3-2 生成複雜3D曲面路徑給機械手臂

控制手臂的動作，最常見的是用教導器（teaching pendant）操作手臂到目標位置後，把這個位置跟姿態記錄下來，之後在手臂的程式裡就可以運用這個點位資料。

然而若是要做複雜的動作，例如本公司專門做3D複雜曲面的研磨拋光，可能需要成千上萬的點，不但數量多，要求的精準度也高，這個時候就不能用教導器一個一個教。

跟CNC加工一樣，手臂的路徑控制也有專門的CAM軟體，將工件的3D檔案輸入，給定規劃路徑的條件，程式就會將所有點位計算出來。所以手臂其實也可以做類似CNC銑削的工作，但其效果跟CNC相去甚遠，有機會再詳細說明。

跟CNC的CAM軟體不同的是，手臂如果是執行研磨拋光之類的工作，則不會有進給、切深等等條件，對軟體來說手臂就是在工件的最終外型上「摸」一遍而已，至於有無接觸到工件、切削量多少，一概不知道。另外手臂的CAM軟體還可能有一種特殊的模式，即「手臂拿著工件」對固定的切削工具加工，這是傳統CNC不會有的情況。拜軟體所賜，我們終於能用手臂做真正複雜精密的工作，研磨拋光這種極度仰賴人力的3K工作也才有機會用機械手臂來取代。

2-4 研磨材料與基材型式

除了上一篇所說的研磨輪之外，研磨材料與基材型式千變萬化，甚至客製化製作的大有人在，我們在這裡列舉幾種常見的基材型式。

End brush 端面刷的材料有金屬的、膠類、動物毛等等，可以用在快掉下來的毛邊，或是工件曲線的除毛邊，不論是碳鋼、鈦、鋁等等等。	Wheel brush 輪刷功用大致如同端面刷一樣，但因為切削力的方向在輪外緣，所以不適合在大平面的研磨，易造成不均勻的刮痕。
Bristle disc Bristle disc是3M出的特別工具針對於平面的研磨有十分有效的結果，在其膠條上coating的研磨料，讓研磨更有效率。	Radial bristle disc 相對於Bristle Disc，俗稱小炫風的radial bristle disc常用於小模型的去毛邊及研磨。尤其金工師傅最愛用。
Flap disc 砂紙盤是一般金屬工廠必備工具之一，其將砂紙疊成一圈，可做「面」的研磨拋光。	Flap Wheel 不同於左邊的砂紙盤，有將砂紙做成如太陽光一樣，徑向向外的，理論上應該更有彈性，但通常這種基材質都太硬了。

2-3 研磨輪與磨粒

節錄from Booster@Booster Machine

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本文內容摘要如下：

1. 先介紹磨輪加工
2. 其中砂輪的構成與規格

1. 磨粒種類與特性（Abrasive Type）
2. 粒度（Grade）
3. 結合度（Grade）
4. 組織密度（Structure）
5. 結合劑（Bond）

3. 結論

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1. 磨輪加工介紹

[磨床示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

磨削加工使用轉動的砂輪，依照磨床Z軸高度設定，以固定切深的方式去除材料。因為固定切深的方式依賴機台的行走精度，所以磨削無法超越母性原理得到比機台更高的精度。但相較車削、銑削，一般而言仍具有較高的精度。磨削在磨粒加工當中具有較高的材料移除率，能迅速去除材料至目標尺寸。(註：使用沒有XYZ三軸的砂輪，施加力量讓工件倚靠在其上磨除材料，不固定切深，依然稱為grinding，但與此處嚴謹的定義並不相同。)

[磨削示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

磨削可以用砂輪圓周面或端面加工，配合工件移動/轉動、研磨內徑/外徑，有多種變化。

[各種磨削方式示意圖] 圖片來源-台大傳統與非傳統製造實驗室課程網頁

2. 砂輪的構成與規格

砂輪是利用結合劑將磨粒黏結形成輪狀，可能全部由磨粒與結合劑構成，也可能中心部由金屬構成，僅外圈具研磨功能。下圖是傳統磨料砂輪的規格，主要項目有磨粒種類(abrasive type)、粒度(grain)、結合度(grade)、組織密度(structure)、結合劑(bond type)等。

