機械手臂原理是什麼？5大機械手臂類型分析、運作原理介紹！

隨著科技不斷發展，工廠自動化已經成為現代製造業中不可或缺的一部分。為了提高生產效率、降低成本並確保生產過程的精密性，越來越多的企業紛紛考慮引入機械手臂，協助工廠運作。在購入機械手臂之前，可以先了解機械手臂的原理和運作方式，確保企業選擇到合適的機械手臂，以滿足具體的生產需求。本文將探討機械手臂原理，幫助你更好理解這項技術，為自動化工廠做好準備！
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機械手臂的種類與原理

機械手臂又稱為Robotic arm，具有類似於人類手臂的外型與功能，結構上由控制器、機械主體、感應器、伺服機構（Servomechanism）所組成，可以在平面或3D空間進行各種運動。機械手臂的形狀和大小因應不同需求而有所不同，根據機械手臂的運動原理，大致上可分為5大種類：門型手、SCARA、青蛙腿、一般型、Delta蜘蛛型，下方將會一一介紹這些常見機械手臂的運作原理。
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1. 門型手（直角座標型）

門型手又稱為「直角坐標型」，直角座標是機械手臂設備的移動方式，每個移動方向都與前一個臂件形成90度的角度，這種系統通常使用X、Y、Z等坐標來代表移動的方向，並在每個坐標的範圍內執行工作或運動。
 

機械手臂原理

門型手主要由2至3軸的馬達數量所組成，機械手臂的運動路徑或框架大多使用「鋁擠型合金航空框架」來搭建，而機械手臂的精度通常取決於架台的結構強度。相比可高度負荷載重的6軸機械手，門型手主要負責負荷較輕的工件重量。目前用於射出機產業居多，適用於直線運動的自動化生產，像是插拔、搬運、執行上下料應用，以及單調直線運動等動作。
 

門型手的優勢

門型手是自動化系統中相當常見的應用機種，具有定位精準高、可快速換料的優勢，主要應用在CNC車床的金屬加工上。此外，門型機械手的工作範圍可以設計成很大的空間，架台剛性也相對強壯。只要搭配特製料艙，就能實現自動化的應用，即使預算有限也能夠享受自動化的好處，是一個經濟實惠的解決方案！
 

門型手的劣勢

由於門型手的機械手臂原理與關節軸技術較為簡易，馬達數量只有2～3軸，相比更多關節軸的6軸機械手，門型手只適合處理輕型的工件，難以同時處理多個工件，因此在應用上會比較受限。另外，門型手基於結構的設計，難以全面防護內部機械部件免受損害或受到液體侵蝕，不太適合在充滿液體等惡劣環境下生產運作。
 

2. SCARA（圓柱座標型）

SCARA機械手臂是一種特殊類型的機械手臂，這種水平多關節機械手臂有一個特別的特性，手臂在Z軸具有剛性且而不易變形的性質，在X、Y方向上卻可以靈活彎曲！這使得SCARA非常適合處理平面上的工作，特別是在XY平面上有許多洞或特殊形狀的工件。
 

機械手臂原理

根據SCARA平行軸結構的機械手臂原理，手臂在X、Y方向具有靈活速度快和順應性（Compliant）的特性，但在Z軸方向卻具有剛性的優勢，可在圓形的工作範圍內進行更為彈性的自動化生產。大部份的SCARA的機械手臂原理都是串聯式架構，也就是第一顆馬達會承擔另外二顆的馬達，以及相關機構設備的重量，因此佔地面積比較小，可以更簡單且無阻礙的方式快速安裝，特別適合應用於狹小空間內的自動化，像是電子廠跟小型零件組裝工廠。
 

SCARA的優勢

SCARA可以在一個平面上進行彈性的運動，大大減少了不必要的運動軌跡，因此速度性能比門型手還快。另外，因SCARA的特殊結構讓每一個關節都可以被封閉，這意味著它很容易設計成防水型的機械手臂，即使在高溫或受到液體污染的環境中工作也不易損壞。
 

SCARA的劣勢

SCARA的有效載荷能力較為有限，在處理大型或重型物體時的表現可能不如其他機械手臂，因此更適合處理較小的物體。此外，SCARA通常比傳統的機器手臂還要貴，也需要特殊的控制軟體進行操作。
 

3. 青蛙腿（極座標型）

極座標型（Polar）的機械手臂原理與結構類似於青蛙的腿部排列，因此經常被稱為「青蛙腿」，其原理基於極座標系統。在數學的曲線計算中，極坐標方程式的表達形式最為簡單，因此具備計算簡單和程式設計方便的特性。
 

機械手臂原理

此機械手臂能進行收入與伸出的線性運動，並由兩個旋轉軸所支撐，一個是環繞基座轉動，另一個則是環繞由基座畫出來的垂直線的軸轉動。藉由這種前後左右移動的線性運動和水平搬運移載，適合應用在面板廠、電視液晶螢幕、半導體、科技等自動化生產。
 

青蛙腿的優勢

青蛙腿具有簡單的計算和編程特性，這使得它在自動化和機械控制中非常容易使用！工程師和機台操作員可以輕鬆地編寫複雜的動作和操作序列，可以實現從生產到組裝的各種任務。此外，青蛙腿能在爐子等高溫環境中進行直線插入的操作，適合進行焊接、拾取與放置工作、組裝作業等。
 

青蛙腿的劣勢

青蛙腿需要相對較大的運作空間，在狹小的工作環境中難以發揮其功能。其次，青蛙腿的導向表面暴露在外，如果想在腐蝕性或多塵的環境中應用，就需要進行額外的保護措施，否則機身容易受到損害。
 

