工業機器人-三個皮匠報告百科

工業機器人是什么

工業機器人是一種通過編程或示教實現自動運行，具有多關節或多自由度，并且具有一定感知功能，如視覺、力覺、位移檢測等，從而實現對環境和工作對象自主判斷和決策，能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環境下體力勞動的自動化機器。

根據機器人的應用環境，國際機器人聯盟(IFR)將機器人分為工業機器人和服務機器人，我國將機器人劃分為工業機器人、個人/家用服務機器人、公共服務機器人、特種機器人四類。

工業機器人的分類

(1)從機械結構來看，工業機器人主要包括:垂直多關節機器人，SCARA機器人、協作機器人及DELTA機器人。工業機器人被設計為不同的形態主要是為了適應不同應用場景的需求。據MIR統計，2020年，我國工業機器人銷量中，這四種類型的工業機器人占比分別為63%、30%、4%、3%^[1]。

(2)按用途來分，工業機器人可分為焊接機器人、搬作業/上下料運機器人、噴涂機器人、加工機器人、裝配機器人和潔凈機器人等。

(3)按結構形式來分，工業機器人可分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人和關節型機器人三種，其中關節型工業機器人以4-6軸為主。

(4)按照負載來分，工業機器人可分為小型負載機器人(負載小于20Kg)、中型負載機器人(負載在20~100Kg 之間)和大型負載機器人(負載大于100Kg)。

工業機器人主要類型

(1)多關節機器人

多關節機器人一般指擁有 6 個旋轉軸的關節機械手臂，其優勢在于類似于人手擁有很高的自由度，適合于幾乎任何軌跡或角度的工作。通過搭配不同的末端執行器，多關節機器人可適用于裝貨、卸貨、噴漆、表面處理、測試、測量、弧焊、點焊、包裝、裝配、切屑機床、固定、特種裝配操作、鍛造、鑄造等大量應用場景。

(2)協作機器人

協作機器人(Collaborative robot)指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交互的機器人。與傳統機器人不同，協作機器人具有很強的獨立性，機器人和人之間可以互換，在生產過程中靈活性非常高。不過其缺點也很明顯，在與人協作過程中，未來保護人的安全，對機器人控制能力和防碰撞能力都提出較高要求，因此協作機器人運行速度普遍只有傳統機器人的 1/3-1/2。此外，為了減少機器人運動時的動能，其設計結構一般較為簡單、重量較輕，這就導致其負載一般只能在 10kg 以下，應用場景受到限制。

(3)Delta 機器人

并聯機器人是指手臂含有閉環結構桿件的機器人，由動平臺、靜平臺和至少兩個獨立的運動支鏈構成，行業內通常將具有3個空間自由度和1個轉動自由度的并聯機器人叫做Delta機器人，從產品結構上來看，Delta 機器人占據并聯機器人市場份額的 60%-70%。與傳統串聯機器人結構不同，并聯機器人其中一個軸的運動不會改變另一個軸的坐標原點

(4)SCARA 機器人

SCARA 機器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，選擇順應性裝配機械手臂)屬于平面關節型工業機器人，結構包括 3 個相互平行的旋轉關節和 1 個垂直于平面的移動關節，分別用與對平面上物體的定位和工業機器人垂直平面內的運動^[2]。

工業機器人產業鏈

工業機器人是設計用來搬運物料、部件、具璇門裝置的可重復編程的多功能操作器，工業機器人技術上向著模塊化、標準化方向發展，功能上向著人機協作、小型化、柔性化、智能化方向發展。工業機器人產業鏈的上游主要為零部件供應商，三大主要零部件為減速器、控制系統和伺服系統﹔產業鏈的中游為機器人本體提供商，主要負責機器人本體的生產，即機座和執行機構，包括手臂、腕部等；產業鏈下游為系統集成商，根據不同的應用場景和用途進有針對性地系統集成和軟件二次開發生產出來的機器人只有通過系統集成之后，才能投入到下游的汽車、電子、金屬加工等產業，為終端客戶所用^[3]。

