2013智能机器人战略性技术路线图01151510.doc

智能机器人战略性技术路线图上海市科学学研究所2012年2月研究报告原创性声明本人郑重声明：所呈交的研究报告，是本团队独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本报告不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 项目负责人签名： 日期： 年 月 日课题组成员名单组 长： 王迎春 上海市科学学研究所博士成 员： 傅翠晓上海市科学学研究所副研究员金爱民 上海市科学学研究所博士首席专家： 方明伦上海大学终身教授专 家： 陈卫东上海交通大学教授何永义上海大学教授杨 军上海电气中央研究院机器人研究室主任刘品宽黄萱菁葛 彤郭 帅童上高刘劲松张阳新王如冈上海交通大学复旦大学上海交通大学上海大学上海沃迪自动化装备有限公司上海微松工业自动化有限公司上海未来伙伴机器人有限公司上海如冈自动化控制技术有限公司教授教授教授副教授总经理董事长副总经理总经理目 录第一章 研究背景和意义1第二章 未来前景与产业规律22.1未来前景22.1.1国际机器人的历史与趋势22.1.2国内机器人发展前景与形势42.2产业规律与中国挑战62.2.1国际机器人发展的经验与规律62.2.2中国机器人发展的挑战与机遇82.3未来情景11第三章 上海的基础与战略选择123.1上海的现状与基础123.1.1积累与优势123.1.2不足与问题133.2上海的发展战略与重点领域133.2.1战略路径选择133.2.2战略定位与重点领域15第四章 技术体系与技术路线184.1工业机器人184.1.1产品领域184.1.2技术体系与发展路径204.1.3重点产品的战略性技术路线图234.2服务机器人274.2.1产品领域274.2.2技术体系与发展路径284.2.3重点产品的战略性技术路线图30第五章 基本结论与建议365.1基本结论365.2对策建议365.2.1政府作用：战略引导与资源整合365.2.2对策建议3740第一章 研究背景和意义机器人是代替人类工作的高端自动化智能机器，是以柔性制造和绿色制造为特征的新型制造业的中枢，是未来人类工作、生活的智能助手，是未来人类社会的基础装备。融合“感知”、“决策”、“执行”的机器人技术将成为经济、社会的通用目的技术，渗入各个领域，促进产业融合，人类将进入“RT时代”。智能机器人的大规模应用将是与网络的普及相提并论的大事件，会把科技革命和人类社会推向一个崭新的阶段，未来所有的机器都将是网络智能机器人。机器人产业是产值巨大的高端命脉产业，是制造和服务高度融合的产业，是发展潜力无限的战略性新兴产业，关系到国家和区域的安全、核心竞争力与领导力。目前，机器人产业在发达国家已经成熟，机器人技术在军事、生产和生活等各个领域广泛应用，几大机器人巨头在高端工业应用领域已初步形成垄断格局。中国也即将成为全球最大的工业机器人市场，今后几年成为中国机器人产业发展的关键阶段。近一二十年特别是国际金融危机以来主要发达国家都把机器人产业和技术的发展作为国家战略加以推动，以期继续保持对世界经济结构的主导权。我国也在十二五规划中明确要发展机器人产业，中国部分发达省市相继出台了相关政策大力推动机器人产业的发展，以期为区域经济结构的转型升级奠定基础，在未来的区域竞争中占领制高点。上海作为中国的经济中心城市，正处于“创新驱动，转型发展”的关键时期，发展高端制造业和现代服务业成为上海能否成功转型的关键。其中发展什么样的高端制造业和如何发展高端制造业是摆在决策者面前的重要课题。机器人是未来制造业的核心部分，其应用正在掀起一场制造业革命，美国总统奥巴马在2012年国情咨文中也明确指出要把发展智能机器人产业作为美国重新主导世界制造业的核心战略。鉴于机器人在未来经济结构中的核心地位，其发展的水平直接关系到上海未来的城市功能和地位。因此，机器人产业是上海的必争产业。目前，上海在技术储备和产业基础方面已经具备了发展机器人产业的良好条件，但还没有形成龙头企业和协同发展的合力。因此，上海需要从宏观战略上明确定位，顶层设计，整合资源，形成组合拳，大力推动机器人产业集群的发展，为上海的成功转型和在未来中国产业结构中的领导地位奠定基础。本报告在上海市科委的指导下，组织相关专家展开研究，目的是为上海市发展机器人产业和技术提供明确的战略和路径参考。第二章 未来前景与产业规律2.1未来前景2.1.1国际机器人的历史与趋势机器人技术是生机电一体化的技术，技术和产业带动大，技术门槛高。机器人按照应用领域和技术特点分为工业机器人和服务机器人。根据国际定义，工业机器人为应用于生产制造领域的机器人，是制造业智能化的核心部分，其应用已经引起了制造业范式的革命。