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工業機器人手臂：應用與發展Collaborator ： Junior 新趨勢報告

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結論發展現況 :工業機器人成長動能，主要伴隨著汽車、電子產業成長。亞洲區仍為工業機器人消費大國，尤其中國。應用及挑戰 :隨消費端的需求更多樣與工業機器人產業滲透率提高，小型機器人、客製化機器人崛起以符合產業需求。「智慧製造」為工業機器人下一個挑戰，如何加強軟硬體整合及人力共同協存是工業機器人未來發展課題。

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機器人手臂簡介及其產業鏈1

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機械手臂定義

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機械手臂（英語： robotic arm ）具模仿人類手臂功能，完成各種作業自動控制設備，使人類生活更便利。• 特色：多關節連結，並且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：機械主體、控制器、伺服機構和感應器所組成，並由程式根據作業需求設定其一定的指定動作。可以簡單

地 想像和人類一樣，依照接收、判斷，然後動作的過程運行。第一台工業手臂， Unimate ，用於美國通用汽車的新紐澤西州廠的壓鑄作業。 現今：達文西醫療機械手臂

資料來源： Sutori 、馬偕紀念醫院

機械手臂分類 - 關節

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根據不同關節之間運動的關係，機械手臂可分為以下四種：

資料來源：機械工業雜誌

機械手臂分類 - 關節

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分類 關節差異 體積佔工作空間直角座標型 3 個移動關節 , 能使手臂末端沿著直角座

標系 XYZ 軸移動

圓柱座標型 1 個轉動關節和 2 個移動關節 , 構成圓柱形狀工作空間

在相同工作空間條件下 , 機體所佔空間體積小於直角座標型

極座標型 2 個轉動關節和 1 個移動關節 , 來改變手部空間位置

在相同工作空間條件下 , 機體所佔空間體積小於直角 , 圓柱座標型

關節座標型 全部關節為轉動關節 , 結構緊湊 所佔空間體積小 , 相對的工作空間最大 , 為使用最普及

資料來源：機械工業雜誌

機械手臂分類 - 軸數工業機器人的軸，可以用專業的名詞「自由度」來解釋。當軸數增加，機器人就有更高的靈活性。現有一到七軸，常見三四五六軸。

軸與卡迪爾坐標系息息相關。三軸機器人可以允許機器人沿三個軸的方向進行運動；而六軸機器人中的六軸，就是笛卡爾坐標系中的 X Y Z 軸，及繞 X Y Z 軸旋轉的 U V W 軸。

資料來源：壹讀

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作業 &操作流程

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外在感測接收信號

象徵大腦進行運算

驅動馬達機械手臂進行猶如手腳的動作象徵神經的通訊系統負責中間 / 對外資料傳輸

資料來源：股感知識庫

上下游供應鏈

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資料來源： CTimes

上下游產業鏈

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台灣機器人產業持續透過多年來精密機械聚落建構的完整供應鏈，也分別為上、下游半導體、電子代工產業。

上游：主要競爭對手日本 (THK 、 NSK) 與歐洲 (德商 Steimyer 、瑞典 SKF)

控制器：中國因擁有龐大市場而具商機 , 台灣國內生產尚不普遍

台灣重點上下游企業1. ( 上游 ) 上銀科技 : • 產品：上游相關傳動元件／系統大廠， 講究高速化、高精密、複合化之傳動控制與系統。• 策略：契合中國大陸自動化發展目標。• 營收：上銀線性滑軌佔營收 62% ，滾珠螺桿佔營收 27% ，工業機器人佔營收 6% ，其他 5% 。

資料來源：股感知識庫

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台灣重點上下游企業2. ( 中 ) 研華寶元科技：工業電腦 (IPC) 大廠• 策略合作：和上銀、台灣電路板 (PCB) 設備製造商等，聯手推出全球首部 PCB( 印刷電路板 ) 產業專用 6 軸機器人。• 產品： CNC( 電腦數值控制工具機 ) 控制器起家， 6年前投入機器人研發，開發運動控制器，目前直角滑軌機械手出貨量穩定每月保持 100 台• 客戶：主要供應中國塑膠射出工廠，整體控制器出貨佔比約 5% ，而

