智能化系列之工业机器人解析
时间: 2024-06-15 22:11:44 | 作者: 乐鱼在线登录
过去30余年，在人口红利的推动之下，中国制造业规模已扩张到全球22%的比例，位居世界第一，GDP以年均约10%的增速升至世界第二位。但单纯人口红利可以推动经济规模迅速增加，而没办法实现知识体系、技术体系、产业体系的升级，这也是当前中国经济稳步的增长模式面临的核心挑战，也是传统制造业在人口红利逐渐衰竭后急需解决的问题。
目前阶段，随着中国人口结构的改变，使得人口老龄化速度加快以及劳动年龄人口占比下降，从而推动劳动力成本不断的提高，这一些因素使得中国长期通过人口红利维即的高增长面临着严峻挑战，尤其是受益人口红利最大的传统制造业（本就产能过剩）雪上加霜，这也成为促进工业机器人市场发展的重要因素。
中国总人口的数量虽然在一直上升，但是出生率在不断下降。从1965年开始，出生率从37.88%一直下降到2014年的12.37%，这也导致了中国劳动力资源的减少。
随着计划生育等政策的落实，15-64岁的人口占比在95年到10年间是呈一直上升的趋势的，然而2010年后，中国劳动年龄人口比重开始下降。据预测，中国的劳动力总人口将会持续减少，并会一直延续到2050年。
伴随着劳动力资源减少，中国的人口老龄化问题也越发严重。1995年到2013年间，中国65岁及以上的人口占比从1995年的6.2%一路飙升至2013年的9.7%。
人口老龄化以及劳动力人口的慢慢地减少导致了劳动力成本的快速上涨。2014年全国居民人居可支配收入为20167元，比上年增长10.1%，扣除价格因素，实际增长为8.0%，比人均GDP增速高1.2个百分点。
中国劳动力资源的减少、人力成本的不断攀升，导致了制造业等劳动密集型行业的用工短缺和制造成本提升等各方面的问题。制造业要维持当前的规模，必须找到解决劳动力不足的措施。由于工业机器人能在很大程度上取代传统人工劳作并且降低企业的综合成本，因此工业机器人代替传统人工作业成为了趋势。
工业机器人的使用在很大程度上降低了企业的生产所带来的成本。发达国家经验证明，使用工业机器人能降低人力成本与废品率，提高机床的利用率，降低残次零件出现的风险；另外，采用工业机器人还能改善劳动条件，提高生产效率，提供更可控的生产能力，加快产品更新换代；提高零件的解决能力和产品质量；减少停产时间，节约劳动力。
现阶段而言，人力成本大概占生产费用的15%-40%左右。另外员工年假、病假、保险等费用也会某些特定的程度上降低了企业的利润；据abb公司预测，一个工业机器人与2个两班轮换的工人相比较，七年大概会节约444000美元。
据美国波士顿咨询公司报告，未来十年，更便宜、更好的机器人将加速取代工厂工人，推动人力成本削减16%。波士顿咨询公司预测，到2025年，世界前25大出口国对工业机器人的投入将增多，年涨幅由目前的2%至3%上升至10%。人力成本的降低和效率的提高将填补这些投入。报告预计，机器人将使韩国的人力成本削减33%、日本削减25%、加拿大削减24%、美国削减22%、中国削减18%。
以一个更直观的例子来说，一般一台大型焊接机器人，按照初始购置成本250万元，10年折旧来计算的线万元。这样一个工业机器人，如果按照三班倒生产，相当于5-6个工人的工作量。一个车间工人，根据行业中等水准，按照5000元计算，全年合计要30-36万元，远高于当年机器人折旧总额25万元。也就是说，使用焊接机器人能给企业节约大概15%的成本。
为了进一步缓解国内劳动力资源压力，促进制造业的持续稳定扩张，我国制订了一系列的政策来规划与推动工业机器人产业的发展。
工业机器人是指面向工业领域的机器人，一般由多关节机械手或多自由度的机器装置组成。它可以通过重复编程和自动控制，在无人参与的环境下，完成搬运、焊接、喷漆、切割、装配以及浇铸等多种工业生产作业。
工业机器人主要由机械部分（机械结构系统、驱动系统），传感部分（感受系统、机器人与环境交互系统）和控制部分（人机交互系统、控制管理系统）三大部分、六大系统组成。
