採收機器人_機器手臂篇

接連寫了「採收機器人_視覺篇」、「採收機器人_夾爪篇」後，大家應該對不同農作物的採收方式有了基本概念，接下來要繼續為大家整理採收機器人的機器手臂相關資訊。

一般所謂「機器手臂」可分為狹義的和廣義的定義。前者具有類似人類手臂、關節、手掌和手指的機器手臂，和後者只要具有能從有限空間中任意兩點進行移動、取放物件的機構裝置，不管外形和移動方式都可算是機器手臂。

常見機器手臂類型可分為下列幾大類。

[1] 單軸式：

可利用滑軌、皮帶、螺桿等傳動元件帶動夾爪直線運動，進行往復運動。

[2] 直交軸式：

利用數組單軸型機器手臂組合而成，可以是三軸直交式式或龍門式，通常採用直角(笛卡爾)座標系XYZ移動，使用上非常直覺，一般常見的3D印表機和Mini-FarmBot都是屬於此類。

[3] 多軸關節式：

此種類型仿人類手臂結構設計，最基本為三軸(關節)運動，包括縱(X)軸方向軸旋轉「翻滾(Row)」、垂直(Z)軸旋轉「偏擺(Yaw)」及橫(Y)軸旋轉「俯仰(Pitch)」，這種作法每個關節只能在單一方向上旋轉，和人類手臂的萬向關節(多方向)運動方式不同。移動時多半需先把直角座標系轉成極座標系(長度加角度)的表示方式，才能讓每個軸關節正確旋轉到指定位置。目前已有很多廠商將其擴展到六至七軸，以期能更接近真實人類手臂的工作方式。

另外還有一種是利用氣、液壓缸加上連桿機構方式推動多軸關節運動，此類方式運動速度慢，且運動距離及角度不大，所以通常只用在重物搬移，像挖土機就是典型代表。

[4] 水平關節式：

又稱擇順應性關節機械手臂（Selective Compliance Articulated Robot Arm, SCARA)，是由兩個旋轉軸取代XY方向移動，一個垂直移動軸來取放物件，採用圓柱型座標系(結合極座標系和直角座標系)來移動，因為Z軸移動距離有限，所較常用接近同一平面上物體的移動。相較於XYZ型所需要的空間較小，但使用上較不直覺，須用要反向運動學(Inverse kinematics)來計算兩個旋轉軸要移動到平面上某一點的真實轉動角度。

[5] 並聯式：

由於外觀為三角形所以又稱Delta式，主要由三組固定臂構成，三組固定臂其中一頭連到取放頭，另一頭分別裝在傳動馬達(旋轉式或直線式)，運動時由三組固定桿移動到不同高度，進而移動到指定的XYZ座標。這類機械臂較少出現在農業用途，主要是高度較高，且工作行程僅不到一半高度，不適合橫向移動，但其移動速度較直交軸式快上許多，所以很多3D印表機都採用此種設計。

[6] 伸縮式：

基本上和單軸式類似，但透過多層套疊的方式，可延伸較長的手臂，像一般常用的伸縮雨傘，吊車都是典型代表。此類手臂很適合採收對象在很高的樹上。

[7] 混合式及其它式：

依特定功能或空間限制特別設計的機器手臂，比方說連桿機構，或者結合上述多種方式而產生的機器手臂。

Fig. 1 機器手臂種類，
(a) 上銀單軸機器人, (b) FBTUG Mini FarmBot, (c) 直交式3D列印機RepRap Ormerod,
(d) 三軸關節式, (e) 新漢六軸關節式, (f) 油壓連桿式挖土機,
(g) 水平關節式(SCARA), (h) 並聯式(DELTA), (i) 伸縮式吊車
(點擊圖片後放大)

另外關於機器手臂的驅動，主要有伺服馬達和步進馬達，一些教學用小型機器手臂有時會採用舵機(簡易型伺服馬達)來做為主要動力。而為了能達到精準的空間移動及定位，通常還需要配置編碼器來偵測目前馬達實際的工作角度，而伺服馬達通常已有內建高精度編碼器，而步進馬達就需另外配置，有些大扭力專門用來做小型機器手臂的舵機有些也已有內建，方便大家開發使用。

在設計上還要考慮下方的馬達除了自身運動所需動力外，還要負擔上方的機構、馬達、配線、夾爪等額外重量及運動所產生的反作用力，因此馬達越下方要越大，到夾爪端腕關節部份就要越小，才能讓機器手臂移動的較為順暢。

以下就根據之前收集到的影片，摘錄代表性圖像來簡單說明，完整影片請參考「採收機器人_夾爪篇」。

Fig. 2 採收機器人機器手臂種類，
(a) 直交式, (b) 水平關節式(SCARA), (c) ~ (h) 多軸關節式,
(i) 伸縮式, (j) 多段伸縮式, (k) (l) 連桿機構式
(點擊圖片後放大)