工業(yè)機(jī)器人行業(yè)調(diào)研報(bào)告

工業(yè)機(jī)器人行業(yè)調(diào)研報(bào)告投資部****、****二零一三年三月三^一日近幾年，受我國(guó)勞動(dòng)力出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性短缺、勞動(dòng)力成本不斷上升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等因素影響，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅猛。工業(yè)機(jī)器人已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造水平和科技水平的重要標(biāo)志，在市場(chǎng)需求和行業(yè)環(huán)境已初具條件的基礎(chǔ)上，國(guó)家也陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)業(yè)扶植政策以顯示其對(duì)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人行業(yè)高度重視。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)階段主要應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)，但伴隨著其他行業(yè)如電子電氣、工程機(jī)械、煙草、印刷、造紙、食品、醫(yī)藥、軍工的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)潛在容量非?？捎^。相較于國(guó)外機(jī)器人廠商，國(guó)內(nèi)廠商雖具有價(jià)格及售后服務(wù)方面的優(yōu)勢(shì)，但因其存在著核心技術(shù)缺失、關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口、配套機(jī)制不完善等先天性缺陷，至使國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)普遍規(guī)模偏小，產(chǎn)品主要集中在競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的非標(biāo)設(shè)備領(lǐng)域，較難打入國(guó)內(nèi)合資汽車企業(yè)或在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備領(lǐng)域取得進(jìn)展。隨著國(guó)家對(duì)機(jī)器人行業(yè)的扶持力度加大，我們相信通過國(guó)內(nèi)機(jī)器人制造企業(yè)在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上的不斷積累，中國(guó)機(jī)器人真正走向世界已為時(shí)不遠(yuǎn)。目錄第一部分：工業(yè)機(jī)器人概述基本概念工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是一種仿人操作自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，特別適合于多品種，變批量柔性生產(chǎn)。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)?；窘M成從體系結(jié)構(gòu)來看，機(jī)器人可分為三大部分六個(gè)系統(tǒng)，其中三大部分為：機(jī)械部分（用于實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作）、傳感部分（用于感知內(nèi)部和外部的信息）、控制部分（控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作）；六個(gè)系統(tǒng)為：人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要使機(jī)器人運(yùn)行起來，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置,這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。由于氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的局限，除了特殊場(chǎng)合下，已不再占主要地位，隨著電動(dòng)伺服馬達(dá)和控制技術(shù)的發(fā)展，目前工業(yè)機(jī)器人中主要采用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端執(zhí)行器三大部分組成。每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu),則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端執(zhí)行器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺(tái)，信息顯示板，危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。三?工業(yè)機(jī)器人分類按用途分類按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類直角坐標(biāo)型這種機(jī)器人具有三個(gè)互相垂直的移動(dòng)軸線，它們通過手臂的上下左右移動(dòng)和前后伸縮構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)系，其手腕能擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這種形式的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡(jiǎn)單，位置精度較高，但操作范圍小，運(yùn)行速度較低，靈活性差，難以與其它機(jī)器人協(xié)調(diào)，且占地較大。圓柱坐標(biāo)型這種機(jī)器人機(jī)座上有一個(gè)水平轉(zhuǎn)臺(tái)，在轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立柱和水平臂，水平臂能上下移動(dòng)和前后伸縮，并能繞立柱旋轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分圓柱面。其操作范圍較大，并能獲得較高速度，控制簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，難以與其它機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。球坐標(biāo)型這種機(jī)器人的手臂能上下俯仰、前后伸縮，并能繞立柱回轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分球面。這類機(jī)器人占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，操作范圍更大，能與其它機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。2.4.關(guān)節(jié)型這種機(jī)器人有三個(gè)主要回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腰回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)1）、肩回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)2）和肘回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)3）,另外還有手腕的旋轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)4、6）和彎曲（關(guān)節(jié)5）關(guān)節(jié)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其它機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好；但其位置精度較低，有平衡問題。工業(yè)機(jī)器人按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇設(shè)計(jì)、應(yīng)用機(jī)器人所必須考慮的問題。