工业机器人行业调研报告

工业机器人行业调研报告投资部****、****二零一三年三月三^一日近几年，受我国劳动力出现结构性短缺、劳动力成本不断上升、产业结构转型等因素影响，工业机器人行业发展迅猛。工业机器人已成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志，在市场需求和行业环境已初具条件的基础上，国家也陆续推出相关产业扶植政策以显示其对发展工业机器人行业高度重视。国内工业机器人现阶段主要应用于汽车及汽车零部件制造业，但伴随着其他行业如电子电气、工程机械、烟草、印刷、造纸、食品、医药、军工的发展，工业机器人市场潜在容量非常可观。相较于国外机器人厂商，国内厂商虽具有价格及售后服务方面的优势，但因其存在着核心技术缺失、关键零部件依赖进口、配套机制不完善等先天性缺陷，至使国内机器人生产企业普遍规模偏小，产品主要集中在竞争比较激烈的非标设备领域，较难打入国内合资汽车企业或在标准化设备领域取得进展。随着国家对机器人行业的扶持力度加大，我们相信通过国内机器人制造企业在技术和经验上的不断积累，中国机器人真正走向世界已为时不远。目录第一部分：工业机器人概述基本概念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，是一种仿人操作自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种，变批量柔性生产。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。基本组成从体系结构来看，机器人可分为三大部分六个系统，其中三大部分为：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）；六个系统为：人机交互系统、控制系统、驱动系统、机械机构系统、感受系统、机器人一环境交互系统。具体结构如下图所示：驱动系统要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置,这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。由于气动和液压驱动的局限，除了特殊场合下，已不再占主要地位，随着电动伺服马达和控制技术的发展，目前工业机器人中主要采用伺服马达驱动。机械结构系统工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端执行器三大部分组成。每一部分都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若基座具备行走机构,则构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。感受系统感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。机器人-环境交互系统机器人-环境交互系统是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。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统;若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。三・工业机器人分类按用途分类按机械结构分类直角坐标型这种机器人具有三个互相垂直的移动轴线，它们通过手臂的上下左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系，其手腕能摆动和旋转。这种形式的机器人的机械结构和控制方式比较简单，位置精度较高，但操作范围小，运行速度较低，灵活性差，难以与其它机器人协调，且占地较大。圆柱坐标型这种机器人机座上有一个水平转台，在转台上装有立柱和水平臂，水平臂能上下移动和前后伸缩，并能绕立柱旋转，在空间构成部分圆柱面。其操作范围较大，并能获得较高速度，控制简单，避障性好，但结构庞大，难以与其它机器人协调工作。球坐标型这种机器人的手臂能上下俯仰、前后伸缩，并能绕立柱回转，在空间构成部分球面。这类机器人占地面积较小，结构紧凑，比圆柱坐标型更为灵活，操作范围更大，能与其它机器人协调工作，重量较轻，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比。2.4.关节型这种机器人有三个主要回转关节：腰回转（关节1）、肩回转（关节2）和肘回转（关节3）,另外还有手腕的旋转（关节4、6）和弯曲（关节5）关节。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其它机器人协调工作，避障性好；但其位置精度较低，有平衡问题。工业机器人按机械结构分类技术参数工业机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是选择设计、应用机器人所必须考虑的问题。主要技术参数有：自由度自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。工业机器人一般多为4〜6个自由度，7个以上的自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。工作空间机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）则决定着运动图形的大小。工作速度工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排每个动作的时间，并确定各动作同时进行或顺序进行，就可确定各动作的运动速度。分配动作时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方式、定位和精度要求。为了提高生产效率，要求缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过程。过大的加减速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往占去较长时间。承载能力机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。工作精度工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。上游关键基础部件1.基本情况机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统，控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器。目前核心部件在工业机器人成本中所占的比例为70%以上。国内制造商由于进入工业机器人领域较晚、研发投入不足、缺乏技术积累，在核心零部件上根本无法与国外竞争者抗衡。即使国内的一些工业机器人制造商可以将整机生产出来，但技术水平及性能方面无法与国外产品抗衡，很难得到用户的认可。因此，国内机器人生产厂商的关键基础部件以进口为主。2.高精度机器人减速机目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%均两家日本减速机公司垄断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日本HarmonicDrive.包括ABB,FANUC,KUKA,*****在内国际主流机器人厂商的减速机均由以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是，国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。国内在高精度摆线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。目前尚无成熟产品应用于工业机器人。近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。在谐波减速机方面，国内已有可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转高度，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。伺服电机和驱动在伺服电机和驱动方面，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，Lust，博世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。机器人控制器在机器人控制器方面，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。目前通用的多轴控制器平台主要分为以嵌入式处理器（DSP，POWERPC）为核心的运动控制卡和以工控机加实时系