机械部分：机械结构系统是指工业机器人为完成各种运动的机械部件，由骨骼（杆件）和连接它们的关节构成，具有多个自由度，最重要的包含手部、腕部、臂部、机身等部件；驱动系统为机器人各部位的运动提供动力，包括液压传动、气动传动、电动传动以及综合传动系统等。
传感部分：感受系统由内部传感模块和外部传感模块组成，用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息；机器人与环境交互系统则是指实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。
控制部分：人机交互系统是将操作人员与工业机器人控制相联系的系统，大致上可以分为指令给定装置和信息显示装置；控制管理系统则是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心，主要由主控计算机和关节伺服控制器组成，是工业机器人的核心系统之一。
工业机器人根据其运动方式能分为直角坐标机器人、水平关节机器人、六轴机器人、冗余机器人以及双臂机器人等，按照应用领域可大致分为焊接、搬运、码垛、装配、喷涂、切割等机器人。
自20世纪60年代开始，经过近六十年的迅速发展，随着对产品加工精度要求的提高以及人力成本的逐渐提升，关键工艺生产环节逐步由工业机器人代替工人操作。另外，由于某些高危、有毒等恶劣的工作环境也要求由工业机器人进行替代作业，工业机器人的市场需求进一步提升。工业机器人已逐渐成为现代生产工艺的重要组成部分及未来发展趋势。
据IFR(InternationalFederationofrobotics)统计数据，2004到2014年间，除了2009年全球工业机器人销量有明显下滑之外，整体呈逐渐上升趋势。2014年，全球工业机器人销量达到了约225000台，同比增长高达26%。
在地域方面，亚洲/澳大利亚地区工业机器人销量提升显著，欧洲与北美工业机器人销量增长平稳，中国已经成为了工业机器人第一大市场。
从应用领域来看，汽车、电气电子、金属制品、橡胶与塑料、食品、制药与化妆品等行业占据了工业机器人的主要份额。
工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分，拥有极高的技术价值。世界各国都将工业机器人的研发放在了很重要的地位，纷纷推出了本国的机器人国家发展战略规划。
美国工业机器人的发展重点是立足于机器人核心技术实现产业化。2011年，奥巴马总统提出了NRI国家机器人发展计划，2013年提出了美国机器人发展路线图，将发展重点放在了强适应性和可重构的装配、仿人灵巧操作、非结构化环境的感知、教育训练、机器人与人共事的安全性等方面。
日本的机器人产业和技术都很发达。在日本的机器人路线中，新世纪工业机器人、服务机器人、特种机器人成为其重点发展的三个领域。围绕着“世界机器人创新基地-彻底巩固机器人产业的培育能力”，“世界第一的机器人应用社会-机器人随处可见”以及“迈向领先世界的机器人新时代”三大机器人核心战略，日本制订了机器人发展五年计划，旨在巩固其在机器人领域的世界领先地位。
欧盟第七研发框架计划已经投入了高达6亿欧元的经费于工业机器人的研究制造，未来研究经费投入将达到140亿欧元。于此同时，2002-2022年欧洲机器人研究路线图的提出为未来工业机器人研究提出了方针指导。
韩国在工业机器人产业方面也投入了大量的精力。2009年，韩国政府提出了第一个智能型机器人基础计划，计划在2013年前投入1万亿韩元于机器人研究。2014年韩国发布了第二个智能机器人开发五年计划，目标是到2018年，不断扩大机器人产业市场规模，从当前的22亿美元增加到79亿美元，机器人公司数量从402家增加到600家。
中国已成为工业机器人第一市场根据微信公众号工业智能化的数据：2012年到2014年间，中国工业机器人销售量一路攀升，到2014年，中国已经成为全球工业机器人销售量最大的国家。2012到2014年间，工业机器人销售额占比重也逐年上升，行业地位逐步提升。