主要技術(shù)參數(shù)有：自由度自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。機(jī)器人的自由度表示機(jī)器人動(dòng)作靈活的尺度，一般以軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示，手部的動(dòng)作不包括在內(nèi)。機(jī)器人的自由度越多，就越能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)矛盾。工業(yè)機(jī)器人一般多為4?6個(gè)自由度，7個(gè)以上的自由度是冗余自由度，是用來避障礙物的。工作空間機(jī)器人的工作空間是指機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域。機(jī)器人所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，則其運(yùn)動(dòng)圖形不同；而自由度的變化量（即直線運(yùn)動(dòng)的距離和回轉(zhuǎn)角度的大小）則決定著運(yùn)動(dòng)圖形的大小。工作速度工作速度是指機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。確定機(jī)器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時(shí)間安排每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，并確定各動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行或順序進(jìn)行，就可確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位和精度要求。為了提高生產(chǎn)效率，要求縮短整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間。運(yùn)動(dòng)循環(huán)包括加速度起動(dòng)，等速運(yùn)行和減速制動(dòng)三個(gè)過程。過大的加減速度會(huì)導(dǎo)致慣性力加大，影響動(dòng)作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過程往往占去較長(zhǎng)時(shí)間。承載能力機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量（包括手部）。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來表示。負(fù)載大小主要考慮機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一般低速運(yùn)行時(shí)，承載能力大，為安全考慮，規(guī)定在高速運(yùn)行時(shí)所能抓取的工件重量作為承載能力指標(biāo)。工作精度工業(yè)機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度（即重復(fù)度）。上游關(guān)鍵基礎(chǔ)部件1.基本情況機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件是指構(gòu)成機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要分成以下三部分：高精度機(jī)器人減速機(jī)，高性能交直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，高性能機(jī)器人控制器。目前核心部件在工業(yè)機(jī)器人成本中所占的比例為70%以上。國(guó)內(nèi)制造商由于進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域較晚、研發(fā)投入不足、缺乏技術(shù)積累，在核心零部件上根本無法與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)者抗衡。即使國(guó)內(nèi)的一些工業(yè)機(jī)器人制造商可以將整機(jī)生產(chǎn)出來，但技術(shù)水平及性能方面無法與國(guó)外產(chǎn)品抗衡，很難得到用戶的認(rèn)可。因此，國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠商的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件以進(jìn)口為主。2.高精度機(jī)器人減速機(jī)目前在高精度機(jī)器人減速機(jī)方面，市場(chǎng)份額的75%均兩家日本減速機(jī)公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速機(jī)的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機(jī)的日本HarmonicDrive.包括ABB,FANUC,KUKA,*****在內(nèi)國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速機(jī)均由以上兩家公司提供，與國(guó)內(nèi)機(jī)器人公司選擇的通用機(jī)型有所不同的是，國(guó)際主流機(jī)器人廠商均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關(guān)系，提供的產(chǎn)品大部分為在通用機(jī)型基礎(chǔ)上根據(jù)各廠商的特殊要求進(jìn)行改進(jìn)后的專用型號(hào)。國(guó)內(nèi)在高精度擺線針輪減速機(jī)方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關(guān)研究。目前尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。近年來國(guó)內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津減速機(jī)廠，秦川機(jī)床廠，大連鐵道學(xué)院等。在諧波減速機(jī)方面，國(guó)內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動(dòng)所，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)高度，傳動(dòng)精度和效率方面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，在工業(yè)機(jī)器人上的成熟應(yīng)用還剛剛起步。伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)在伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)方面，目前歐系機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部件過載能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)器開放性強(qiáng)，且具有總線接口，但是價(jià)格昂貴。而日系品牌工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價(jià)格相對(duì)降低，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國(guó)內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京和利時(shí)，廣州數(shù)控等單位，并且具備了一點(diǎn)的生產(chǎn)能力，但是其動(dòng)態(tài)性能，開放性和可靠性還需要更多的實(shí)際機(jī)器人項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。機(jī)器人控制器在機(jī)器人控制器方面，目前國(guó)外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)。目前通用的多軸控制器平臺(tái)主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWERPC）為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡和以工控機(jī)加實(shí)時(shí)系