什麼是工業機器人？

工業機器人是機器人學的一個分支，專注於設計、建構和部署自動化機器 (機器人)，以便在製造和工業環境中執行各類任務。

工業機器人的設計與程式設計，旨在有效率且可靠地處理各種特定任務、重複性任務和危險任務。現在，目前已部署於多種不同產業中，它們與作業人員協同合作，以最佳化物流作業、改善品質管控流程，並加速生產流程。 

如今，許多產業都使用工業機器人，從大量使用的汽車產業，到先進醫療保健應用領域，以及其他許多產業都是如此。

汽車製造

工業機器人廣泛應用於汽車生產線，它能夠執行精密焊接、塗裝和高速組裝任務。2025 年，估計約有 65％ 的汽車企業正在使用工業機器人。許多大型汽車公司，例如 BMW、Tesla、Toyota 和 Mercedes-Benz，都在許多作業中採用工業機器人。大多數機器人都是關節型機器人 (5 軸或 6 軸)，用於提高製造流程中的精準度和安全性，其額外優勢是能夠在難以觸及的位置焊接，這些位置對作業人員來說無法觸及或風險過高 (因為散發有毒煙霧)。在汽車產業中使用工業機器人有助於降低人力成本，改善安全並加速生產，同時降低製造成本。

醫療保健

工業機器人在醫療保健產業中用於多項任務，包括製藥零件的無菌處理和檢查、開發先進義肢 (外骨骼等)，以及內視鏡機器人手術。機器人手術是工業機器人最先進的領域，使用高度精確的關節型手臂和末端執行器。外科醫生可以使用機器人手臂作為其自身手臂的延伸。目前，每年執行的機器人輔助手術超過 200 萬次，醫療保健機器人的市場，估計到 2030 年可望超過 450 億美元，到 2034 年可能超過 540 億美元。

這些機器人讓經驗豐富的外科醫生 (可能不如年輕時雙手靈巧) 仍能進行長時間的手術。它們也能讓外科醫生進行遠端手術，只要透過衛星通訊獲得良好的 5G 連線，避免手術過程中出現延遲，就能在通常無法獲得先進醫療保健服務的鄉村和偏遠地區，進行更先進的醫療保健流程。許多公司目前正在為醫療保健部門打造工業機器人，包括 Intuitive Surgical Inc、Stryker、Medtronic、Smith & Nephew、Siemens Healthineers 等。

航太國防

機器人在航太產業的使用量與汽車製造不同。由於生產量不如汽車那麼高，機器人在航太製造方面的使用量不多。航太製造商使用工業機器人，主要是在大型機身和其他關鍵元件之間層疊多張複合板。航太產業的工業機器人有助於減少浪費、改善安全，並為更永續的製造做出貢獻。

然而，它們廣泛應用於國防應用領域。國防產業使用工業機器人進行材料處理和危險的探索任務，例如尋找隱藏的地雷和炸彈、水下勘探，以及含有放射性汙染的核作業。工業機器人用於對人類來說風險太高或太危險的環境中。

NASA 和美國國防部，以及 Airbus、Boeing、Lockheed Martin、Northrop Grumman 和 Raytheon 等熱門航太公司，都使用工業機器人。其中許多組織正在所有應用領域，將機器人與先進人工智慧 (AI) 功能搭配使用，使其變得更聰明。

電子製造

工業機器人也廣泛用於各種電子和半導體組裝線。它們被用來執行各種對汙染極為敏感、且需要微米等級精度與高產能的任務。具選擇性順應組裝特性的 SCARA 機器人，以及在基座處以萬向接頭連接三支手臂的 Delta 機器人，廣泛應用於電子製造業，用於晶圓搬運、零組件處理，以及如焊接等組裝作業。

根據工業機器人聯盟的統計，全球電子產業使用約 100 萬部機器人，其中估計有 506,000 部機器人僅用於工業電子元件。工業機器人的使用增加是生產需求增加所致，預計至少到 2030 年，每年將成長 5.6％。亞太地區以 42％ 的市場占有率領先，其次是歐洲 28％，北美地區 23％。

物流

物流產業使用多種協作式機器人 (Cobot) 和移動機器人，以降低成本並提高效率。它們用於自動化倉儲作業，並提供 24 小時全年無休的效率，人類操作人員望塵莫及 (因為人類需要休息)。物流環境中的工業機器人可執行各種自動化取置、分揀、堆棧、物聯網 (IoT) 支援的智慧庫存追蹤，以及倉儲導航作業。在使用物流機器人方面，亞馬遜 (Amazon) 是規模最大也最好的範例，其目前在倉儲中部署了超過 100 萬部機器人。到 2027 年，全球倉儲自動化市場預計將達到 410 億美元。

