協作型機器人之伺服馬達發展趨勢

摘要：未來全球每年至少會有50萬台的工業機器人裝置量，具備人機協作等智慧化功能是主要趨勢。協作型機器人有易於安裝和編程的特點，且由於資通訊技術的進步，很有機會讓其得以大量地被應用到智慧製造的部署中。伺服馬達、減速機、控制器、驅動器都是機器人中的主要零組件，它們都屬於機器人中的動力系統。從發展的歷史與市場的規模來看，工業機器人裡所用的伺服馬達已經是一個技術非常成熟的產品，儘管目前仍不斷在演化與進步，但是基本上都是針對所屬的應用進行技術優化與整合。本文將探討協作型機器人裡的伺服馬達及其發展趨勢：1.馬達資訊可視化。2.直流無刷馬達(Brushless DC Motor)與驅動器的標準化。3.伺服馬達的直接轉矩控制。4.節能化。
Abstract：In the future, there will be at least 500,000 industrial robots being installed every year in the world, and the main trend is to have intelligent functions such as human-machine collaboration. Collaborative robots (Cobots) are easy to install and program, and thanks to advances in information and communication technology (ICT), they can be seamlessly connected and integrated into smart manufacturing deployments. Servo motors, reducers, controllers, and drives are the main components in the robot, and they all belong to the power system in the robot. From the perspective of development history and market size, the servo motor used in industrial robots is already a product with very mature technology. Although it is still evolving and improving, it is basically technical optimization and integration for its application. This article will discuss the servo motors in collaborative robots and their development trends: 1. Visualization of motor information. 2. Standardization of Brushless DC (BLDC) motors and drivers. 3. Direct torque control of AC servo motor. 4. Energy saving.

關鍵詞：協作型機器人、伺服馬達、直接轉矩控制
Keywords：Collaborative robots, Servo motor, Direct torque control