(1)工業機器人的產業鏈上游主要包括三大核心零部件以及齒輪、渦輪、蝸桿等材料，其中三大核心零部件指減速器、伺服系統和控制器。核心零部件對機器人本體的性能、負荷能力、可靠性等指標起著決定性作用，而且有著較高的技術壁壘，國產化程度低。

(2)產業鏈中游是工業機器人的本體制造。瑞士的ABB、日本的發那科(FANUC)和安川電機、德國的庫卡(KUKA)四大企業被稱為機器人“四大家族”，在全球的工業機器人市場中占據領先地位。與技術壁壘非常高的零部件相比，本體制造的技術難度相對較低，但高端市場的國產化率依然很低。

(3)產業鏈下游主要面向終端客戶，為客戶提供整套解決方案，包括系統開發和集成等。從產業鏈的角度看，機器人本體是機器人產業發展的基礎，而下游系統集成則是工業機器人工程化和大規模應用的關鍵。系統集成的行業壁壘相對較低，國產化率最高^[4]。

工業機器人組成結構

工業機器人的組成結構一般包括五個部分，分別是主體、驅動系統、控制系統、感知系統和末端執行器

(1)主體：主體機械即基座和實行機構，包括大臂、小臂、腕部和手部。構成多自由度的機械系統，一般有6個自由度。

(2)驅動系統：驅動系統有動力裝置和傳動機構，用以實行機構發生相應的動作。按動力源分為液壓、氣動和電動，現在主流的是電動驅動系統，主要包括伺服電機及其配套的伺服驅動、精密減速器。

(3)控制系統：控制系統主要包括微處置器，目前產生了對Soc(SystemonChip)技能的需求?？刂萍夹g的主要任務是控制工業機器人在工作空間中的活動范范圍、姿勢和軌跡、動作的時間等。

(4)感知系統：感知系統由內外部傳感器模塊構成。內部傳感器用于檢測位置和角度，包括位置、角度傳感器；外部傳感器用于檢測所處的環境的狀況，包括距離、視覺、力覺傳感器。

(5)末端執行器：一般用來抓取物體，安裝在機器人6鈾的法蘭盤上以完成給定環境中的任務，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等。

工業機器人市場規模

中國工業機器人市場發展迅猛，尤其是隨著工業自動化進程的加快以及智能制造的深入，機器人應用市場應用領域不斷拓展。2019年四季度開始工業機器人市場開始迎來新的增長機遇。在2020年疫情不利的影響下，全球經濟遭受重創，但中國工業機器人市場逆勢上漲，同比銷量增速達19.1%。2021年，后疫情時代3C領域、汽車市場以及機械加工領域的擴產擴容需求同時發力，帶動中國工業機器市場快速增長。根據國家統計局2021年發布的統計數據表明:2021年中國工業機器人產量為366，044臺同比增長54%。這個數字也充分表明工業機器人在中國制造業市場的發展勢頭迅猛。

根據M2最新統計的市場數據，2021年中國工業機器人市場的總出貨量近24萬臺，同比增長40%；從價值量上看，中國工業機器人本體已經達到75億人民幣左右的市場規模。未來五年內M2預計，中國工業機器人市場將繼續保持25%以上的增速增長^[5]。

工業機器人六大核心技術

(1)伺服電機：短時超負載能力強，體積小，結構中空(某些類型機器人)

(2)精密減速器：減速比大，扭矩、剛性大，體積小，結構中空

(3)算法：路徑、速度、加速度規劃優，誤差補償能力強，行業專用算法適用性強

(4)伺服驅動器：響應快，總線接口多，集成度高，接口開放程度高

(5)控制系統：硬件平臺可靠，軟件平臺穩定，設計模塊化，接口多，可定制化程度高

(6)人機交互：外觀美，操作界面風格選擇多，編程簡單易學，使用疲勞度低

工業機器人與數控機床對比

從工業機器人的起源來看，工業機器人可以認為是“易用型的數控機床”。相比高精度數控機床，工業機器人在具有基本相同的運動結構前提下，技術壁壘較低，通用性更強，更易操作和維護。兩者不同點主要在于外部形態:生產線上數控機床一般作為工作母機，處于中心位置，工業機器人屬于輔助設備，價格更低。這些特點大大擴展了工業機器人的使用范圍，可以把它看做是“易用型的數控機床”^[6]。