不同產業針對不同用途，有許多不同類型的工業機器人，也有許多機器人類別可以跨用途使用。以下概述最常見的工業機器人類別。

關節型機器人

關節型機器人是多軸旋轉接頭機器人。它們具有高機動性，以及與人類相似的靈巧能力。這種機器人在汽車製造中非常常見，雖然比簡單的機器人更昂貴，但它們高度可客製化，具有多功能性和適應性，可用於許多用途。

SCARA 機器人

選擇順應性裝配機械手臂 (SCARA) 機器人是簡單的機器人，移動方式主要是水平運動，垂直移動距離有限。儘管功能簡單，但它們在取置操作等平面任務上，表現優於關節型機器人。它們在電子和製藥產業中非常常見，因為它們體積小巧，維護需求極少，並可整合至現有工作流程。

直角坐標型機器人

直角坐標型機器人是簡單的工業機器人，常見於積層製造類應用領域。這些機器人的運動是線性的，並預先定義為直角坐標。它們像 SCARA 機器人一樣便宜且易於使用，但靈活性同樣有限。然而，它們可以輕鬆整合至自動化和協作工作流程。

Delta 並聯式機器人

Delta 並聯式機器人可以透過其三角形的外觀來辨認。它們是工業應用領域中最快的機器人之一，因此通常用於高速取置操作。它們可以長時間保持高速，因此已廣泛應用於包裝、製藥和電子產業。然而，它們比其他機器人更複雜，因為有多個臂和平行連桿，且臂的運動是由固定基座而非末端執行器控制 (稱為逆向運動學)。

圓柱座標型機器人

圓柱座標型機器人與其他機械手臂略有不同。它們有一個主臂，可以上下移動，而不是在軸上移動，並在臂伸展和縮回時產生運動。圓柱座標型機器人使用 3D 座標系統來指定移動的位置，並執行動作。圓柱座標型機器人用於處理應用領域、點焊、鑄造和成型、塗層和表面處理，以及自動化輸送帶操作。

移動工業機器人

移動工業機器人是可以在設施周圍移動的機器人。移動工業機器人主要有兩種類型：引導式和非引導式。

引導式機器人稱為自動化引導式車輛 (AGV)，並沿著設施周圍的固定路徑行駛，這表示它們在任何時間點都不會偏離路徑。亞馬遜倉儲中的許多機器人都是自動化引導式車輛。它們也廣泛應用於半導體製造。

非引導式移動機器人稱為自動移動機器人 (AMR)。這些機器人使用不同的感測器 (例如攝影機、光學雷達、超音波、紅外線、慣性測量單元 (IMU) 感測器) 以及同步定位與地圖構建 (SLAM) 演算法，在沒有引導路徑的情況下，於設施自動導航，避開沿途障礙物 (並在初始路徑遭阻擋時，自動尋找新路徑)。AMR 用於許多應用領域，包括工廠車間、倉儲、安全和監控作業、勘探任務，以及在醫院運輸設備。

協作式機器人 (Cobot)

協作式機器人是一種機器人系統，旨在搭配作業和/或與人類協作，而不會相互碰撞。它們不容易與其他機器人類別區分開來，因為協作式機器人可以是不同類型的機器人。所有固定機器人都可以設計成以協作方式工作，但協作式機器人更為複雜，因為它們需要高精度、安全協定、空間感知和通訊系統才能協同工作。感測器是協作式機器人的重要一環，因為認知和視覺影像辨識是關鍵，能確保在指定工作空間中，機械手臂不會與其他機械手臂或作業人員發生碰撞。這些機器人對工業 5.0 至關重要，並支援機器學習和 AI 的最新發展。

儘管目前已建立許多工業機器人系統，新技術的進步仍持續突破現代機器人可能性的極限。

人形機器人

隨著機器人技術進步，功能性人形機器人的效率也變得更高，而且愈來愈廣為採用。人形機器人像人類一樣，會使用握把、操控器和其他附屬裝置來執行精細的任務。機動和智慧技術的許多進展正應用於人形機器人，但仍存在一些技術瓶頸。