1-7 機械手臂常用周邊模組

機械手臂買來必定有應用的工作，所以通常會搭配所需的應用，整合周邊的模組來使用。本文就常見的模組來進行介紹。

一、夾爪 Gripper

首先最常見的，就是夾爪了，手臂不論是上下料，還是拿取工件，總需要夾子來拿東西，所以夾爪就是最常見的模組了。其型式分類的方式包括：

1. 二指式 / 三指式
2. 平行夾爪 / 張角夾爪
3. 氣動 / 電動

而電動夾爪中，有的是裝有Load Cell來做力量伺服控制，讓夾取的力量可以做精密的控制，甚至可以做加速度、速度的控制。例如台灣上銀就有提供電動夾爪。

http://www.hiwin.tw/download/tech_doc/robot/Electric_Gripper_DM-(C).pdf

當然還有其它很特別的，例如內撐式(撐孔用)、針狀機械夾爪、O型環裝配用、吸盤(專門吸取光滑平面的東西)、牙插(片形or 半導體產業用得比較多)、電磁鐵/磁性機械夾爪，這些我們都歸類至夾取配件中。若想看更多東西，可以上各廠商的網站查看，例如德國的SCHUNK、Zimmer、日本的SMC、KOSMEK、台灣的RGK、金器等等。

二、 快換模組 automatic tool changer (ATC)

機械手臂在應用時，有時不只需要一個夾爪或是一組工具而已，可能需要好幾組工具交替使用，就像CNC的刀庫一樣，需一個模組來協助不斷換置工具，這種東西我們就稱之為ATC。

1. 其除了手動快換之外，可分為電動式的，以及氣壓式的。
2. 選擇上，在手臂上的主側為一個，而工具側則看使用需求決定數量。
3. 另可決定傳欲傳輸的氣、電線有幾個port？斷氣保諏機制有否等等。

三、 旋轉模組

雖然我們說六軸的機械手臂空間運用性很大，但實務上我們還是不會讓機械手臂亂繞，如果能夠加上一個旋轉軸就可讓工作變得更輕鬆，那將會變得很值得的投資。另一方面，不管怎麼繞，手臂可能也會有死角的方式，無法加工到，所以旋轉模組在此時也會運用得到。在這裡我們先把旋轉模組分成兩種不同類型。

1. 裝在機械手臂上的：轉位模組、夾爪旋轉元件、無限迴轉模組
2. 放在手臂之外的：分度盤、旋轉缸

      

1-6 並聯式機器手臂簡介 Delta Robot

1. 簡介

Delta Robot (三角)機器人是一種並聯機器人。

它在基座上有三個馬達，用萬向接頭接到移動台上。

其關鍵在於移動臂在機構上的設計，會保持上述移動台的水平方向。

與此相反，Stewart平台可以改變其端部移動平台的方向。

Delta的優點在於其平行連桿機構，有較大的工作範圍與高速能力， 並具備穩定的運動性能、最短的週期時間與高準確度。適用於從事精密取放作業、組裝、整列與包裝。

2. 歷史

1980年代，洛桑聯邦理工學院的教授Reymond Clavel領導的團隊發明了Delta Robot，目標是要以高速去操控小物體。

1987年，瑞士公司Demaurex購買的三角洲機器人專利，並開始生產Delta Robot應用在作業。
1991年，Reymond Clavel提出了他的博士論文"設計擁有4個自由度的快速平行機器人"，並獲
1999年，ABB開始銷售Delta Robot，名為"FlexPicker"。
1999年底，Sigpack Systems也開始出售Delta Robot
2009年，FANUC也發佈Delta Robot，M-1iA系列機器人

3. 設計說明

如同前面所說的，Delta Robot因為連桿設計的關係，可以看作為一個四連桿機構。而三組連桿機構，就限制了端點移動平台的運動。也就是說端點平台只有在X、Y、Z方向移動，而沒 有旋轉。

其馬達、減速機都安裝機座上，連桿臂可以由一些極輕的材料製作，其結果會使Delta機器人移動部分有較小的慣量，允許非常高的速度和加減速，但又因為三組連桿組，所以端點的移動平台剛性依然有一定水準，而且整體機構的體積減少。

 

1-5 Harmonic vs Cycloidal drive 的比較

對於一隻商用的機械手臂來說，因為空間上的限制，再加上需要高減速比的要求下，市場上的機械手臂商多是使用以下兩種減速機：
(1) Harmonic drive (諧和減速機，亦或稱簡諧減速機)
(2) Cycloidal drive (擺線式減速機)
本文將略為介紹這兩種減速的內容。

Harmonic drive諧和減速機

諧和減速機是一種靠金屬彈性變形傳遞力量的一種減速機構，其原始的概念Strain wave gearing在1957年被當時在USM當研究顧問的C.W. Musser以專利發表出來之後，就逐漸發展成現在的諧和減速機。而Harmonic Drive也是Harmonic Drive company的商標。

相較於傳統的斜齒輪、行星齒輪，它帶來許多其它類型減速無法做到的優點。其中的優點如下：(1)無背隙；(2)緊湊且輕量；(3)高減速比；(4)在標準外殼內易重新設計減速比；(5)很好的解析度與重覆精度；(6)高容許扭力；(7)同軸輸出和輸入；(8)小空間中達較高的減速比 (在一樣的空間下，該類型傳動機構減速比可達320:1，而行星齒輪只能達到10:1的減速比。) 其缺點則是在因為輸入慣量大，以至低扭力的區域容易停下來。