保有量和人均保有量仍处于较低水平：2014年中国的机器人密度仅为30台每万人，远低于世界平均水平的62台每万人；从总保有量看，相比日本、德国、韩国等发达国家，中国的机器人保有量仍旧处于较低水平。
2014年中国的机器人密度仅为30台每万人，远低于世界平均水平62台每万人。韩国、日本、德国、美国的机器人密度分别为437、323、282、152台每万人，工业机器人在中国具备巨大潜力空间。
2013年，中国工业机器人保有量达到132784台，同比增长36.7%；然而相比日本、德国、韩国等国家，中国的机器人保有量仍旧处于较低水平。按照目前中国工业机器人的增长速度，中国工业机器人保有量有望在2018年达到世界第一水平。
现阶段，我国主要的工业机器人为焊接、搬运和喷涂机器人等。我国工业机器人主要的应用领域为电子电气行业与汽车行业；其中电子电气行业的工业机器人使用量占国内所有工业机器人使用量的31%，汽车整车和汽车零部件行业的工业机器人使用量分别占比15%和18%。
在目前中国制造业转型升级的大背景下，工业机器人具备巨大的成长潜力。据IFR统计和预测，2015年-2017年，中国工业机器人年均增长率将达25%，2017年销量将达10万台；到2017年末，中国机器人保有量将超过40万台。
工业机器人产业链可大致分为上游核心零部件、中游工业机器人本体生产企业、下游系统集成商，此外还有贯穿于整个产业链的物流、销售商等。
工业机器人的核心零部件包括减速机，伺服驱动/电机和控制器，对于整个工业机器人的性能指标起着极其关键的作用。这些核心零部件支持、完成了工业机器人的主要运作，控制器在接收到指令之后，将指令信号转换为路径控制信号发送到伺服驱动，伺服驱动控制电机转动，电机通过减速机带动执行机构运动。
减速机主要用于降低转速和增加转矩，它属于关键零部件中开发难度最大的部件，对于回转精度、刚度、疲劳强度、材料以及工艺水平都要较高的要求。高可靠性、高精度、大扭矩、大速比的减速机具有更大的优势。
伺服电机用于驱动机器人的关节，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。为了高效驱动，伺服电机要求具备最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。伺服电机可以分为两大块，伺服驱动和电机，伺服电机可以分为直流和交流伺服电动机两大类。
控制器的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。控制器相对而言技术难度较低，成本也较低。控制器包括硬件和软件两部分，硬件部分主要包括工业控制板卡包括一些主控单元、信号处理部分等电路，软件部分技术难点主要是软件实现的构建、控制算法、二次开发等。控制器的技术指标包括控制的高同步性、良好的操作性、高速高精度控制、同时控制的轴数等。
目前，国内还没有能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产企业；全球市场75%的市场被日本两家企业占据，纳博特斯克生产的RV减速器约占60%、Harmonica生产的谐波减速器约占15%。
以安川电机ES165Kg为例，6台精密减速器的总价值约为2.08万元，占整机成本的12%；而同类型的国内产品，6台精密减速器的成本约为9.1万，占整机成本的比例为31%，精密减速器成为制约降低国产工业机器人成本的重要因素。
在工业机器人用减速器领域，我国已涌现出了几家具备一定实力的发展工业机器人核心零部件研发、制造的企业，但从产业化的角度来说，中国工业机器人减速器至今还没有产业化，国外厂家包括纳博特斯克、住友、SEJINIGB、SPINEA、HarmonicaDrive等在竞争中仍具有垄断性优势。
一般情况下，一台工业机器人需要的减速器个数为4-6台，伴随着我国工业机器人应用市场的快速发展，以及核心设备国产化率的提升，精密减速器也将具备极佳的发展良机。
