DSE 設計與應用科技：單元一 自動化——機械人技術章節
各位同學，歡迎來到機械人技術的世界！
各位同學好！準備好深入了解設計與應用科技中最令人興奮的課題之一：機械人技術了嗎？我們在電影裡經常看到機械人，但它們實際上是甚麼呢？在本章中，我們將探討工業機械人的基本知識，特別聚焦於它們的「機械臂」。我們會學習它們的組成部分、如何給予指令，以及它們在當今世界中扮演的巨大角色。
了解機械人技術非常重要，因為這些機器正在幫助我們製造汽車、包裝食物，並改變著工業的本質。即使聽起來有點複雜也不用擔心，我們會將它拆解成簡單易懂的部分。我們現在就開始吧！
機械臂的構造：裡面有甚麼？
試想像機械臂就是你手臂的超強化、超精準版本。它由不同的部件協同工作來完成任務。讓我們看看課程大綱中列出的幾個關鍵組件。
生活類比：你的手臂 vs. 機械臂
為了讓大家更容易理解，我們將機械臂的部件與你的手臂進行比較：
- 你的肩膊、手肘和手腕就是關節 (Joints)。
- 你的骨骼（例如肱骨和尺骨）就是結構 (Structure)。
- 你的手就是末端執行器 (End-Effector)。
- 你的肌肉就是致動器 (Actuators)。
- 你的大腦和神經就是控制器和反饋裝置 (Controller and Feedback Devices)。
核心組件
以下是你需要知道的官方術語。我們會逐一為你講解。
1. 可編程機械操作器 (Programmable Mechanical Manipulator)：
這是機械臂的專業官方名稱。它是負責移動和定位物體的主體。這裡的關鍵詞是「可編程」——我們能夠給予它指令。
2. 結構 (Structure)：
這指的是機械臂的剛性部分或「骨骼」，它連接各個關節。它提供了機械臂的物理支撐和長度。你可以把它想像成機械人的骨架。
3. 關節 (Joints)：
這些是讓機械人能夠彎曲、扭轉和旋轉的部件。就像你的手肘或手腕一樣，關節賦予機械臂靈活性和運動範圍。
4. 運動軸 (Axes of Motion)：
每個關節都提供一個「運動軸」，這基本上是它能夠移動的方向（例如向上/向下、向左/向右或旋轉）。機械人擁有的運動軸越多，其動作就越靈活和複雜。一個簡單的機械人可能有3個軸，而一個非常先進的則可能會有6或7個！
5. 末端執行器 (End-Effector)：
這是機械臂末端的「手」或「工具」。它是直接與物體互動的部分。末端執行器可以根據不同的工作進行更換！
- 如果要拾取物品，它可能是夾持器。
- 如果是焊接，它會是焊槍。
- 如果是噴漆，它會是噴槍。
6. 致動器 (Actuator)：
這是機械人的「肌肉」。致動器是為關節提供動力並使機械臂移動的馬達（電動、氣動或液壓）。如果沒有致動器，機械臂就只是一個死氣沉沉的金屬雕塑。
7. 反饋裝置 (Feedback Device)：
機械人如何知道它的手臂在哪裡？答案是通過反饋裝置，例如感應器和編碼器。這些裝置會將有關關節位置和速度的訊息傳回機械人的控制器。這就像你的觸覺和本體感覺（自我位置感知），即使閉上眼睛也能知道你的手在哪裡。
重點歸納
機械臂（操作器）由結構（骨骼）組成，透過關節（像手肘）連接。它使用致動器（肌肉）移動，並夾持著稱為末端執行器（手）的工具。反饋裝置會時刻告知控制器機械臂的位置。
我們如何教導機械人？
機械人的智能程度取決於我們給予它的指令。我們不能只對它說：「嘿，請把那個箱子拿起來。」我們必須「教導」它確切的所需動作。主要有三種方法可以做到這一點。
1. 拖曳示教編程 (Lead by Nose Programming)
這是最親身實踐的方法。操作員會物理上抓著機械臂（或其上的手柄），並帶領它沿著所需的路徑移動。機械人會逐步記錄這些動作。
類比：這就像引導孩子的手教他們寫自己的名字一樣。你帶領他們的手完成動作，他們通過「感受」路徑來學習。
最適用於：需要平滑、連續路徑的任務，例如噴漆或塗抹密封劑。
2. 示教器編程 (Teach Pendant Programming)
這是工廠中最常見的方法。操作員使用一個手持控制器，稱為示教器，它通常配備屏幕和搖桿/按鈕。他們使用示教器將機械臂移動到空間中的特定點，並記錄每個位置（A點、B點、C點）。然後機械人會在這這些已記錄的點之間移動。
類比：這就像使用遊戲手掣將角色移動到地圖上的特定位置，並將這些位置保存為路徑點。
最適用於：「點對點」任務，例如從一個位置拾取物件並放置到另一個位置（拾取與放置）。
3. 離線編程 (Off-line Programming)