伺服馬達為工業機器人的關鍵零組件
全球製造業運行中的工業機器人總量累積已達3,014,879台，在勞動人力不見得充足的大趨勢下，工業機器人必然是生產自動化中非常重要的一個工具。在智慧製造的發展下我們觀察到，新一代資通訊技術被以模組化的方式導入設備和工業機器人的應用，且機器人將更易於安裝和編程；資通訊技術的進步會讓其得以被應用到製造業的智慧化部署中。
伺服馬達、減速機、控制器、驅動器都是工業機器人中的主要零組件，它們都屬於機器人中的動力系統。從發展的歷史與市場的規模來看，工業機器人裡所用的伺服馬達已經是一個技術非常成熟的產品，儘管目前仍不斷在演化與進步，但是基本上都是針對所屬的技術進行優化發展與整合，硬體的核心結構變化不大。歐日品牌工業機器人強調伺服控制技術，普遍具有精度高、速度高、穩定性佳等特點。由控制器、驅動器、伺服馬達所組成的動力系統，Panasonic、YASKAWA、MITSUBISHI、SIEMENS、Bosch Rexroth、Schneider等都是目前的主要供應商 ，而像YASKAWA、FANUC、ABB本身亦自產自家品牌機器人所使用的伺服馬達。目前工業機器人裡的伺服馬達主要有交流、直流、步進等型式，它們具有啟動轉矩慣量比大、調速範圍寬、軸向尺寸短、頻繁的正反向和加減速運行、短時過載能力等特性。目前全球約有70%的工業機器人(機械手臂)使用交流伺服的驅控技術，相較於交流伺服馬達，直流伺服馬達結構較簡單，控制較容易，但是需要做更換碳刷的維護。
工業機器人所使用的馬達以伺服馬達為主，機器人的馬達並不以高轉速為主要作業需求，而是以頻繁的加減速、正反向加減速且達到高精度的定位控制為最主要的運作訴求。六軸機械手臂的每一軸會安裝減速機使得手臂的負載強化。所以馬達本身的扭力，須配合減速機加以換算才能獲得實際的軸數扭力。從目前市面上的馬達功率來看，大約有幾個馬達的功率種類:中等轉動慣量、小功率的型號50W、100W、200W、400W、750W。低轉動慣量、小功率的馬達50W、100W、150W、200W、400W、550W、750W。中等轉動慣量、中等功率的有300W、450W、850W、1300W、1800W、2900W、4400W。轉動慣量高，在驅動較大負載時較不容易造成馬達過熱，但是馬達加減速較慢；轉動慣量低表示低負載時可以輕易達到較高的旋轉速度。
在馬達磁場分析的研究、馬達驅動器、馬達變頻器之中所需要的功率電晶體、馬達特殊鋼的來源、馬達所需要的矽鋼片或永磁材料的多年發展下，日本業者已掌握高效率馬達的生產。以YASKAWA(安川電機)的工業機器人來說，其伺服馬達所使用的編碼器解析度早已達到20bit/rev(絕對型與增量型編碼器均有)。換句話說每旋轉一圈，可以獲得1,048,576個位置訊號，旋轉解析度大約在百萬分之一圈的等級，速度積分定位之最小時間解析間隔為4ms。安川電機公司在馬達的研發上超過100年的歷史，目前擁有變頻器、伺服馬達、控制器、機器人等機電一體化產品，是全球銷售量最大的伺服電機品牌。從一般工業用機械到半導體、電子製造設備，安川電機都有對應的伺服、控制器產品。他們在台灣的機器人布局，除了在汽車製造業、機械金屬加工業外，半導體業亦是其長年耕耘的領域。安川電機公司的機器人在台灣的裝置量每年約有千台，目前累積在台灣的面板製造業的機器人已超過5,000台，半導體產業的機器人超過4,000台。SEMISTAR是安川半導體用機器人(Wafer Handling Robots)之型號統稱，屬Class1等級；半導體晶片搬運用機器人「SEMISTAR-GEKKO MD124D」，是使用DD馬達(Direct Drive Motor，直驅馬達)驅動，無減速機、走行軸，號稱可以達到零震動，精密無刮痕的夾取。
協作型機器人的全球市場規模逐年看增
全球工業機器人的裝置量累積已突破300萬台，再往10年後來看，到了2030年可能累積至少達600萬台以上，從現在開始，每年平均會有50萬台的工業機器人被裝置，這其中有大多數的機器人將具備人機協作、自我診斷、機對機學習(Peer-Learning)、自主認知(Autonomous Cognition)等智慧化功能。機器人是生產自動化中非常重要的一個工具，過去20年，工業機器人的功能和普及度不斷提昇，執行精度高，程式編寫更容易，體積愈來愈小，不僅可快速學會人們所賦予的指令，人們也能安全地操作。除了安全性外，產品和技術的主要發展還包括小型化、觸覺、視覺、力回饋。工業機器人製造商也已意識到除了汽車與電機電子產業的機器人應用，機器人應該要被擴展至更多的領域使用。不過今天所有的全球工業機器人製造商都清楚且明白，即使人力短缺嚴重加上招募勞工困難，也絕不可能一夜之間全部以工業機器人取而代之現有的生產製程；因此逐步地導入機器人，讓機器人置身於勞工中，與人類員工合作，是目前機器人產業的發展趨勢之一，人機協作應運而生。圖1是協作型機器人的全球裝置量統計，另以全球市場規模來看，全球協作型機器人的市場規模在2021年約為7億美元，其中龍頭廠商UR(Universal Robots)的營收達3.11億美元(約86.4億元新台幣)，較2020年成長41%，比起2019年疫情前的業績更是提升了23%。在人類與機器人協同作業日益普及的趨勢下，市場規模可望逐年成長，預估在2027年將達45億美元，如圖2所示。

圖1協作型機器人與傳統型工業機器人的累積裝置量統計(全球)  
資料來源：IFR[1]，工研院產科國際所[2]