工業(yè)機器人行業(yè)調(diào)研報告

工業(yè)機器人行業(yè)調(diào)研報告投資部****、****二零一三年三月三^一日近幾年，受我國勞動力出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性短缺、勞動力成本不斷上升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等因素影響，工業(yè)機器人行業(yè)發(fā)展迅猛。工業(yè)機器人已成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志，在市場需求和行業(yè)環(huán)境已初具條件的基礎上，國家也陸續(xù)推出相關產(chǎn)業(yè)扶植政策以顯示其對發(fā)展工業(yè)機器人行業(yè)高度重視。國內(nèi)工業(yè)機器人現(xiàn)階段主要應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、工程機械、煙草、印刷、造紙、食品、醫(yī)藥、軍工的發(fā)展，工業(yè)機器人市場潛在容量非?？捎^。相較于國外機器人廠商，國內(nèi)廠商雖具有價格及售后服務方面的優(yōu)勢，但因其存在著核心技術缺失、關鍵零部件依賴進口、配套機制不完善等先天性缺陷，至使國內(nèi)機器人生產(chǎn)企業(yè)普遍規(guī)模偏小，產(chǎn)品主要集中在競爭比較激烈的非標設備領域，較難打入國內(nèi)合資汽車企業(yè)或在標準化設備領域取得進展。隨著國家對機器人行業(yè)的扶持力度加大，我們相信通過國內(nèi)機器人制造企業(yè)在技術和經(jīng)驗上的不斷積累，中國機器人真正走向世界已為時不遠。目錄第一部分：工業(yè)機器人概述基本概念工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人，是一種仿人操作自動控制，可重復編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備，特別適合于多品種，變批量柔性生產(chǎn)。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)?；窘M成從體系結(jié)構(gòu)來看，機器人可分為三大部分六個系統(tǒng)，其中三大部分為：機械部分（用于實現(xiàn)各種動作）、傳感部分（用于感知內(nèi)部和外部的信息）、控制部分（控制機器人完成各種動作）；六個系統(tǒng)為：人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機械機構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：驅(qū)動系統(tǒng)要使機器人運行起來，需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置,這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。由于氣動和液壓驅(qū)動的局限，除了特殊場合下，已不再占主要地位，隨著電動伺服馬達和控制技術的發(fā)展，目前工業(yè)機器人中主要采用伺服馬達驅(qū)動。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機器人的機械結(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)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu),則構(gòu)成行走機器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂。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器人的機動性、適應性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如，計算機的標準終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。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)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機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)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。三?工業(yè)機器人分類按用途分類按機械結(jié)構(gòu)分類直角坐標型這種機器人具有三個互相垂直的移動軸線，它們通過手臂的上下左右移動和前后伸縮構(gòu)成一個直角坐標系，其手腕能擺動和旋轉(zhuǎn)。這種形式的機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡單，位置精度較高，但操作范圍小，運行速度較低，靈活性差，難以與其它機器人協(xié)調(diào)，且占地較大。圓柱坐標型這種機器人機座上有一個水平轉(zhuǎn)臺，在轉(zhuǎn)臺上裝有立柱和水平臂，水平臂能上下移動和前后伸縮，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，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，難以與其它機器人協(xié)調(diào)工作。球坐標型這種機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。這類機器人占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，比圓柱坐標型更為靈活，操作范圍更大，能與其它機器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比。2.4.關節(jié)型這種機器人有三個主要回轉(zhuǎn)關節(jié)：腰回轉(zhuǎn)（關節(jié)1）、肩回轉(zhuǎn)（關節(jié)2）和肘回轉(zhuǎn)（關節(jié)3）,另外還有手腕的旋轉(zhuǎn)（關節(jié)4、6）和彎曲（關節(jié)5）關節(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)機器人按機械結(jié)構(gòu)分類技術參數(shù)工業(yè)機器人的技術參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇設計、應用機器人所必須考慮的問題。主要技術參數(shù)有：自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內(nèi)。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。工業(yè)機器人一般多為4?6個自由度，7個以上的自由度是冗余自由度，是用來避障礙物的。工作空間機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。機器人所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，則其運動圖形不同；而自由度的變化量（即直線運動的距離和回轉(zhuǎn)角度的大?。﹦t決定著運動圖形的大小。工作速度工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。確定機器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時間安排每個動作的時間，并確定各動作同時進行或順序進行，就可確定各動作的運動速度。分配動作時間除考慮工藝動作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動和控制方式、定位和精度要求。為了提高生產(chǎn)效率，要求縮短整個運動循環(huán)時間。運動循環(huán)包括加速度起動，等速運行和減速制動三個過程。過大的加減速度會導致慣性力加大，影響動作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過程往往占去較長時間。承載能力機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來表示。負載大小主要考慮機器人各運動軸上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一般低速運行時，承載能力大，為安全考慮，規(guī)定在高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。工作精度工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度（即重復度）。上游關鍵基礎部件1.基本情況機器人關鍵基礎部件是指構(gòu)成機器人傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，對機器人性能起到關鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機器人關鍵基礎部件主要分成以下三部分：高精度機器人減速機，高性能交直流伺服電機和驅(qū)動器，高性能機器人控制器。目前核心部件在工業(yè)機器人成本中所占的比例為70%以上。國內(nèi)制造商由于進入工業(yè)機器人領域較晚、研發(fā)投入不足、缺乏技術積累，在核心零部件上根本無法與國外競爭者抗衡。即使國內(nèi)的一些工業(yè)機器人制造商可以將整機生產(chǎn)出來，但技術水平及性能方面無法與國外產(chǎn)品抗衡，很難得到用戶的認可。因此，國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠商的關鍵基礎部件以進口為主。2.高精度機器人減速機目前在高精度機器人減速機方面，市場份額的75%均兩家日本減速機公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速機的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機的日本HarmonicDrive.包括ABB,FANUC,KUKA,*****在內(nèi)國際主流機器人廠商的減速機均由以上兩家公司提供，與國內(nèi)機器人公司選擇的通用機型有所不同的是，國際主流機器人廠商均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關系，提供的產(chǎn)品大部分為在通用機型基礎上根據(jù)各廠商的特殊要求進行改進后的專用型號。國內(nèi)在高精度擺線針輪減速機方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關研究。目前尚無成熟產(chǎn)品應用于工業(yè)機器人。近年來國內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠，秦川機床廠，大連鐵道學院等。在諧波減速機方面，國內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動所，但是相應產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)高度，傳動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)機器人上的成熟應用還剛剛起步。伺服電機和驅(qū)動在伺服電機和驅(qū)動方面，目前歐系機器人的驅(qū)動部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機及驅(qū)動部件過載能力，動態(tài)響應好，驅(qū)動器開放性強，且具有總線接口，但是價格昂貴。而日系品牌工業(yè)機器人關鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價格相對降低，但是動態(tài)響應能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機及驅(qū)動部分基礎研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學，北京和利時，廣州數(shù)控等單位，并且具備了一點的生產(chǎn)能力，但是其動態(tài)性能，開放性和可靠性還需要更多的實際機器人項目應用進行驗證。機器人控制器在機器人控制器方面，目前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平臺基礎上進行自主研發(fā)。目前通用的多軸控制器平臺主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWERPC）為核心的運動控制卡和以工控機加實時系