日本机器人巨头FANUC创始人 稻叶清右卫门认为：“日本制造业将被这种智能机器人所改变，不仅能够使生产成本低于中国制造，而且这种机器人还无法轻易仿造。”服务机器人是指除从事工业生产以外的一大类半自主或全自主工作的机器人。服务机器人分为专用和家用两种。专用服务机器人包军事、公共安全、勘探、航空、医疗机器人等，通常也称为特种机器人，专用服务机器人技术已经成为国家安全的命脉。而家用服务机器人主要指家政及娱乐机器人，主要包括养老助残、教育培训、智能玩具等，家用服务机器人是人类未来生活的伙伴。微软创始人比尔盖茨指出，“机器人将与30年前的个人电脑一样迈入家家户户，彻底改变人类的生活方式。” 20世纪60年代初机器人诞生于美国，在日本和欧洲发展壮大，日、美、欧被称为世界机器人技术发展的三极。近些年韩国机器人产业发展迅速，逐渐占据重要地位。机器人是未来新型制造业的核心装备，它代表了柔性化、绿色化、数字化的智能制造，半个多世纪以来，机器人相关技术发展迅速，在各个领域广泛应用。目前，电子、汽车等“精密制造”领域，已主要应用由机器人组成的自动化生产线；日本、德国、韩国等还已相应地形成了非常成熟的机器人制造模式。工业机器人在各行业的金属加工、物流、装配等环节起到越来越重要的作用。同时，服务机器人也在蓬勃发展，在军事、公共安全等领域扮演重要角色，并将继家电、电脑之后将进入千家万户。图1 2008-2010年全球各应用领域每年工业机器人供给情况(单位：台) 数据来源：国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）据IFR（国际机器人联合会，International Federation of Robotics）数据，到2014年，全球每年新安装工业机器人将达到 16.67 万台。但这一发展趋势在加快，2011年工业机器人销售创历史纪录，已达到16.5万台据科技部服务机器人科技发展“十二五”专项规划引用国外最新权威预测，全球个人/家用机器人的市场规模将由2009年的870万台，增加到2010-2013年将达到1140万台；服务机器人的产值将由2010年的约171亿美元，增加到2025年的517亿美元。在个人/家用服务型机器人中，目前的销售量主要集中在清洁机器人和玩具机器人领域。此外，教育机器人和安保机器人也占了很大份额，而助残机器人目前的销售量还比较小，但预计在今后几年将迅速增长。金融危机后世界主要发达国家纷纷布局机器人产业，以期在产业变革中占得先机。经济学人今年4月21日文章认为智能机器人将和3D打印机等一起改变传统的制造业模式，导致“第三次工业革命”。美国在其2011年发布的先进制造业伙伴计划中明确表示，要重点发展以机器人技术为核心的智能制造。“机器人王国”日本持续发力，组织相关各界编制了机器人发展路线图。韩国2008年、2009年相继发布智能机器人开发与普及促进法与第一次智能机器人基本计划,目标是到2018年使韩国成为全球机器人主导国家。2.1.2国内机器人发展前景与形势一、中国市场发展迅速，2014年将成为世界最大的工业机器人市场作为世界最大的制造业国家，机器人在中国正得到日益广泛的应用。由于劳动力成本上升，技术要求提高，机器人成本下降等因素，近几年来中国的机器人市场迅速膨胀，是世界上增长最快的区域市场。据IFR（国际机器人联合会）数据，到2014年全球每年新安装工业机器人将达到 16.67 万台，届时我国的工业机器人年装机量将超过日本，达到近3.2万台，将近世界总量的20%。但由于外企很难注意到正在兴起的中低端市场，这一估计是相对保守的。种种迹象表明中国正处于机器人产业爆破式发展的前期。数据来源：IFR （国际机器人联合会）图2 2001-2010年 中国新安装工业机器人(单位：台)从市场存量和机器人密度来看，中国的市场潜力巨大。截止到 2010年底，中国运行中的工业机器人的为5.23万台，数量仅为日本的18.3%，德国的35.3%。2006年至2010年，中国汽车行业每万名员工的机器人数量从37台增加至105台，这与发达国家还有很大差距。从汽车工业协会2008年11月提供的具体数据看，日本和意大利机器人密度分别达到1710台和1600台，德国为1180台，法国1120台，西班牙950台，美国770台，英国610台，瑞典630台。中国还有很大的提升空间。数据来源：IFR （国际机器人联合会）*预测值 图3 2010和2014年各国/地区每年新安装工业机器人情况(单位：台)，北美包括美国、加拿大和墨西哥从市场结构来看，中国的机器人市场不但如电子制造、汽车制造等“精密制造”领域发展迅速，一些新兴的中低端市场也迅速扩大，如工程机械领域，一些过去传统的劳动密集型企业如石化、粮食、建材、化肥、饲料等领域发展迅速，甚至超过了汽车行业的增长速度。