基本諧和減速機的機構由三個部分組成：

(1) Wave Generator波產生器(輸入)
(2) Flex Spline柔輪(輸出)
(3) Circular Spline外環輪(固定)

  

由左至右依序為(1) Wave Generator；(2) Flex Spline；(3) Circular Spline

1-4 六軸機械手臂的奇異點

本文節錄from Jason Chiou @Booster Machin

------------------------------------------------------------- 六軸機械手臂由六組不同位置的馬達驅動，每個馬達都能提供繞一軸向的旋轉運動，其位置可參照下圖。從自由度(Degree of Freedom)的概念來看，六軸機械手臂已經滿足三維空間中的六個自由度，理論上其末端End-Effector可以到達空間中任何位置及角度，但為什麼有時候機械手臂仍然會卡住呢？這是因為六軸機械手臂存在著一些奇異點(Singularity)。

Figure: 6-Axis Robot

當機械手臂進行直線運動模式(Linear Mode)，系統並未事先計算好過程中的手臂姿態(Configuration)，倘若在運動過程中遇到奇異點，會造成機械手臂卡住或跳錯誤，使人相當頭痛。

機械手臂的奇異點，依發生的原因可概括為兩大類：

1. 內部馬達可運作範圍的極限位置：
2. 根據不同型號的機械手臂中使用之馬達，會有不同的運作範圍限制，也就是工作空間(Workspace)的概念，本文不加以贅述。
3. 數學模型上的錯誤：
4. 也是本文要介紹的重點，如同其他數學上的奇異點，它發生於「無限」的情況下，例如：任何一個除以零的數；即便「無限」在數學的觀點中已經是個習以為常的概念，但在現實的物理世界中是無法達成的。

簡單來說，也就是在逆運動學的反向計算中，得到「小位移，大旋轉」的結果。在手臂末端接近奇異點時，微小的位移變化量就會導致某些軸的角度產生劇烈變化，產生近似無限大的角速度，而這在現實世界中是不可能的。可參考以下影片：

https://www.youtube.com/watch?v=Q2b7r9kYjIo

在此給奇異點一個簡單的解釋，即當機械手臂的其中兩個以上的軸共線時，會導致機械手臂發生無法預期的運動狀態。

常見的奇異點發生時機

由於奇異點與機械手臂的姿態相關，並不是一個給定的位置，所以要列出所有的奇異點是有難度的，不過在此依照奇異點發生的狀況不同，將六軸機械手臂的奇異點分為三個種類：

1.Wrist Singularity (腕關節奇異點)：

當第4軸與第6軸共線，會造成系統嘗試著將第4軸與第6軸瞬間旋轉180度。

Figure: Wrist Singularity

1-3 機械手臂之選用

機械手臂是具有模仿人類手臂功能並可完成各種作業的自動控制設備，這種機器人系統有多關節連結並節允許在平面或三度空間進行運動或使用線性位移移動。構造上由(1)機械主體、(2)伺服馬達、(3)各式搭配感應器、(4)控制器所組成，且寫程式以控制機械手臂的動作，並在前端加裝各式應用項目，例如夾爪、焊槍、點膠槍、研磨工具等等，以反覆完成設定的動作。

有關於機械手臂本身更多詳細的知識，網路上已有許多相關的課程與教材，本文將就一個應用端的角度來看待如何挑選一隻適合工作的機械手臂。

首先第一個問題是：你需要機械手臂嗎？

就工業自動化的角度而己，在一樣效果的標準之下，最低成本的方案，通常就是客戶的最佳方案。所以如果只有平面的料件移載，那我們會建議你選擇一個XY平台，外加一個上下移動的氣缸或步進馬達來夾取東西。換句話說，第一關就是你所需要自由度若只有4軸以下，那選擇簡單的XYZ平台，外加1、2軸來使用是比較好的方案。反過來說，若您所需要的動作在3D空間裡十分複雜，那您就比較適合使用六軸機械手臂來做。

但是在市場上叫機械手臂的，不一定都是六軸機械手臂，常見的型式如下：

(1) 六軸機械手臂

(2) 連桿式機械手臂DELTA Robot (三軸~五軸都有)

(3) 水平多關節四軸SCARA

(4)  XYZ三軸機械手

(上圖為ABB 連桿式機械手臂)