4. 一般型（關節型座標）

一般型機械手臂，又稱為「關節型座標機械手臂」，這是一種常見且多用途的機械手臂，可以串聯和多個專用工具機，並跨接協調不同的機械加工程序，能夠執行各種複雜的任務，適用於各種不同的工業和製造應用。
 

機械手臂原理

這種基於「關節型旋轉座標」的機械手臂原理，具有三個或更多的轉動軸。其中一個連桿可以固定在基座上，並繞著基座旋轉，就如同人類手臂的肩膀關節；另外兩個連桿之間的運動方式就像門上的鉸鏈，這兩個連桿可以在水平和垂直方向上進行轉動。這種結構的好處是可以實現複雜的運動，在不同的方向和平面上都能進行操作，這對於處理各種工作任務的應用上非常有用。
 

一般型的優勢

一般型從「微型機械手臂」到「重載型機械手臂」都有可以對應的機械手臂型號，只要透過軌道就能夠靈活運動，不像傳統機械手臂需要定點式運作，具有多樣化的性能表現，可以進行拿取、搬運重物、工件取料、換料、入料等作業，因此可應用的產業相當廣泛，像是半導體、科技、面板、加工、製造、食品、汽車、服務等。
 

一般型的劣勢

一般型的運動半徑越大，所承載的強度就越強，為了確保整體機械結構的穩定性，整體造價也會相對高昂。此外，這類型的機械手臂的佔地空間通常較大，需要在工作範圍內做好安全隔離，不適合在狹小空間內運作或直線運動的應用上。
 

5. Delta蜘蛛型

大部分的機械手臂都是工業用，主要用在工業現場設備組裝，而Delta機器人為仿生式的「蜘蛛型機械結構」，可大量應用在食品加工業領域，讓自動化生產不再局限於工業用途！
 

機械手臂原理

Delta蜘蛛型屬於「關節連結機器人」，它的結構設計不同於其他的機械手臂原理，並沒有模擬人類的手部機能，而是將多個機械手臂連接到同一個支撐的控制點，就如同蜘蛛的生理結構，在平行移動上更能實現快速運動的效果。食品加工業不同於其他重工業，不太需要Z軸的上下移動運動，反而更需要平行移動的生產流程，因此以「快速平行移動」為特色的Delta蜘蛛型，被廣泛應用在食品加工領域當中。
 

蜘蛛型的優勢

蜘蛛型機械手臂能夠全程避免人工接觸食物，大幅降低了食品安全問題，這種自動化過程可以減少人為的交叉污染風險。另一個優勢是，蜘蛛型通常使用「無毒性食品級潤滑油」，可以確保機械部件的運動順暢，同時不會對食品質量造成危害，有效提高食品加工過程的衛生標準。
 

蜘蛛型的劣勢

相對於傳統工業領域的自動化設備，蜘蛛型更講求細節和特定要求，不能使用會產生氧化現象的金屬零件，必須使用安全無虞的材料，像是不銹鋼等材質，這可能會增加成本和複雜性。另外，蜘蛛型的整體構造並不適合負重工作，因為當初設計的機械手臂原理，主要用於抓取特定類型的物品，或需要使用夾爪、吸盤的生產用途，並不適合處理重型物品的搬移工作。
 

5種機械手臂原理比較表

 

知道機械手臂原理，就能自行製作機械手臂？

了解機械手臂原理是製作機械手臂的重要步驟，不過，只懂得原理並不足以自行製作一個實用的機械手臂。下方將會詳細說明為什麼自行製作機械手臂，不但需要花費企業的大量時間，整體成本也可能不會比較低！
 

一、專業知識需求

機械手臂的製作是一項高度複雜的工程，涵蓋了許多學科的專業知識，包括機械工程、電子工程、控制系統和程式設計等。如果你本身未具備這些專業知識，就需要投入大量的時間和精力來學習和掌握這些技能，以應對機械手臂的開發挑戰。當然，你也可以考慮聘請具有相關專業知識和技能的專業人員，更能確保你的機械手臂製作能夠順利進行！
 

二、材料和製造成本

製作機械手臂需要採用高品質的材料，像是高強度的金屬、精密的齒輪和高性能的伺服馬達。這些材料通常相對昂貴，並需要經過特殊的製造和加工過程。如果你打算自行製作機械手臂，就必須考慮這些製造成本，以及材料採購、加工設備、人工成本、製作機械手臂的時間成本等。
 

三、軟件開發與測試

機械手臂原理的設計是一個相當複雜的工程，需考慮多個關鍵因素，包括機械結構的設計、控制系統的規劃，以及安全性等方面的問題。製作完成後，也需要進行詳細的測試和校準，以確保機械手臂能夠正確運作。此外，為了滿足特定應用需求，機械手臂的控制軟件也需要根據實際情況進行開發和調試，這涉及到程式設計和算法開發，需具備跨學科的能力和團隊合作，以確保最終產品的性能和安全性。
 

四、安全和合規性

機械手臂必須符合相關的安全標準和法規要求，以確保人員在操作過程中的安全，這牽涉到機台工作人員是否具備基本的操作教育訓練，以及定期的機械手臂維修與保養。專業的機械手臂公司通常會提供完整的售後服務，像是異常代碼技術支援、職訓局課程等服務，以確保機械手臂能夠持續保持最佳效能和安全運行狀態，這也是投資機械手臂的一個重要考慮因素！
 

結論

自行製作機械手臂需要豐富的知識、專業技能、時間和資金。對於大多數人來說，購買現成的機械手臂或與專業團隊合作可能更加實際和經濟！想要透過機械手臂實現自動化工廠嗎？飛那達是您的最佳選擇，歡迎與我們聯繫了解更多！
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