如2011年广东穗丰面粉开始包装技术改造，一次性引进沃迪全自动机器人码垛系统5台套。ABB今年已经与大同煤矿合作为其提供码垛机器人解决方案。二、外企步步紧逼，意欲持续瓜分中国市场外企已经在传统机器人应用领域形成了市场和技术垄断。从市场来看，外企已经在汽车和电子制造等领域形成了市场垄断，本土企业产品很难进入。从技术路线来看，外企完成了对通用机器人技术路线的锁定，中国企业处于被动的跟踪模仿阶段。为了应对中国等新兴市场的迅速扩大，外企一方面扩大本国产能，另一方面通过设厂等战略扩大在中国的存在。日本FANUC公司于今年启动了位于日本山梨县的工业机器人新工厂，将使生产汽车用的焊接多关节机器人的月产能力扩大为原来的2倍，达到月产5000台。上海FANUC于2010年10月搬入新工厂，将达到机器人及其成套系统3800套、智能机床及注塑机1400台的设计能力。安川电机宣布在中国江苏常州市设立产业机器人生产基地，2013年春季开始正式生产，到2015年生产能力达到6000台，这是日本工业机器人大厂商第一次在海外生产。ABB提出“立足中国，服务全球”的战略，2009年5月上海ABB工程有限公司在上海落成全新的生产基地，ABB在中国的机器人产能实现成倍增长。三、兄弟省市大力发展，志在产业升级中占领先机重庆提出建设品种最齐全机器人基地，打造“机器人之都”，联合国内外著名企业和科研院所成立了机器人科技创新联盟和机器人技术与产业发展公司，致力于工业机器人、服务机器人、玩具机器人等七大领域的研发和产业化工作，并招商引资，吸引国内外从事机器人研发、生产的机构、人才和重点企业来渝创新创业。广东成立机器人产学研战略联盟，召开的广东省机器人发展论坛，成立了广东省机器人专业委员会。山东计划3年内推动机器人产业规模上10亿，实施30项机器人研发和产业化重点项目，建设5-10个重点实验台，培育5家左右骨干企业，成立山东省机器人发展专家咨询委员会，建立机器人技术创新联盟、重点实验室和工程技术研究中心，对面向加工制造业的工业机器人实行15%的企业所得税减免等优惠措施。辽宁加速开发服务机器人并加快其产业化，将服务机器人列入发展规划，建设中科院沈阳自动化研究所和沈阳新松机器人自动化股份有限公司成为机器人的两大基地。徐州成立江苏省信息化与工业化融合示范基地(机器人产业)，制定了8项鼓励机器人产业发展扶持政策，设立了500万元的政府引导资金。上海周边地区发展迅速，纷纷吸取上海资源，“环上海”机器人产业带开始浮现。昆山努力打造我国智能机器人研发、产业孵化和技术转化基地，成立了昆山工研院智能机器人研究所，形成了华恒焊接股份有限公司等龙头企业。南通建设中国机器人科学文化公园，打造成国内研发和制造智能机器人的重要基地，召开了中国机器人技术与应用高峰论坛，建立了中国机器人科技馆。常州成立江苏省机器人联盟，吸引了安川电机机器人制造工厂项目。杭州也推出了相关举措，吸引沈阳新松斥资15亿元占地约500亩，打造南方研究创新中心及产业化基地。2.2产业规律与中国挑战2.2.1国际机器人发展的经验与规律从历史来看工业机器人产业和技术的发展体现出以下规律和趋势。一、政府战略是关键，市场需求是核心驱动力历史上，英国、日本、美国等主要发达国家在发展机器人产业时由于不同的认知，采取了不同的发展战略和发展模式，导致了不同的结果。英国的机器人技术起步较早，但政府由于担心机器人技术会带来失业等相关影响，减弱了对机器人技术的支持，错失了发展机遇。美国则重点发展信息产业，忽视了机器人产业，但是军工领域一直保持对机器人技术的支持。美国在工业机器人产业化方面较弱，但在生产中对机器人的应用较为深入，并且在服务机器人方面的技术储备雄厚。日本政府把机器人作为国家核心战略，通过持续大力支持，逐渐成为机器人王国，全世界曾一度有60%的工业机器人集中在日本。在机器人发展过程中，日本政府采取各种措施进行支持，包括采用颁布法律在某些领域强制使用、调整税制等办法扩大机器人市场，整体规划、投入巨资发展机器人相关技术等。二、技术与服务融合是机器人产业的特点，丰富的产业生态是机器人发展的基础。机器人作为制造装备是为其他产业服务的，所以其发展与相关产业的发展和需求密不可分，正是汽车产业的需求培育了工业机器人产业。其他产业的发展与变化会带动机器人的发展，而机器人本身的技术成熟和成本下降又会导致其他产业的升级转型。目前，机器人产业形成了由核心零部件制造商、整机制造商、集成应用服务商和用户构成的产业系统。正是这样丰富的产业生态推动了日本机器人产业的发展和成熟，与此相关形成了几种基本的业务模式：整机制造商出售单机给集成服务商，由集成服务商针对用户的需求制定解决方案（主要是自动化生产线）；整机制造商出售机器人工作单元给集成服务商，由集成服务商针对用户的需求制定解决方案；整机制造商直接向用户提供整体解决方案。