CNC 控制器仍佔公司出貨比例高達 80% 。其主要客戶以金屬加工廠為主，中國跟台廠約 7 ： 3 。

資料來源： CTimes 、蘋果

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台灣重點上下游企業3. ( 上中下 ) 台達電：

• 產品：主攻工業型機械手臂，其零組件國產化比例達 9 成以上• 工業自動化（ IA ）營收比：約

11 、 12% ，仍在產品初上市階段，占整體營收比重仍相當低，但隨每年投入研發，未來營業額具成長空間。• 銷售主力：外銷 8 成 , 內銷占

2 成，主力客戶都是電子製造、食品、小五金，及汽車相關行業。• 經銷據點：先由中國沿海長三角、珠三角開始布點，後續將推往全中國。

資料來源：中時電子報、聯合新聞網

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工業機器人四大家族1. 瑞士 ABB ：專精運動控制系統，能夠提高生產的品質、效率以及可靠性，其製程自動化服務能夠應用於製鋁、水泥、化工、食品、生技、金屬、採礦、採油、發電、造紙等產業。2. 德國庫卡：主要客戶來自汽車製造領域。其機器人可用於物料搬運、加工、點焊和弧焊，涉及到自動化、金屬加工、食品和塑膠等產業。中國美的集團今年入股庫卡，成第一大股東。3. 日本 Fanuc ：特色是工藝控制更加便捷、同類型機器人底座尺寸更小、更擁有獨有的手臂設計。 Fanuc 出產最受歡迎的碼垛（搬運）機器人。4. 日本安川電機：點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、 LCD 玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人 資料來源：股感知識庫、 ABB 、 KUKA 、財經新報、 KKNEWS

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當前工業機器人趨勢分析02

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工業機器人 2016 年銷售量約 29 萬台，預計在 2019 年銷售量可達約 42 萬台，即 2017 - 2019 年預計年銷售量 yoy+13% 。此外，以全球的 " 現行總使用量 "而言， 2015 年約有 163 萬台。到 2019 年，預計全球總使用量約 259 萬台，即年增率約 yoy+12% 。每年的 " 機器人報廢數量 " 對 " 現行總使用量 "也有影響。因工業機器人的使用週期約三到五年，現行每年約有 10 萬台機器人被汰舊、報廢。從右下圖表可看出， 2016 年銷售量約 29 萬台，去除報廢的 10 萬台後，使總流通量從 2015 年的 163 萬台上升到 2016 年的 182 萬台。

全球銷售量及總使用量 2010 - 2019(F) 年銷售量

2014 - 2019(F) 全球總流通量

資料來源：拓墣產業研究所

各國銷售量及使用密度看工業機器人的普及程度時，還有 " 使用密度 "此一單位，即每萬名產業工人使用多少台工業機器人。目前 "年銷量 "前七大國家為中、韓、日、美、德、台、義。 " 使用密度 "前八大國家則是韓、新加坡、日、德、瑞典、台灣、丹麥、美國。特殊的是，把年銷量和使用密度作比較，可以發現中國的排名差異懸殊，年銷量最大國的使用密度不在前十名內。從右下圖看到，相比世界平均的使用密度 69 台，中國僅 49 台，與第一名的韓國 531 台有 10 倍差距。由此推論，倘若中國能在密度上有所提升，年銷量還有極大成長空間。

2008 - 2018(F) 各國年銷售量

資料來源： Morgan Stanley

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產品別市佔率IFR （國際機器人協會）報告指出， 2016 年銷售市場規模約 29 萬台，年增約 14% 。預估 2017 - 2019 年工業機器人平均銷售年增率 13% ， 2019 年安裝總量將至 260 萬台。需求約 70% 聚集在汽車、電器／電子，及金屬加工類產業。此外，考慮到機器人使用周期約 5~8 年，每年約有 10 萬台機器人的減少，單純出於汰舊換新。

