直驅式與間接驅動式雲台：光電測試系統的運動致動器技術解析

作者：Tom Markel 航太戰略客戶經理

在當今高科技產業的激烈競爭中，從國防航太、半導體製造到自動駕駛，頂尖光電感測器的性能已成為決定產品優劣的關鍵，然而，一項產品的卓越性能，必須透過同樣卓越、甚至更為精準的測試系統來驗證；因此，選擇一套合適的運動定位平台，已不僅是實驗室的設備採購，更是直接影響研發效率、品管良率與最終產品市場競爭力的核心戰略決策；本文將深入剖析市場上主流的三種運動致動技術——直驅式雲台、間接驅動式雲台與多軸機械手臂，並解析其在「性能」、「成本」與「應用彈性」之間的權衡，旨在為所有致力於尖端技術開發的團隊，提供一個清晰的決策藍圖。

您的測試平台，是否已成為性能的隱形天花板？

研發人員的核心任務是追求數據的真實性與可再現性，並將產品的性能推向極致，然而，您是否意識到，隨著感測器技術以驚人的速度演進——解析度更高、反應速度更快、動態範圍更廣——那套過去被認為「夠用就好」的測試平台，正悄然成為限制您突破的瓶頸？您耗費數週追查的訊號雜訊，最終可能只是來自間接驅動齒輪的微小背隙 (backlash)；產品在高速動態測試下無法達到宣稱的規格，問題根源或許並非感測器本身，而是測試台遲緩的動態響應；您的測試平台，是否已從得力助手，變成了限制您產品性能極限的「隱形天花板」？

因此，重新審視並選擇一個能匹配、甚至超越您待測物性能的運動平台，在今日已非單純的「設備升級選項」，而是確保您的研發成果不被埋沒、並在激烈技術競爭中立於不敗之地的「緊急必要之舉」。

雲台 (Gimbals)

雲台 (Gimbals) 是一種具備兩個或三個旋轉軸的裝置，其各旋轉軸相互垂直且交會於一點，雲台的結構通常採用直驅式或間接驅動式（例如齒輪或切線臂驅動）的旋轉軸設計，圖 1 分別展示了雙軸與三軸雲台的概念架構。

圖 1. (a) 雙軸雲台概念架構與 (b) 三軸雲台概念架構。

在 EO 測試應用中，雲台與多軸機械手臂皆可用於操控各式感測器、儀器或物件，因此，熟悉各種運動架構與組態，對於確定何種方案能滿足特定的應用需求至關重要，為 EO 測試選擇合適的致動器精密度，是確保系統性能足以有效檢測待測感測器的關鍵，精度固然重要，但工程師在為其 EO 測試應用選擇運動系統時，還必須權衡許多其他重要參數，例如，應評估運動系統的性能與尺寸及成本之間的關係，同時也應就尺寸、重量、整合複雜度、速度、工作週期、維護需求、初始採購價格及總體擁有成本等面向，對不同的運動系統解決方案進行比較。

直驅式雲台 (Gimbals)

直驅式雲台的設計，是將馬達直接連接至旋轉軸，其馬達與輸出旋轉軸之間沒有機械聯軸器或齒輪箱等傳動機構，在高精度的應用中，致動器通常利用光學編碼器、解角器 (Resolver) 或電感式回授來感測旋轉軸相對於固定外殼的位置，由於回授與驅動機制是直接耦合至輸出軸，此設計因此能實現高精密度與優異的動態性能，此外，由於驅動機制中沒有會產生機械磨損與摩擦的元件，致動器的可靠性與使用壽命也極高。

直驅式設計可同時採用機械軸承與空氣軸承兩種軸心，機械軸承對衝擊負載的耐受性較好，且通常具備較高的剛性，然而，與空氣軸承相比，其會產生些微的摩擦與較大的旋轉誤差運動，不過，無論採用何種軸承設計，只要搭配高解析度編碼器和低雜訊功率電子元件，透過直驅式機制皆可實現次微弧度（sub-microradian）等級的精密運動。

圖 2. Aerotech AMG200 直驅式雲台。

就精度與可重複性（repeatability）而言，直驅式雲台與旋轉定位器是最高性能的 EO 測試解決方案，並提供高加速度、低抖動追蹤與快速轉向能力，它們還具備長距離指向應用所需的微小步進運動能力，常用於將目標標定系統指向快速移動的物體、為慣性設備測試模擬運動，或是在雷射通訊應用中將望遠鏡指向衛星或其他遠距離物體，直驅式雲台可配置為雙軸或三軸運動，並能與線性平台結合，以涵蓋半球體的測試區域，如圖 3 所示的單側雲台，為 EO 感測器的方位角與滾轉測試能力提供了理想的配置，適用於飛彈尋標器或追蹤感測器等產品。

圖 3. 用於方位角與滾轉測試的單側雲台，其滾轉軸上的大孔徑允許酬載（飛彈或追蹤感測器）伸入其中。

單側雲台也可安裝反射鏡，如圖 4 的範例所示，這種方法省去了次級旋轉軸的支撐結構，有助於簡化設計並降低部分成本，然而，設計時必須謹慎，以確保其能滿足所需的動態性能與負載能力要求。

