机械手臂
机械手臂（英语：robotic arm）是具有模仿人类手臂SB功能并可完成各种作业的自动控制设备，这种机器人系统有多关节连结并节允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成，并由程式根据作业需求设定其一定的指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器。[1][2]这种自动装置机械以完成“腕部以及手部”的动作为主要诉求，可以由熟练的操作者将作业顺序输入后，就能依样照作并且反复完成无数次的的正确规律运作。[3]
自从机器手臂技术开始发展，在1980年代机器手臂已成功的应用于汽车制造业等产业，在机械人技术领域是应用范围最广泛的自动化机械装置，而许多工业危险之组装、喷漆、焊接、高温铸锻等繁重工作，皆能以机器手臂取代人工作业。[4]目前机械手臂在机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，除了主要用于工业制造上，商业农业、医疗救援、娱乐服务、军事保全甚至在太空探索等领域都可以发现其应用装置。[3]
演进与发展历程
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机器人一词，最早出现在1921年捷克科幻作家卡雷尔·恰佩克的《罗素姆的万能机器人》（Rossum's Universal Robots）一书中，原文是“Robota”[5]。然而，如果要真正的清楚区分的话，非完全人形机器的产业自动化机械还是应该以“机械手臂”（robotical arm）或“机械手”（manipulator）来称呼。在20世纪之前，人们还是以模拟人类的动作将机器人应用在生活或娱乐上面。第一台专门应用于产业生产使用的机械手臂则是由具有“机械手臂之父”之称的约瑟夫·恩格伯格所发明的。他创立了Unimation有限公司，在1956年利用乔治·迪沃尔所授权的专利技术，研发出第一台工业用机械手臂，名为“Unimate”。而这台机械手臂第一次应用则是在美国通用汽车的新新泽西州厂的压铸作业上。其实在这个时期世界各国的机械手臂也正在萌芽发展阶段，例如日本不二输送机工业株式会社（Fuji Yusoki Kogyo Co. Ltd.）就在1963年制造出专门使用在栈板装载（Palletizing）的机械手臂，研发出针对栈板专用的搬运工具，此时已经从简单重复的加工动作更扩大到减轻人力负担的搬运机械上。[6]
这个时期所研发出来的机械手臂多为3个关节轴，而且直到目前为止依然被产业界广泛应用，尤其对于简单的加工、夹持与搬运，成为自动化生产制造必备的好伙伴。然而随着加工方式的多元与复杂化，机械手臂也开始朝着更多关节轴的技术发展，在1973年德国库卡机器人集团（KUKA Robot Group）就研发出第一台采用机电驱动的6轴机械手臂。从此开始随着驱动与控制技术的不断进步，产业用机械手臂也从单点加工，发展到多点同时加工、搬运，这对于生产线的自动化，乃至于整厂自动化的影响都非常大。[6]
种类与原理
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目前产业所使用的机器人大多以机械手臂的型式为主，机械手臂又以各种形状与大小而有所不同，常见的型式有线性手臂、SCARA手臂、关节多轴机械手臂等[7]。从关节构造上，可分为三轴（含）以下（简称三轴）与四轴（含）以上（简称多轴）两大类。之所以要进行分类，是因为这两方面使用的市场、厂商并不冲突。虽然在应用上的原理类似但是两者的技术并不相同，也因为使用者的需求不同自然在功能区隔上就会非常明显[8]。机械手部会根据工作种类附加各式的夹持或加工工具，设计上是模仿人类手部机能为主[3]。
从机械手臂行走运动原理，可分为直角座标型、圆柱座标型、极座标型、关节型座标种类。所谓直角座标就是移动方式与前一臂件分成90度角，计算用X、Y、Z等作为代表座标，在各座标的长度范围内进行工作或运动。 圆柱座标手臂包含有三个关节，主要的结构是环绕基底主体作轴承旋转执行动作，其上方有两个可直线滑动的手臂沿着水平方向运动和仰俯角垂直方向运动控制，另外一各所能涵盖的体积为一圆柱型旋转，所以手臂的端点能扫过两个圆柱间所有点。 极座标有一手臂由另两个旋转轴所支撑，一个是围绕着基座转动，能做线性运动的收入伸出，另一个是由基座绕垂直做出垂直线性的转动。 关节型旋转座标上有三个以上的转动轴，其中一个连杆是装在基座上能绕基座旋转，另两个连杆的运动型态就如同铰链间两工件能做相对的转动，其转动轴在水平和垂直都有。[9][10]
应用与发展
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机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛，因为各个国家产业分布的不同，以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。自从第一台产业用机器人发明以来，机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业，更拓展到农业、医疗、服务业等等。[8]
多轴机械手臂研发方面，多轴式机械手臂广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。机械手臂可以提升产品技术与品质，而这些初期工作大多可以借由机械手臂来完成。机械手臂的精准、零误差，对于产品的品质掌握自然拥有其优势，减少品管所花费的时间与人力。工业应用上，以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测等，全球目前产业使用量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。[8]
现在，ROBOT的应用已越来越多元化，依据国际机器人协会（IFR）的统计，至2007年底机械手臂除了工业以外，最多应用于救援、保全与野地（田野、牧场等），近年来，各先进国家为了提升台机器人的技术水准，都会推广机器人产业与创立相关联盟，并且特别针对工业以外的领域进行推广，例如：医疗、服务、生活方面…等。以医疗为例，有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手臂，结合显微影像显示系统所结合的手术型机器人。机械手臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便利。[8]
参考文献
编辑- ^ INDUSTRIAL ROBOTS AND ROBOT SYSTEM SAFETY. OSHA. 1999-01-20. （原始内容存档于2021-03-24） （英语）.
- ^ Craig R. Carignan. Paper on Space Robotics (PDF). University of Maryland: pg 9. 2002-05-26. （原始内容 (PDF)存档于2017-11-16） （英语）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 和田忠太. 《機械構造解剖圖鑑》. 刘明成 译. 世茂出版. 1999年8月25日: 186–187. ISBN 9575298543 （中文（台湾））.
- ^ 陈永耀. 機器人核心技術-感測與感知. 2009-06-15 [2011-07-11] （中文（台湾））.[永久失效链接]
- ^ 機器人發展簡史. 环球科学. 2007年2月1日. （原始内容存档于2016年11月17日） （中文（台湾））.
- ^ 6.0 6.1 卢世元. 機械手臂揮灑出自動化的願景. MM机械技术杂志. 2009-05-01, 291期: 36–39 [2011-07-11]. ISSN 1029-6298. （原始内容存档于2013-04-27） （中文（台湾））.
- ^ 产业机器人发展之未来趋势[永久失效链接]
- ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 卢世元. 機械手臂揮灑出自動化的願景. MM机械技术杂志. 2009-05-01, 291期: 40–45 [2011-07-11]. ISSN 1029-6298. （原始内容存档于2013-04-27） （中文（台湾））.
- ^ 機械手臂的種類與原理 (PDF). 修平技术学院. [2011-07-11] （中文（台湾））.[永久失效链接]
- ^ 李芳繁、王智立. 农业机械学刊. 1999年9月, 第8卷 (第3期): 2. ISSN 1019-0430 （中文（台湾））. 缺少或
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外部链接
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