随着竞争的加剧，单机的利润空间不断压缩，龙头企业开始整合产业链上下游，整机制造商越来越倾向于出售整体解决方案。三、量产应用、现场与研发的紧密互动是培养企业技术能力的基本途径，核心零部件是产业的要害，汽车产业决定了工业机器人最初的技术路径。工业机器人是一种典型的实践性技术，日本的研发工程师非常重视与现场用户的互动，技术的问题和需求都是从现场获取，并且迅速反馈到研发人员那里，持续的应用使技术不断成熟并且产生新的生产模式。机器人产业对于数控系统和伺服电机等核心零部件有着天然的依赖关系，机器人核心零部件的技术水平决定了机器人产业的水平，核心零部件占了机器人单机成本的较大份额。ABB、FANUC和YASKAWA等几个企业都是从核心零部件起家发展起来的。目前，世界上70%的机器人都是用的日本帝人公司的减速机，其产量决定着世界机器人的产能。机器人的起源决定了所谓的通用机器人也有其特殊的技术路径。因为机器人是汽车产业孵化出来的，所以目前的通用机器人技术深受汽车产业技术特点和生产模式的影响，比如更适用于薄板焊接的特点等。2.2.2中国机器人发展的挑战与机遇一、中国机器人产业的问题从目前国内机器人产业的局势来看，发达国家机器人企业控制中国产业链，垄断了技术和高端市场。中国缺乏成熟的整机企业，零部件严重依靠进口。从市场来看，外企已经在机器人传统市场如汽车和电子制造等领域形成了市场垄断，本土企业产品很难进入。从技术路线来看，外企完成了对通用机器人技术路线的锁定，中国企业处于被动的跟踪模仿阶段。从能力水平和产业链来看，中国企业技术能力普遍低下，多从事后端的集成服务，前端的核心零部件和整机都主要依靠进口，处于价值链的中低端。除了搬运机器人之外，中国还没有在焊接等通用机器人领域形成具有量产应用的品牌整机制造企业。虽然中国的机器人市场已经成熟，但是产业自主性非常低。中国机器人产业有以下几个方面的特征：1、国家长期支持技术研发，形成了一定的技术和人才储备，但由于缺乏系统、稳定的战略，特别是没有市场应用导致技术缺乏转化渠道，长期以来没有形成成熟产业。我国从七五开始支持机器人技术的发展，863计划把机器人作为重要领域进行支持，多年的支持和学科建设为中国培养了大批机器人研发人才，并形成了一定的研发基础。但是由于劳动力丰富，中国的产业结构在国际产业分工中处于低端环节，使中国的制造业没有采用机器人的需求和动力，市场难以开启，没有市场就没有产业。长期以来，中国的技术都局限于研究室之中，没有实现大的突破，缺乏市场是中国机器人技术长期没有突破的主要原因。同时，国家没有系统、稳定的规划和战略，比如对工业机器人的支持断断续续，难以取得重大成效。目前，我国机器人技术相关专利主要集中在高校，企业偏少。一方面是因为企业成长晚，另一方面企业技术实力也较弱。2、本土企业近几年发展迅速，成长路径丰富，但是由于外企的强势挤压和自身的技术瓶颈，没有形成成熟的整机企业，核心零部件不过关，产业链不完整。随着近几年中国市场的发展，中国本土企业采取不同的发展模式，迅速成长，较典型的有广州数控、沈阳新松、富士康、昆山华恒等。广州数控从数控机床领域切入机器人产业与FANUC的路径相似；沈阳新松基于中科院沈阳自动化所的科研力量发展起来，目前主要是发展AGV和自动化仓储业务；富士康从用户起家，首先内部开始应用机器人，模式成熟后再外销，但是机器人的技术水平不高；昆山华恒是焊接领域的集成服务商，也准备进军机器人市场。以上这些企业，除富士康和广州数控外，规模偏小，并且在通用的焊接、喷涂等机器人领域没有突破，更重要的是绝大部分产品都采用了外国的核心部件。由于没有形成规模化的整机制造商，我国还没有专门的机器人零部件供应商，这使专门的零部件攻关非常困难。缺乏大型整机制造商的牵引和对产业链的整合，没有形成产业技术能力成长的平台，成为中国核心零部件不过关和产业弱小的关键原因。3、中国机器人产业或将沦为外国企业的配角一方面外企利用技术优势不断扩大在中国的存在，把原来设立研发中心，销售服务中心的战略推进到直接在中国设厂进行制造。另一方面，中国政府对待机器人产业的态度和推动模式也促进了外企对中国企业的挤压。目前，部分地方政府通过引进外企制造商、本土大型企业与外资合资的形式来发展机器人产业，然而这些合资企业没有换来技术，反而造成了对中国本土企业的挤压。中国大部分机器人企业成为了外企的配套生产商和集成服务商。可以说整个中国机器人产业是围绕外企建立起来的。同时我国现行的关税政策也不利于本土企业的发展，机器人整机进口零关税，零部件进口关税反而较高，增加了本土企业进行整机生产的成本。二、今后几年是中国机器人产业的战略机遇期中国拥有广阔的市场和特定的需求。