生產線上拾起瓶子並將其放入箱中。但如果只專用於該單一用途，且不能重新編程，那就不算是機器人。ISO 8373 將「可重新編程」定義為「經過設計，可在不實體更動的情況下，變更已編程的運動或輔助功能」。

機器人關節的類型和數量

ISO 8373 定義了兩種機器人關節類型：

• 直動關節 (或滑動關節) 是兩個鏈結之間的組件，能讓一個鏈結相對於另一個鏈結進行線性運動。
• 旋轉關節 (或外旋關節) 是連接兩個鏈結的組件，能讓一個鏈結相對於另一個鏈結繞著固定軸旋轉。

IFR 已使用這些定義和其他 ISO 8373 定義，根據其機械結構或拓撲來識別六種工業機器人類別。此外，不同的機器人拓撲也具有不同的軸數，因此也有不同的關節數。

軸的數量是工業機器人的關鍵特性之一。軸的數量及其類型會決定機器人的運動範圍。每個軸代表一個獨立運動或一個自由度。自由度越大，機器人便更可在更大且更複雜的空間中移動。某些機器人類型具有固定數量的自由度，而其他類型則可以有不同數量的自由度。

末端效應器，也稱為臂端工具 (EOAT) 或 ISO 8373 所述的「多用途機械手臂」，是絕大多數機器人的另一個重要元件。末端效應器種類眾多，包括抓取器、專用製程工具 (如螺絲起子、噴漆器或焊機) 及感測器 (包括攝影機)。這些末端效應器可以是氣動式、電動式或液壓式。有些末端效應器可以旋轉，因此能讓機器人具備另一個自由度。

以下說明將從各種機器人拓撲的 IFR 定義開始，然後檢視其功能及應用。

關節型機器人具有三個以上的旋轉關節。

這個類別的機器人涵蓋很廣泛。關節型機器人可以有十個以上的軸，而六軸型最常見。六軸機器人可以在 x、y 和 z 平面上移動，也可以進行俯仰、偏航和滾動等形式的轉動，因此能模仿人類手臂的運動。

這些機器人亦可提供多種酬載能力，從 1 kg 以下到 200 kg 以上不等；這些機器人的伸展範圍也有很大的差異，從不到 1 公尺至數公尺不等。例如，KUKA 的 KR 10 R1100-2 屬於六軸關節型機器人，其最大伸展範圍是 1,101 mm，最大酬載為 10.9 kg，姿態重現性為 ±0.02 mm (圖 1)。另外，這些機器人還具有高速運動、短循環時間和整合式能源供應系統。

圖 1：姿態重現性為 ±0.02 mm 的六軸關節型機器人。(圖片來源：DigiKey)

關節型機器人可以永久地安裝在地板、牆壁或天花板上，也可以安裝在地面或懸掛式軌道上、裝在自主行動機器人或其他可移動平台上，並可在工作站之間移動。

此外，還可用於多種任務，包括材料搬運、熔接、噴漆和檢查。關節型機器人是實作協作機器人 (Cobot) 時最常用的拓撲結構，其設計可配合人員一同工作。傳統機器人會在具有安全屏障的安全籠中操作，協作機器人則經過設計，可與人員密切互動。例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 協作機器人，其最大伸展範圍為 1,327 mm，最大酬載為 12 kg，姿態重現性為 ±0.03 mm。協作機器人通常具有碰撞保護、圓邊、力量限制和重量輕等特點，以便增強安全性。

笛卡爾座標型機器人 (有時稱為直角座標型機器人、線性機器人或龍門機器人) 的機械手臂有三個直動關節，而這些關節的軸形成了笛卡爾座標系統。

笛卡爾機器人可經過改造，就可採用兩個直動關節。儘管如此，仍不符合 ISO 8373 的要求，亦即「可進行三軸以上方向的編程」，因此就技術而言，不算是機器人。

要配置三個直動關節的方法不止一種，因此，笛卡爾機器人的配置方法也不止一種。在基本笛卡爾拓撲中，全部三個關節都是直角型，其中一個在 x 軸移動，並連接到在 y 軸移動的第二個關節，而第二個又連接到在 z 軸移動的第三個關節。

儘管龍門拓撲通常會被視為等同於笛卡爾機器人，但兩者並不相同。與基本笛卡爾座標一樣，龍門機器人可支援三維度空間裡的線性運動。但龍門機器人的配置有兩個底座 x 軸導軌：一個橫跨兩個 x 軸且受到支撐的 y 軸導軌；一個連接到此 y 軸的懸臂式 z 軸。例如，Igus 的 DLE-RG-0012-AC-800-800-500 就屬於龍門機器人，其運作範圍為 800 mm x 800 mm x 500 mm，最多可承載 5 kg，且最快能以 1.0 m/s 的速度移動，重現性為 ±0.5 mm (圖 2)。