目前，国外品牌占据了中国伺服电机市场近75%的市场份额，品牌市场主要来自日本和欧美。其中日系产品以约45%的市场份额居首，其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等；欧美品牌中，美国有罗克韦尔、丹纳赫、帕光等品牌，德国则拥有西门子、伦茨、博世力士乐、施耐德等品牌。
除日本、欧美伺服品牌外，以东元和台达为代表的台系伺服在大陆市场也迅速推广，因为其性价比优于海外品牌，市场占有率也迅速提升至10%左右。
虽然国产伺服系统在市场上的比重比较低，但近几年国产品牌伺服系统的发展也很迅速，获得了一定的市场认可，比较具有代表性的企业主要有华中数控、广州数控等；同时还有一大批相关企业也进入到了伺服系统行业，比如深圳的英威腾、汇川科技，大连的安迪等。
相对于减速器，伺服电机和驱动器市场未形成主要厂商垄断现象，而且几大国际厂商在中国也建立了分工厂，供应充足，产品价格相对合理。另外，国内的一些公司在伺服电机和驱动器领域也有所建树，产品质量正在追赶国际广商，占据了一定的市场份额。
控制器、软件与本体一样，一般由机器人厂家自主设计研发。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此，控制器的市场份额基本和机器人保持一致，国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。
工业机器产业链的中游为机器人本体生产商，主要负责工业机器人支柱、手臂、底座等工业机器人主体机械结构部分的生产与组装。
根据机械结构形式，工业机器人可大致分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，并联机器人，关节型机器人等。其中关节型机器人功能最为强大，适用范围最广。
机器人本体的主要技术指标包括工作范围、负载、重复性精度、响应速度、自身总量、功耗等。不同种类或行业的机器人，对技术指标有不同的侧重要求。比如，汽车行业的焊接机器人对关节型机器人本体有较高的精度和速度要求，而码垛类机器人、搬运机器人则对负载能力要求比较高，应用于电子行业较多的scara机器人则对精度和速度要求较高。
中国工业机器人市场一直被外资企业垄断，2013年外资企业在中国销售的工业机器人超过2.7万台，占到了总销售量的74%。其中，ABB、发那科、安川电机、库卡四大家族占到了65%左右的份额，几乎垄断了工业机器人制造、焊接等高端领域。
机器人系统集成是指在机器人本体的基础上，根据机器人的不同应用类型为其安装不同的执行装置，将机器人本体和附属设备进行系统集成。按照应用类型的不同，工业机器人可大致分为焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、喷涂机器人、切割机器人等。
从产业链角度看，下游的系统集成是机器人商业化、规模化普及的关键，但相对产业链别的环节来讲，系统集成的壁垒相比来说较低、与上下游的议价能力较弱、竞争较为激烈，同时也是国内企业大批量进入的领域。
目前由于国内大批的企业进入系统集成领域，下游需求端的竞争相对激烈，上游由于不具备核心壁垒导致议价能力较弱，使得硬件产品价格和利润年年在下降，工业机器人的系统集成领域已经很快从新兴起的产业逐渐转向类传统制造业范畴。
目前，传统工业机器人主要是解决传统制造业的效率问题，特点是工作于静态、结构化、确定性的无人环境中，以固定时序完成重复性作业，这种机器人的工作特点在于空间相对隔离、与人非接触、预编程或示教再现控制、需要外部安全保障。
未来工业机器人的产业趋势伴随制造业本身的升级和转型也将发生明显的变化，小批量、多品种、短周期、个性化成为新兴制造业的显著特点，也是未来制造业的主要生产模式。
柔性制造、个性化制造等新兴制造模式将成为未来制造业的发展趋势，因此对于工业机器人来讲，下一代工业机器人是一种可融入人类生产、生活环境、与人优势互补、合作互助，进而成为具备可变作业能力的人类助手型机器人，类似abb公司研制的YuMi机器人。请加微信号：robotinfo 学习工业智能化知识返回搜狐，查看更加多