目前，外企对传统市场的增长已经应接不暇，且受制于减速机的产能，暂时还无暇顾及正在浮现的新型市场。这是中国企业的一个时间机会，如果等到外企对中国的各级市场开始熟悉，并且提升到足够的产能时，中国的企业就很难再与其竞争。日益扩大的机器人应用形成了很多细分市场，这为技术相对落后的中国企业带来了进入市场的机会。从市场竞争的角度，中国机器人企业可以快速切入细分市场，以产业应用带动核心技术研发，最后再向其他市场扩展。总体来看，中国正在迎来机器人产业发展的重大机遇，但也面临巨大挑战。一方面机器人产业发展形势紧迫，成为国家竞争力的重要指标，中国需要强大的机器人企业。另一方面中国地方政府的做法大多追求GDP目标，没有立足自主创新，缺乏明确和独特的发展路径。现状表明中国机器人发展需要系统、稳定的战略，需要本土企业的快速成长。中国机器人产业发展关键是发展模式问题，如何把核心零部件攻关与整机制造结合起来发展更是关键中的关键。2.3未来情景 降低劳动力成本，提高生产效率； 打破国外产品垄断，发展自主产品，培育本土龙头企业； 掌握核心技术，降低国内机器人生产成本 服务家庭生活，改善生活质量； 保护国防安全，有必要自主研发相关特种服务机器人； 创新生活方式，改善教育和娱乐环境产业和市场全球工业机器人到2014年，全球每年新安装工业机器人将达到 16.67 万台。中国将成为世界最大的工业机器人市场。技术研发面向工程机械领域的工业机器人；搬运机器人其他经济型机器人； 融合智能机器人和机床的机器人加工单元； 康复训练机器人；助老助残机器人； 教育娱乐机器人；公共安全机器人;水下服务机器人；工业机器人产品关键技术推进战略目标：中国机器人产业的研发设计、制造、服务支持中心。国际机器人产业的高端节点和互动平台。思路：从中国产业升级的市场需求和上海应用基础出发，立足自主创新，用本土市场培育技术能力。培育企业是核心，发展技术能力是关键，占领市场是先机。路径：从整机制造商入手，牵引产业上下游发展和技术攻关，整机与零部件生产商紧密合作联合攻关。发展高端专业化的集成服务商。2010服务机器人产品 服务家庭生活，改善生活质量； 保护国防与公共安全，自主研发相关特种服务机器人； 创新生活方式，改善教育和娱乐环境公共安全、助老助残、教育和娱乐是国内服务机器人的未来需求。机器人在各领域得到广泛应用，成为普遍的智能制造核心装备。全球服务机器人的产值2025年将增加到的517亿美元。未来，融合“感知”、“决策”、“执行”的机器人技术将成为经济、社会的通用目的技术，渗入各个领域，促进产业融合，人类将进入“RT时代”。20152020本体设计制造技术、机器人智能控制技术、多机器人协作技术、非结构化环境的信息感知技术、机器人的模块化设计技术等精密减速器、伺服驱动器和电机、嵌入式控制器、传感器总体需求图4智能机器人未来情景与战略图第三章 上海的基础与战略选择3.1上海的现状与基础3.1.1积累与优势一、上海已经成为中国最大的机器人产业集聚区首先，世界四大机器人巨头不约而同地将中国总部设在上海。由于上海良好的资源条件和辐射能力，国际产业界的四大机器人巨头：总部在瑞士的ABB，日本的FANUC（发那科）、YASKAWA（安川电机），德国的KUKA（库卡）都将其中国总部或机器人总部设在上海。这四家企业在中国市场占有率总共约近80%，其中前三家企业在全球的机器人销量都突破了20万台，库卡公司销量也超过了15万台。发那科通过合资的方式1997年与上海电气联合成立上海发那科机器人有限公司，专门负责发那科机器人在中国的销售和服务业务。ABB于2006年4月将其机器人全球总部迁至上海，其在上海生产的机器人销往世界各地。其次，本土机器人企业不断涌现，成长速度惊人。外企形成了一定的产业氛围和集聚效应，培养了一批集成服务商和部件供应商。目前上海直接从事机器人生产与服务的企业有几十家，近几年成立的较多，遍布于产业链的各个环节。目前上海自主研发的机器人企业虽然都是中小企业，但是发展迅速。上海沃迪科技有限公司2011年机器人产量只有50台套，销售收入为3250万元，但是启用新工厂后，计划2014年搬运机器人产量达到1000台套二、上海具有较好的人才团队、技术储备和产业配套条件以上海交通大学、上海大学为主要代表的研究机构主要从事工业机器人和特种机器人的设计、应用和开发等方面的研究；以复旦大学、同济大学为代表的研究机构主要从事机器人智能控制等方面的研究。研究团队的负责人多为经验丰富的教授或副教授，多数有留学经历或在国外从事过相关研究工作，承担多项国家863项目、国家自然科学基金项目、02专项等，在工业机器人、医疗服务机器人、特种服务机器人、以及教育娱乐用服务机器人方面具有较雄厚的研究实力。上海有上海机床厂、开通、安乃达等相关企业，可以从事机器人的控制器、电机和驱动器的开发，因此有可能通过努力形成本地化的零部件配套体系。