圖 2：運作範圍為 800 mm x 800 mm x 500 mm 的龍門機器人。(圖片來源：Igus)

圓柱座標型機器人的機械手臂有至少一個轉動關節和至少一個直動關節，而這些關節的軸則形成了圓柱座標系統。

圓柱型機器人相對簡單小巧，其運動範圍有限，因此編程上也比較容易。比起其他更複雜的機器人，圓柱型機器人較不常見，但特別適合用於研磨製程、堆棧、熔接 (特別是點焊) 和材料搬運 (例如在積體電路製造作業中，將半導體晶圓裝入晶圓載具以及從中取出) 等多種應用中 (圖 3)。

圖 3：此圓柱型機器人有一個旋轉關節和一個直動關節。(圖片來源：Association for Advancing Automation)

圓柱型機器人通常以 1 至 10 m/s 的速度移動，其設計可用來承載重型負載。圓柱型機器人可應用於汽車、製藥、食品飲料、航太、電子和其他產業中。

平行／三角形機器人屬於一種機械手臂，其手臂的鏈結會形成一個封閉迴路結構。

其他機器人 (如圓柱型拓撲或笛卡爾拓撲) 是以其運動命名，而三角形機器人則是以其上下顛倒的三角形命名。三角形機器人有 2 至 6 個軸，而最常見的是雙軸和三軸的設計。如同雙軸笛卡爾機器人一樣，就技術而言，雙軸三角形機器人並不符合 ISO 8373 的要求，故無法稱為機器人。

三角形機器人的設計重點在於速度，而非力量。這類機器人主要安裝在工作區域上方，以執行拾放、分類、拆卸和包裝等功能。通常是位於輸送帶上方，將零件往下擺放到生產線上。抓取器會連接到細長的機械連桿上。這些連桿可連至機器人底座上的三個或四個大型馬達。連桿的另一端連接到 EOAT 所連接的工具板。

以 Igus 的 RBTX-IGUS-0047 3 軸三角形機器人為例，其工作區域直徑為 660 mm，最多可以搬運 5 kg 的酬載。搬運 0.5 kg 的酬載時，每分鐘可以執行 30 次拾取，最大速度為 0.7 m/s，加速度為 2 m/s²。其重現性為 ±0.5 mm (圖 4)。

圖 4：三軸三角形機器人與控制器 (左)。(圖片來源：DigiKey)

極座標型機器人 (球面座標型機器人) 屬於一種機械手臂，具有兩個轉動關節和一個直動關節，而這些關節的軸會形成極座標系統。

其中一個旋轉關節可讓極座標型機器人繞著底座伸出的垂直軸旋轉。第二個旋轉關節與第一個旋轉關節成直角，可讓機器手臂上下擺動。最後，直動關節能讓機器手臂從垂直軸中伸出或收回。

極座標型機器人雖然結構簡單，但若與其他拓撲相比 (如關節型、笛卡爾和 SCARA 等機器人)，則有一些缺點會導致其使用性受到限制：

• 球面座標系統會增加編程工作的複雜性。
• 這類系統的酬載能力通常比其他類型的機器人更受限，
• 而且速度也比更慢。

極座標型機器人的主要優點包括較大的運作範圍和較高的精度。可用於機床管理、組裝作業、汽車組裝線的材料搬運，以及氣體熔接和電弧熔接。

SCARA 機器人 (全名為「選擇順應性關節機械手臂」) 是一種機械手臂，具有兩個平行旋轉關節，可在選定平面內提供順應性。

基本的 SCARA 機器人有三個自由度，其中第三個自由度來自旋轉的末端效應器。SCARA 機器人還可配備額外的旋轉關節，可達到四個自由度，進而完成更複雜的運動。

SCARA 機器人通常用於需要高速度和高準確度的拾放或組裝應用。例如，Dobot 的 M1-PRO 屬於四軸 SCARA 機器人，其最大工作半徑為 400 mm，最大酬載為 1.5 kg，重現性為 ±0.02 mm。這種機器人具有免感測器碰撞偵測和拖放教學式編程能力，相當適合當作協作機器人，也可獨立使用 (圖 5)。

圖 5：重現性為 ±0.02 mm 的四軸 SCARA 機器人。(圖片來源：DigiKey)

結論

所有工業機器人皆符合 ISO 8373 的要求，可透過可重新編程的多用途機械手臂達到自動控制。但是，並非每款設計都有指定拓撲所規定的軸數。有些三角形和笛卡爾機器人的軸數就少於規定的軸數，有些 SCARA 機器人的軸數則超過 IFR 規定的軸數。