這種方法在編程時不需要實際的機械人在場。工程師在電腦上使用專門的軟件，創建機械人及其環境的3D模擬。他們在這個虛擬世界中編寫整個任務的程式。一旦程式完美無瑕，它就會被下載到工廠現場的真實機械人上。
類比：這就像導演在實際拍攝之前，先在電腦模擬中規劃好每個攝影機的移動和演員的位置。
優點：這種方法效率非常高！機械人可以繼續執行當前的任務，同時為下一個任務編寫程式。這節省了大量的停機時間。
重點歸納
我們可以通過物理引導機械人（拖曳示教）、使用控制器設置路徑點（示教器編程），或先在電腦模擬中創建程式（離線編程）來教導機械人。
機械人的類型與應用
機械人無處不在！課程大綱強調了一些機械人表現出色的關鍵功能。這些工作通常被形容為「4D」：骯髒 (Dirty)、枯燥 (Dull)、危險 (Dangerous) 和困難 (Difficult)。
你知道嗎？
汽車工業（汽車製造）是全球工業機械人的最大用戶。一家汽車工廠可以有數千台機械人24小時不停運作！
常見的工業機械人功能
1. 拾取與放置 (Pick and Place)：
這是最簡單但最常見的機械人任務之一。機械人從起始位置拾取物件並將其放置到目的地。
為何使用機械人？這是一項非常重複（枯燥）的任務。機械人可以重複數千次而不會疲倦或犯錯。
例子：將電腦晶片移動到電路板上，或將朱古力放入生產線上的盒子中。
2. 焊接 (Welding)：
焊接是利用高熱將兩塊金屬連接在一起。
為何使用機械人？這對人類來說是一項危險的任務（火花、煙霧、強光），並且需要極高的精確度。機械人每次都能產生完美、相同的焊縫。
例子：在裝配線上將汽車車架焊接在一起。
3. 噴漆 (Spray Painting)：
這涉及塗抹一層平滑、均勻的油漆。
為何使用機械人？工業油漆的煙霧有毒（危險且骯髒）。此外，機械人可以塗抹一層完美一致的油漆，從而減少浪費並提高質量。
例子：在工廠中噴塗汽車車身或家具。
重點歸納
機械人非常適合執行重複性、危險性或需要高精確度的任務。主要應用包括拾取與放置、焊接和噴漆。
使用機械人的優缺點
機械人是令人驚嘆的工具，但像任何科技一樣，它們既有優點也有局限性。重要的是要了解這種平衡的觀點。
機械人的優點
- 準確性與重複性 (Accuracy & Repeatability)：機械人能夠以極高的精確度（準確性）重複執行完全相同的動作（重複性）。人類會疲倦並可能犯小錯誤，但機械人不會。
- 安全性 (Safety)：機械人可以接管危險的工作，使人類工人遠離危險的環境。這有助於減少工傷。
- 經濟性 (Economy)：儘管機械人購買成本高昂（初始成本高），但它們可以24/7不間斷工作，無需休息、病假或工資。長遠來看，這使得它們非常具有成本效益，並能提高生產力。
機械人的局限性與影響
- 社會影響 (Social Impact)：這是重要的一點。當機械人接管人工工作時，原來從事這些工作的人類工人可能會失業。這稱為職位取代。雖然在設計、編程和維護機械人方面會創造新的職位，但這需要不同的技能。
- 安全性（新風險）(Safety (New Risks))：儘管機械人在某些方面使工作場所更安全，但它們也帶來了新的危險。如果人類進入強大工業機械人的活動範圍，可能會造成嚴重傷害。這就是為什麼機械人工作區域通常設在安全圍欄內的原因。
- 經濟性（高初始成本）(Economy (High Initial Cost))：建立一套機械人系統非常昂貴。它需要購買機械人、工具、安全設備，以及聘請專家進行編程。這對於小型公司可能是一個主要障礙。
- 缺乏靈活性 (Lack of Flexibility)：機械人非常擅長執行它們被編程的單一任務。然而，它們無法輕易適應意外情況，或者在不重新編程的情況下轉換到完全不同的任務，這需要時間和專業知識。它們不具備人類的常識。
快速回顧
優點：高準確性、高重複性、提高安全性、長遠經濟性。
缺點：社會影響（失業）、新的安全風險、高初始成本、缺乏靈活性。
重點歸納
機械人在準確性、安全性和經濟性方面帶來巨大好處，但我們也必須考慮它們對工作造成的負面社會影響以及所需的巨額初始投資。
章節總結
做得好！你剛剛學習了DSE 設計與應用科技課程中機械人技術的基礎知識。
我們了解到機械臂是一個複雜的系統，由結構、關節、致動器和末端執行器組成。我們可以利用拖曳示教、示教器編程或離線編程等方法來為其編程。機械人非常適合執行拾取與放置、焊接和噴漆等工業任務，因為它們具有驚人的準確性和重複性。最後，我們明白儘管機械人帶來許多優點，但也必須注意其局限性和社會影響。請記住這些核心概念，你就能夠輕鬆應對考試了！