而上海的工程机械、汽车、大飞机、轮船、电子制造等优势产业都是很好的产业应用环境。3.1.2不足与问题上海的产业发展还具有各方面的问题，缺乏企业主体和资源整合。首先，缺乏规模化的自主研发企业，未形成带动效应。与其他兄弟省市相比，上海市还未形成规模较大的本土研发企业，与沈阳新松、广州数控等外地企业相比，上海企业还相对弱小。上海的零部件企业还未与整机企业建立稳固持续的研发攻关，产业链资源需要进一步整合。其次，研究开发规模不够，缺乏从实验室向产品的转换机制。掌握机器人的相关技术需要长期的积累和沉淀，而上海目前的研发还处于零散状态，没有相应整合，缺乏系统而持续的支持，因而研发不够连续，没有形成过硬的核心技术和关键器件。虽然上海科研院所中的机器人研发队伍较强，成果较多，但这些成果大多停留在实验室阶段，没有完成向市场应用的转化。相比哈工大和沈阳自动化所，上海本土科研院所还未孵化出规模较大的自主研发机器人企业。第三，有影响的大企业还未真正介入。由于业务结构和体制等原因，部分国有大企业目前趋于合资、购买进口产品，对自主研发机器人的热情不高。部分民营大企业对国内机器人核心部件技术没有信心，也未能开展机器人本体研发。3.2上海的发展战略与重点领域3.2.1战略路径选择上海要发展工业机器人产业，必须立足于提升本土企业技术能力和市场占有率，要发挥自身比较优势，打破外企对技术和市场的垄断。从中国机器人产业的现状、上海的基础和机器人产业的规律出发，我们认为，上海的工业机器人发展战略应为：错位竞争，整机牵引，以本土市场培育技术能力。一、错位竞争包括市场领域错位和技术发展策略错位在外企垄断的汽车和电子制造领域，由于技术要求较高和市场锁定性强，本土产品很难进入。因此市场领域错位就是要避开外企所垄断的传统机器人市场（汽车和电子制造），快速进入外企还未完全垄断的，上海有应用基础、技术要求适中的新兴市场。由于外国企业对机器人技术路径的锁定效应，如果中国企业一直跟随外企的技术路线，就会落入学习、落后，再学习、再落后的怪圈。在发展技术能力的基础上适当绕开外企技术路线应是较好发展策略。技术路线错位即在开始发展时，针对中国市场的特殊情况，紧紧围绕核心需求，去除不重要的边缘需求，先做专用的智能机器人，形成技术能力后，再拓展到通用机器人。基于此，我们建议上海重点从工程机械领域的焊接和通用的搬运领域切入机器人产业。世界最大的工程机械制造市场就在中国，上海有龙工、三一重工、徐工等大型工程机械的子公司，并且有相近的造船产业，此方面的需求量大。与汽车领域的薄板焊接不同，该领域对于机器人的要求是特定领域的厚板焊接。可以先尝试从智能化专机入手切入这个行业。近几年由于劳动力成本上升，国内酒业、粮食加工等行业需要大量合适的搬运机器人，并且随着物流业的日益重要，对自动化的需求也迅速扩大。我们可以根据以上两个领域需求特点，进行专门化设计，采用立基于中国市场的技术路线发展机器人产业。二、整机牵引的含义在于通过大规模量产的整机制造，整合引领包括零部件制造商和科研单位在内的整个产业链、创新链的发展。发展自主品牌整机最重要的意义在于可以形成完整的技术研发与积累平台。对于后发国家的新兴产业来说，没有整机的发展，零部件没有试用平台，也必然难以突破。缺乏大型整机制造商的牵引和对产业链的整合，没有形成产业技术能力成长的稳定平台，是中国核心零部件不过关、科研难以突破和产业弱小的关键原因。虽然机器人技术的应用扩散是从高端产业到低端产业，但后发国家却可以从低端向高端赶超。中国现在的问题不是技术低，而是没有技术研发、试用、积累的平台，只要有了平台可能实现从低端到高端的爬升。建立技术平台的基本前提是自主产品的持续研发和规模应用。要以整机为牵引，形成产学研、整机商与零部件商联合攻关的技术发展模式。零部件制造商为整机制造商定制零部件，整机制造商提出需求参数并将应用情况及时反馈给零部件制造商。根据国际经验，大部分主要整机制造商是从零部件制造商和相近产品制造商发展而来。上海没有零部件方面的大型企业，但是具有做相近产品的大企业集团和中小型零部件配套企业。根据现实情况政府要关心支持本土特色机器人企业，如上海沃迪自动化装备股份有限公司（目前国内实现搬运机器人量产化水平最高的公司）等，争取抓住机遇，将这一类中小企业快速发展为大型企业。发展整机企业，上海可以争取采用大企业和用户型企业发展的战略。整机制造需要对于产业链的整合能力，需要较高的技术和资金要求。最理想的是采取大型制造企业直接切入的方式，这种大型企业应该具备较完整的研发和制造能力，在此基础上，如果该企业本身还是机器人的用户，那将是最理想的状况。技术上可以采用先内部试用，再向外推广的方式。比如政府推动制造业相关企业发展机器人产业，或引导大型用户型公司进行机器人制造，可以先在内部消化，再推向市场。