先進的感測器和硬體開發

AMR 和協作式機器人的不斷發展，推動了先進感測器技術的創新。這些機器人需要使用先進感測器、影像辨識和通訊技術的智慧感知能力，才能確保安全。由於機器人現在擁有多個接頭和許多整合式感測器，因此也需要複雜的演算法來處理和分析所有感測器資料，以便採取適當的行動。因此，先進的中央處理器 (CPU) 和圖形處理器 (GPU) 在最新的機器人中變得更加重要。此外，透過 5G/6G 進行無延遲通訊，對於控制機器人 (尤其是會移動或與其他機器人/人類互動的機器人) 也變得愈來愈重要。

軟性機器人

軟性機器人是另一個近年來持續蓬勃發展的領域。軟性機器人不是硬質金屬結構，而是由更精密的軟質材料製成，例如聚合物、彈性體和水膠。軟體機器人可作為人形機器人身上接頭和致動器的一部分，不需要多個馬達就能提供更大的靈活性和範圍，但這些軟材料也可用於構建模仿動物行為的獨立機器人 (通常相當小)。

人工智慧 (AI) 與機器學習 (ML) 整合

在所有機器人領域中，人工智慧/機器學習的整合日益普及，這有助於打造具有先進感知和感應功能的工業機器人。例如，技術進展包括更準確地解讀視覺資料 (結合多個感應器和視覺系統的資料)，以識別物體的形狀和大小來進行取置操作，在自動導航時避開障礙物，或更清楚辨識人類手臂手勢。此外，人工智慧/機器學習也有助於讓各種工業機器人建立人類認知與智慧功能，以進行進階決策並分析「假設」情境。在操作方面，AI 也與機器人的感應器資料搭配使用，以進行預測性維護，減少故障和停機時間，進而提高生產力。

機器人已成為許多製造和倉儲作業的中堅力量。雖然它們有用且有許多優點，但也有缺點。

工業機器人的優點

• 提高許多應用領域的生產力和作業速度
• 提升搬運重型和危險酬載 (例如核廢料) 的能力，以提高工業環境的安全標準
• 用於危險環境，例如建造高風險建築和基礎設施 (如隧道等)，而不用將人命置於險境
• 在智慧製造環境中，可改善決策能力，並移除輸送帶上不需要的物體
• 透過更高的生產力和處理量，隨時間降低成本，並減少浪費

工業機器人的缺點

• 前期成本高，因為許多工業機器人的採購和安裝都需要高昂成本
• 現職員工更擔心職業穩定性，因為採用機器人可能導致不同產業的工作流失
• 機器人複雜性導致出錯時，成本會增加
• 持續增加的後續維護需求，包括軟體與硬體更新，且相關成本可能相當高昂
• 隱私疑慮攀升，因為機器人中裝有嵌入式攝影機、麥克風和感測器
• 當人類與協作式機器人和輔助機器人一起工作時，人類安全的潛在問題趨升

機器人變得更加複雜，因為增加的多個元件都有不同的運作方式，但仍需要協同運作。所以，使用模擬和進階建模可以簡化設計流程，避免不必要且昂貴的原型設計。

模擬可用於機器人設計流程的所有階段。在概念設計階段，設計人員可以探索與幾何、接頭、致動器和感測器相關的可能性，並考量環境限制。在詳細設計階段，在運動學和動力學分析中增加傳真度，有助於深入瞭解設計的振動效能和耐用性。工程師也可以執行多物理模擬，以查看溫度、濕氣或電磁場對工業機器人設計的影響。工業機器人也可以在系統層級和元件層級進行模擬。

以下是一些用於模擬和改善工業機器人設計的 Ansys 解決方案：

Ansys Motion 多體動力學模擬軟體：用於判斷接頭的運動如何影響末端執行器位置，以及不同負載條件如何在關鍵位置產生不同的力和扭矩。

Ansys Maxwell 進階電磁場求解器：用於設計機器人馬達和控制系統。

Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體、Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體、Ansys SIwave 印刷電路板 (PCB) 和封裝電磁模擬軟體：用於提供多重物理量方法，以研究個別元件和系統的實體行為，以及這些系統上的力。

Ansys Twin Builder 基於模擬的數位孿生平台：用於開發系統級模型的數位孿生軟體。

Ansys LS-DYNA 非線性動態結構模擬軟體：用於判斷自身和環境在碰撞後的損壞程度。

Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體：用於設計先進工業機器人中的天線和通訊系統，以及對不同的電磁感應器進行建模。

Ansys Lumerical 光子元件模擬軟體、Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計與分析軟體、Ansys Speos CAD 整合光學與照明模擬軟體：用於設計光學元件和光學感測器 (例如視覺系統)，從產生個別光源到模擬元件、系統和環境層級。

如果您想深入瞭解多物理方法如何協助設計更先進、更安全的工業機器人，請立即聯絡我們的技術團隊。

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