因此依照不同的型式，第二個問題就是：那一種型式的機械手臂適合您？

六軸機械手臂的應用最為廣泛，各類金屬加工、搬運、組裝、焊接、點膠、研磨等等都可使用，而敝司布斯特機械的特長就是在於整合機械手臂於研磨加工，這是十分適合使用機械手臂工作的製程。而SCARA則常用在電子產業重量較輕的電子元件移載。Delta Robot則常用於包裝、食品等需要快速移動的動作需要，主要是因為它的慣量小，移動速度快。而XYZ三軸則常用於射出機的取料以及各式自動化設備的移載，型式簡單，成本低廉。

1-1 工業機器人歷史 History of Industrial Robots

工業機器人發展的歷史許久，最早可以追朔至1956年，美國發明家喬治·德沃爾（George Devol）和物理學家約瑟·英格柏格（Joe Engelberger）成立了一家名為Unimation的公司，利用磁鼓記錄程式來控制機構，採用液壓執行驅動。直到1961年，Unimation公司發明了世界上第一台工業機器人，命名為Unimate，並且應用在美國新澤西的通用汽車公司安裝運行。用於生產汽車的門、車窗把柄、換檔旋鈕、燈具固定架，以及汽車內部的其他硬體等。

1967年，一台Unimate機器人安裝運行于瑞典的Metallverken,Uppsland Väsby，這是在歐洲安裝運行的第一台工業機器人。

1969年，Unimation公司的工業機器人進入日本市場。Unimation公司與日本川崎重工（Kawasaki Heavy Industries）簽訂授權合約，生產Unimate機器人專供亞洲市場銷售。川崎重工公司開發了Kawasaki -Unimate2000機器人，這是日本生產的第一台工業機器人。同年，包括了通用汽車內的「點焊機器人」、挪威的「噴漆機器人」都開發出來，都是各領域第一次應用。

1973年，第一台機電驅動的6軸機器人面世。德國庫卡公司（KUKA）將其使用的Unimate機器人研發改造成其第一台產業機器人，命名為Famulus，這是世界上第一台機電驅動的6軸機器人。

1974年，瑞典通用電機公司（ASEA，ABB公司的前身）開發出世界上第一台全電力驅動、由微處理器控制的工業機器人IRB 6。IRB 6主要應用於工件的取放和物料的搬運。

Automation CAD Seminar (14) -- 機械手臂應用：機械手臂框圈裝配線

在裝配線上放了兩隻Yaskawa的機械手臂，進行組裝。

首先看一下手臂前端的設計，看來常規都是使用Parallel Gripper，

像下圖中使用PHD GRW 13來控制夾爪。

利用第六軸的旋轉，可以進行置換

Automation CAD Seminar (13) -- 機械手臂應用：警報器自動組裝站

今天要介紹的是利用機械手臂組裝警報器的設備。

整個設備如上圖，最外桿有框架，其次

(1) 兩側有送料斗，用振動的方式把其中的料件送到中間

(2) 有一台ABB的機械手臂，用來取料放料組裝

(3) 有一個組裝平台

(4) 有兩組輸送帶，推估是一個送料進來，一個送料出去的

(5) 最後還有一組控制器 (不過為何ABB要放Fanuc的控制器，應該只是作者放示意的而已)

拿掉框架，再仔細看一下整體Layout，可以看到剛剛說的 (2)~(5)的東西

仔細看各部分，手臂的部分是ABB IRB120，蠻小隻的，負重只有3公斤，

移動範圍約0.58公尺，主要用在組裝、上下料、包裝點膠之類的工作。

前端的部分，則是有三組導桿氣缸(SMC CXSM10-40)，外加外撐夾爪氣缸(型號為SMC的MHS3-25D 3-Finger)可以抓料件。

Automation CAD Seminar (12) -- 機械手臂應用：汽車鈑金焊接島

今天要介紹的是汽車鈑金焊接設備，主要的架構是有一台ABB的機械手臂 IRB6620，配合一個旋轉座，座上帶有夾治具，可以夾持汽車保險桿的鈑金，以利進行焊接。

首先看到是IRB6620，其負重可達150kg，移動範圍約2.2公尺，防護等級可達IP67，位置重複精度為0.03mm，幾乎是所有的用途都可以適用。

其次看到他端點上的工具，是點焊機的頭，有兩個產生電弧的尖點。不過我沒有找到可以驅動開啟的氣缸或馬達，也許是直接靠上接觸的，不過有待求證。

再來就是要看到被焊接的東西，是下圖中紅色與綠色的東西，經由點焊機焊在一起。

 

當然這個夾治具需要有定位孔的，以方式操作人員放入與對準。

而焊接的時候，機械手臂可以進行各種不同角度的焊接，

對於產量中等但又需要彈性製作的工作，機械手臂是很好的選擇。

 

 最後，在下方有一個旋轉盤，當手臂在工作時，

操作人員可以放置另一組鈑金，預備做為下一盤的工作。

焊接是份危險的工作，所以在汽車的焊接領域中，已經有十足成熟的系統可供參考。