三、以市场应用培育技术能力的核心逻辑是先占领特定的细分市场，通过量产应用逐步将相应技术成熟化，进而培育本土自主研发企业的技术能力，待技术能力达到一定程度后，再向通用市场发展。巨大的本土市场是我们的优势，如何把市场优势转化为技术优势是中国机器人产业发展的关键。历史证明只有实现量产应用才能促进技术转向成熟，并且通过研发与现场的互动促进技术发展。中国市场的基本特点是规模大、复杂程度高，由各种细分市场组成。以市场培育技术能力的分为三个方面的含义。一个是用本土市场的个性化需求塑造独特的技术路径；二是利用本土市场规模应用来促进本土企业技术趋于成熟；三是用市场机制来促进创新，培养市场竞争的主体。机器人的整机产品一开始为了系统的稳定性，可以部分采购外国零部件，但随着国产部件的不断发展，成熟一个替换一个，最终实现整机的国产化。在这一过程中，必须坚持自主机器人整机的产品开发，必须坚持对核心部件的联合攻关，否则最终会沦落为没有核心技术的组装产业。在产业发展初期，由于国外零部件价格较高，可能采用外国部件的本土机器人单机价格暂时无法与外国进行竞争。对此，我国机器人企业可以发挥本土企业的优势，走直接向用户提供整体解决方案的道路，通过解决方案的价格总体上稀释零部件成本，同时用优质的服务弥补技术暂时的不足。3.2.2战略定位与重点领域一、战略定位能否成为中国的机器人产业中心，关系到上海未来的战略地位，从战略上来讲未来中国和上海机器人产业发展可能有以下几种情况：图5注：横轴为中国机器人产业发展情况；纵轴为上海机器人发展战略情况。上海机器人产业和技术发展的战略定位必须着眼于上海的转型发展的大计和自身的基础。目前上海的机器人设计和研发企业数量已初具规模，而大型国际知名机器人企业的纷纷落户上海，为机器人的集成服务提供了广阔空间，由此，上海未来机器人发展的战略定位可考虑为：“中国机器人产业的研发设计、制造、服务支持中心。 国际机器人产业的高端节点和互动平台。”上海要培育能够代表中国参与国际竞争的机器人龙头企业。形成特色产业集群，整机制造商、核心零部件供应商相互支撑的产业生态系统，形成产学研紧密互动的技术创造与转化系统。二、重点领域遴选思路：从市场需求出发到行业领域，再到产品类型。遴选原则：量大面广，上海有应用基础，有技术基础，技术难易适中，不与外企高技术直接竞争，可实现国内成熟技术的应用推广，有市场竞争优势，外企还没有进入或占领，但又前景巨大的利基市场，适合快速切入并向其他市场延伸。遴选结果：表1 上海机器人发展重点领域遴选表类别应用领域遴选原则上海有应用基础上海有技术优势产品量大面广市场机会技术难易适中有特色工业机器人汽车领域工程机械飞机制造电子电器新兴领域医疗服务机器人康复医疗家庭服务机器人助老助残教育娱乐特种服务机器人生物医药军工水下公共安全表2 上海机器人发展重点产品遴选表应用领域重点产品遴选原则上海有技术基础技术难易适中量大面广市场机会有特色有应用基础工程领域焊接搬运装配洁净喷涂康复医疗康复训练医疗手术助老助残智能轮椅护理床智能助行器教育娱乐教育器械智能玩具水下观察/检测/轻作业ROV作业型ROV水下重载作业装备公共安全防爆核能检测消防如表1、2所示，可确定上海机器人发展的重点领域和重点产品分别为：1、面向工程机械领域的厚板焊接机器人；2、新兴应用领域的搬运机器人；3、面向医疗领域的康复训练机器人；4、面向助老助残领域的智能轮椅；5、面向儿童的高端智能玩具；6、面向水下作业的作业型ROV机器人。7、面向核电站检测和防爆的公共安全机器人。第四章 技术体系与技术路线4.1工业机器人4.1.1产品领域工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人的分类方法众多，如: 按照运动机构划分可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型等。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。智能传感器技术在工业机器人领域的运用中起着至关重要的作用。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，部分机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策，获取的环境与操作对象的信息以实现反馈控制，进一步增加自适应、自学习功能，进而能在较为复杂的环境下工作，适应不同作业任务的需要，发展为智能型工业机器人。 结合上海的现状基础，梳理工业机器人产品体系如图5-1所示。