2015 年工業機器人於各產業使用比例

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驅動因素 (1)- 新技術應用• 視覺辨識與導引模組技術：應用於產品包裝組合的自動化。 • 異型件插件自動化：改善插件精度，提高生產效率及流程。

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驅動因素 (2)- 產業滲透率裝設「感測器」於機器人上，提高機器人對於視覺和精準的掌握度。提升電子業等精密產業使用工業機器人程度提高。---電子業使用機器人年成長率超過汽車產業年成長率。

資料來源 :IFR

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驅動因素 (3)-中國市場政策面《十三五政策》、《中國製造 2025》、《機器人產業發展規劃 2016-2020年》推動高階技術，要求自主品牌在 2020 年產量達 10 萬台，六軸及以上達 5 萬台。促使機器人園區已達四十多座、生產商八百多家。但有「高階產業低階化」問題，長期而言可能有高階自動化設備的技術和數量達不到政令要求，低階自動化設備卻已經浮濫到要殺價競爭的窘境。成本面勞工薪資快速上升，自動設備尤其低階等級的建設成本逐漸下降，加上缺工、勞動年齡佔比下降，創造出工業自動化的需求。產業面製造業面臨轉型升級，目標製程改善和效率生產，中國機器人密度 49 台 /萬人低於全球平均 69 台 /萬人，配合技術的提升，可望增加各產業使用率。

近年薪資增速均大於 GDP 增速，顯示人口紅利下降，製造商面臨壓力。

資料來源： iknow 、壹讀

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工業機器人在各產業的應用03

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汽車業• 機器人的需求較去年成長了 4% 至約 97,500 台• 工作內容：噴塗（工作量大，危險性強）、焊接（穩定質量、增加效率及安全性）• 以 BMW 為例，車體目前有 1,400 台機器人運作，而噴漆也由機器人協助完成。此外， BMW 在南卡羅來納州斯帕坦堡的新廠，在 2013 年 9 月開始自丹麥的 Universal Robots 引進能夠與人合作的機器人，節省了員工 80% 閒置的時間。• Tesla 則採用多工機器人，一台就能焊接、打釘、壓焊，及組裝零件。資料來源： IFR 、 BMW

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電子業• 機器人的需求較去年成長了 41% 至約 64,600 台• 電子業機器人要求：速度、精準度、無塵操作、靈活彈性• 工作內容：精細的機器手臂可以取代人工，安裝 CPU 、記憶卡等細小零件• 發展趨勢：結合物聯網 IoT ，使得工業 4.0 製造業將以大量客製化取代大量生產• 例子：自 2010 年至今，富士康投入 3 億元人民幣針對昆山廠區車間進行自動化改造，採用自主研發製造的機器手臂 2000 多台，有效縮減近 5 成閒置人力。

資料來源： IFR 、 Kuka

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金屬業• 機器人的需求較去年成長了 39% 至約 29,450 台• 金屬業的機器人需能夠承受高溫、充滿灰塵、腐蝕性介質的極端環境，通常擁有耐酸鹼、耐高溫和耐腐蝕的防護表面。• 功能包含物料搬運、焊接、組裝、拆解、去毛邊、切割、鑽孔、研磨、上色。• 例子：接觸鑄造液態鐵的自動化機器人，負重高、特殊材質耐高溫

資料來源： IFR 、 Kuka

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工業機器人的未來趨勢04

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工業 4.0定義：「從服務顧客驅動研發、供應鏈和生產，整個系統或整個價值鏈的全生命週期管理與服務（ System Lifecycle Management; SysLM ）」