圖 4. 300 mm 孔徑單側反射鏡雲台。

直驅式雲台的增量運動步進可達 0.01 μrad，並能在 360 度行程範圍內，輕易實現優於 8 μrad 的雙向精度，而採用空氣軸承與特殊回授配置的高精度設計，更可在 360 度行程中達到優於 1 μrad 的精度。

透過適當的控制調整、功率電子元件與隔振措施，其定位抖動 (in-position jitter) 可達到奈米弧度（nanoradian）等級，此外，根據不同的設計與軸承配置，亦可輕易實現次微弧度與次微米等級的旋轉誤差運動。

對於實驗室與生產環境中的高效能、高工作週期之 EO 感測器測試應用而言，直驅式雲台是最理想的選擇。

間接驅動式雲台

間接驅動式雲台是利用機械連桿（例如齒輪箱或切線臂）來傳遞馬達動力至旋轉軸的設計，這類驅動方式犧牲了部分的性能，以換取機械結構的簡潔性與較低的成本，其常見的驅動方式可分為以下兩種。

齒輪驅動式雲台

當應用場景不要求快速轉向或低抖動運動時，齒輪驅動式定位器便是一個合適的選擇，齒輪系中存在的背隙 (backlash) 會影響雙向可重複性，雖然可以透過抗背隙機制來減緩此問題，但這麼做可能會增加驅動系統的剛性、慣性與成本，因此，這類驅動裝置不適用於需要連續運動的輪廓加工或追蹤應用，但非常適合用於速率控制或指定點移動 (slew-to-point) 的場合。

圖 5. Aerotech 的 AMG-GR 齒輪驅動式雲台。

切線臂驅動

如圖 6 的概念模型所示，切線臂 (Tangent Arm) 驅動是另一種類型的間接驅動機制，這類驅動器的運動範圍通常被限制在幾度之內，且其驅動剛性高於齒輪驅動器，切線臂驅動透過一個預壓的螺桿推動一個槓桿臂來旋轉平台，此設計完全消除了背隙，然而，其驅動解析度與螺桿的運動並非線性關係，因此需要透過控制器進行修正，市面上也存在結合不同驅動類型的混合式雲台，例如圖 7 所示的設計，其俯仰軸採用切線臂驅動，方位軸則採用直驅馬達，因此，對於俯仰軸動態性能要求不高的應用，這種混合設計便能有效節省成本。

圖 6. 切線臂驅動旋轉平台概念模型。

圖 7. 混合式雲台，其俯仰軸採用切線臂驅動，方位軸則為直驅式設計。

多軸機械手臂

多軸機械手臂，如圖 8 所示，由一系列的旋轉關節串聯而成，其中六軸機械手臂是相當常見的配置，這類機械手臂具備極大的運動範圍，能夠將酬載定向至多種不同的角度，然而，由於其串聯式的運動架構會導致誤差累積，因此精度不如雲台，且其剛性與頻寬也較低，多軸機械手臂通常應用於物料搬運的場合，但如果精度與動態性能的要求不是非常嚴苛，它們也適用於某些 EO 測試應用。

圖 8. 多軸機械手臂範例。

總結

下列表格總結了直驅式雲台、間接驅動式雲台與多軸機械手臂的比較，在選擇運動系統前，充分理解測試需求至關重要，對於要求最高精度、精密度與動態性能的應用，直驅式雲台是最佳選擇；如果成本是首要考量，且應用不要求高動態性能，那麼間接驅動式雲台或許是個不錯的方案；而對於需要大範圍運動且對精度要求較低的應用，多軸機械手臂則是一個合適的解決方案，強烈建議諮詢經驗豐富的應用工程師，以協助選擇最符合需求的技術。

表 1. 用於光電測試的各種運動致動技術質化摘要比較（★★★★ = 較佳，★ = 較差）

特性	直驅式	齒輪驅動	切線臂	多軸機械手臂
精度	★★★★	★★★	★★★	★
可重複性	★★★★	★★★	★★★	★
微小步進能力	★★★★	★★	★★★★	★
速度／加速度	★★★★	★★	★	★★★
適用於不平衡負載	★	★★★★	★★★	★★
行程／工作範圍	★★★	★★★	★	★★★★
初始成本	★	★★★	★★	★★★★
總體擁有成本	★★★★	★★	★★	★★

如同大多數的工程決策，系統設計過程中必須權衡各種利弊得失，掌握了這些資訊後，便能為新的測試應用評估出最佳的運動致動策略，並在與運動控制及自動化供應商討論各種方案時，做出更明智的決策。

關於作者

Tom Markel 現為 Aerotech 的航太戰略客戶經理，負責全球頂尖航太製造商的業務開發與合作夥伴關係，Tom Markel 是一名擁有電機工程學位與軟體背景的運動控制工程師，在 Aerotech服務超過 21 年，專門為自動化製造與測試設計高精度運動解決方案，其中包括光電／紅外線（EO/IR）測試系統與戶外型雲台系統；在加入 Aerotech 之前，Tom 曾在航太與國防產業擔任系統暨測試工程師達 13 年之久。

最新消息

技術文章

直驅 vs. 齒輪驅動雲台性能解析：別讓背隙汙染你的測試數據