产品领域主要用途研究开发的方向焊接，喷涂l 汽车及零部件l 工程机械l 飞机制造l 电子电器点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人 焊缝实时智能跟踪及反馈 焊缝成形质量控制技术 多机器人变位、协调控制搬运l 机床上下料l 冲压自动化生产线l 码垛搬运l 食品饮料生产线搬运机器人、码垛机器人、装箱机器人 搬运机器人本体结构优化设计 视觉识别技术 高速精确定位控制洁净环境操作l 平板显示搬运l 半导体加工l 医药生产洁净机械手、洁净移动机器人 洁净设计技术 平稳运动控制技术 可靠性设计装配l 柔性装配生产线l 汽车动力总成装配l 飞机装配装配机器人、铆接机器人，钻孔机器人 装配系统总体设计技术 多功能末端执行器技术 装配系统集成控制技术表3上海工业机器人产品体系图4.1.2技术体系与发展路径一、关键技术架构作业对象：工业设备 整机设计技术感知系统人机交互系统控制器及控制算法法驱动系统执行机构外传感器内传感器工业环境控制系统多机器人协作技术配套生产线技术图6工业机器人技术体系框架二、技术体系工业机器人主要包括机器人本体、精密减速器、伺服驱动器和电机、嵌入式控制器和传感器五大部分。从产业发展的角度来说，机器人用电机、减速器等关键部件是影响机器人产业发展的重要因素。我国在相关零部件方面与国外存在较大的差距，特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此，国产机器人产业要获得发展就需要解决机器人的关键共性技术及高附加值零部件等。分析和研究上海的现状基础，上海工业机器人技术体系如图5-3所示。面向普及初期的确立技术举措“十二五”期间的举措现有举措: 上海的优势技术 : 共性技术 ：能突破的技术 ：能冲击市场的技术 ：必要的基础技术 ：必要的安全性技术 ：标准化技术核心零部件技术要素技术现状和课题今后的举措技术评价机器人本体机器人本体优化设计；高负载自重比执行机构的安全性、轻型化和灵巧性技术现状：结构、功能相对单一；执行机构负载自重比有待提高；末端执行器的柔性和灵巧性不强。现在：开展对机器人本体开展新结构、功能和设计方法的研究；下阶段技术：功能拓展和结构优化；高负载自重比执行机构刚度、安全性；末端执行器的轻型、精密性3-5年：进一步提高执行机构的负载自重比；开展对机构的模块化、可重构技术作研究长远技术：灵巧型机械手5-10年：灵巧型机械手的研究精密减速器谐波减速器、FA摆线针轮减速器、RV涡轮减速器制造技术技术现状：有技术积累和国内替代产品，在输出扭矩高度、精度、效率、寿命上差距较大现在：开展高精密谐波减速器、FA减速器制造工艺的研究下阶段技术：提高制作工艺水平3-5年： 提高制作工艺水平，降低成本长远技术：产品开发5-10年：产品系列化伺服电机和驱动器伺服电机及驱动器的设计、制造技术；技术现状：同步交流伺服电机、直接驱动进电机及驱动器的制造技术现在：全数字交流伺服驱动控制和绝对位置反馈下阶段技术发展机器人专用的伺服电机和驱动器，采用高速通讯总线；3-5年：研究高效控制驱动算法，提高响应速度和控制精度； 长远技术：高效、低能耗、安全、高扭矩执行元件（电、气、液）及驱动器5-10年智能材料应用；高效气动、液压执行元件开发嵌入式控制器控制器设计、开放式标准化的体系结构、控制方式和算法技术现状：运动控制卡、嵌入式控制系统、以工控机和实时系统为核心的机器人控制软件系统现在：研发嵌入式机器人控制器硬件平台，提高控制精度，降低控制器成本，提高人机界面的友好性； 下阶段技术开放性、模块化的体系结构；模块化、层次化的通用软件包；网络化控制器技术3-5年：基于力反馈的安全性控制和柔顺控制；多机器人和操作者之间的协调控制长远技术：提高智能化控制水平5-10年机器人控制器的标准化；基于PC机的网络化、智能化控制器； 传感器传感器的可靠性；新型传感器开发；信息融合；智能传感器技术现状：视觉、力觉等主要传感器得到使用；提高现有传感器的精度和可靠性；现在： 集成电机、驱动器和传感器的驱动单元；视觉图像识别下阶段技术实用性的多传感器信息融合算法3-5年：三维视觉传感器长远技术：多传感器阵列；人机交互中的智能感知技术5-10年生物信号和肢体运动信号采集、识别、理解的算法及实现技术图4工业机器人核心零部件技术体系图三、关键技术实现方案和路径拥有自主知识产权的机器人产品，形成从零部件系列化、整机系列化以及相关领域应用等全方位的机器人研发、制造能力是上海机器人长期发展的目标。因此关键零部件方面，攻克机器人本体、控制器、驱动器及电机相关控制核心关键技术，在机器人控制器、伺服驱动器与电机、精密减速器的研发和产业化上有所突破；整机技术方面，完成工业机器人产品样机的整体机械设计及优化，工业机器人动态响应性、轨迹控制等关键性能上有所突破；在机器人应用技术方面，根据不同行业的使用要求，与行业的工艺相