工業 4.0概念為連結與優化。利用「機器人 + 自動化 + 大數據」來達到優化的目標。如 : 大量運用自動化機器人、感測器物聯網、供應鏈互聯網、銷售及生產大數據分析，以人機協作方式提升全製造價值鏈之生產力及品質

資料來源：經濟部南部辦公室

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工業 4.0- 各國佈局• 工業 4.0引領機器人邁向智慧風潮

國家 德國 美國 中國 日本 英國政策 工業 4.0 先進製造 中國製造 2025 無 無大聯盟 工業 4.0 平台 工業物聯網聯

盟（ IIC ）無 企業各自努力 2050 工廠／先

進製造研究中心技術佈局

以德國機器設備製造業為主體，前後延伸至整個價值鏈的虛實整合

物聯網軟體開發和標準制度權、製造業回歸

製造大國變強國，發展十大重點領域：新一代信息技術、高檔數控機床和機器人等

生產自動化、機器人、控制器、感測器

研發數位工廠、自動化、人機協同等先進製造技術

資料來源：天下雜誌

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工業 4.0- 智慧機器人機器人四大趨勢

• 機器人視覺從 2D檢測、定位到 3D取放、量測• 利用物聯網傳遞的數位化資料，機器人扮演更靈活、更自動化• 機器手臂應用機器學習 (machine learning)技術於 2018年普及• 生產線上的機器人配置密度愈來愈高，解決以往控制技術與機器人間的互相干擾，與人共工

資料來源：工業技術研究院

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機器人視覺－安川電機 Nextage 為例立體視覺：立體攝相機，具有像人類的雙測視覺，可以測量 3D立體距離手部相機：識別詳細的二維位置數據，並確認工件的形狀控制軟體：高精度的軟體，更易處理與視覺辨識的指示。安全：15 軸可動關節，小於 80W低功率伺服馬達所組成。手軸設計不向外突出，增加安全性

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機器人自動化－西門子 Amberg 廠自動化程度 75% ，目前最自動化的工廠• 自動化，產能是同廠房面積的 8倍• 每條生產線平均每小時可製造 15萬件電子元件外，成本同大陸地區相近• 24 小時內交付訂單• 99.9988%良率• 數據聯網，機器之間溝通 (M to M) 資料來源：天下雜誌

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機器人學習 - 以 Darwin 為例傳感器產生數據

數據支撐機器學習

AI 指導機器人行動

機器人採取行動

行動收集數據

機器學習改善 AI

機器人仰賴人工智慧 (AI) ，其中以深度學習(deep learing) 領域受關注。其動機在於建立、模擬人腦進行分析學習的神經網絡，它模仿人腦的機制來解釋數據，例如圖像、聲音和文本。

機器人 Darwin 在無人教導的情況下運用深度學習技術從地板上站起來

資料來源：壹讀、 NVIDIA

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協同機器人 - 以 Sawyer 機器人為例Rethink Robotics 生產名為 Baxter 與 Sawyer 的兄弟機器人• 細緻的手：有「力量感知」功能的關節處理的高精細度任務，如測試電路板• 安全：傳感器感測意外時，能進行相對應的自我調節，並保護它所協助的人類安全，與安全機制。• 「從做中學」編碼：可編成編碼，亦可以手指教會 sawyer ，容易訓練。

資料來源： Ctimes

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結論05

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分析總結：● 工業機器人的趨勢，是全球總銷量以 14% 的速度年增成長，使用密度漸升、並象徵新建廠 /替換掉舊式工廠的速度。● 亞洲地區尤其中國的影響力最大且未來將更重要。● 在工業 4.0影響下，工業機器人未來發展以 : 機器人視覺、機器人學習、自動化、協同機器人為主要發展。

後續追蹤：延續本次分析脈絡，我們建議如果要後續追蹤、觀測設備自動化的趨勢，可以從以下幾個數據著手：1. 全球汽車市場生產量2. 製造業國家勞工薪資漲幅3. 工業機器人建造成本

結論

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