工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)（第三版）課件 2.1 工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)

第二篇認(rèn)識篇——工業(yè)機器人家族本領(lǐng)任務(wù)一工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)第二篇認(rèn)識篇——工業(yè)機器人家族本領(lǐng)

2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)一、按照機器人的運動形態(tài)分類按照機器人的運動形態(tài)分類，可以分為直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機器人、多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人、平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人和并聯(lián)型工業(yè)機器人，各類型實物圖如圖2-1所示。2.1.1工業(yè)機器人的分類(a)直角坐標(biāo)型(b)圓柱坐標(biāo)型(c)球坐標(biāo)型(d)多關(guān)節(jié)型(e)平面關(guān)節(jié)型(f)并聯(lián)型圖2-1工業(yè)機器人類型2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)1、直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。手部空間的位置變化是通過沿著3個相互垂直的軸線移動來實現(xiàn)，常用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料和高精度的裝配和檢測作業(yè)。一般直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人的手臂可以垂直上下移動（Z軸方向），并可以沿著滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平二維平面的移動（X、Y方向）。顯然直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人有3個移動關(guān)節(jié)，即3個自由度。圖2-2直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；編程容易，在X、Y、Z三個方向的運動沒有耦合，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計；直線運動速度快，定位精度高，蔽障性能較好；（2）直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人有如下缺點：動作范圍小，靈活性較差；導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)比較困難，導(dǎo)軌暴露面大，不如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)密封性好；結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大；移動部分慣量較大，增加了對驅(qū)動性能的要求；2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)2、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示。有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線的位姿由（z，r,θ）坐標(biāo)予以表示，其主體具有3個自由度：腰部轉(zhuǎn)動、升降運動、手臂伸縮運動。圖2-3圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人主要有如下優(yōu)點：控制精度較高，控制較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊；對比直角坐標(biāo)形式，在垂直和經(jīng)向的兩個往復(fù)運動可以采用伸縮套簡式結(jié)構(gòu)，在腰部轉(zhuǎn)動時可以把手臂縮回，從而減少轉(zhuǎn)動慣量，改善了力學(xué)負(fù)載?？臻g尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運動速度。（2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人主要有如下缺點：由于機身結(jié)構(gòu)的原因，手臂不能到達(dá)底部，末端操作器離z軸愈遠(yuǎn)，減小了機器人的工作范圍，其切向線位移的分辨精度就愈低。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)3、球坐標(biāo)型工業(yè)機器人球坐標(biāo)型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示，有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線的位姿由（θ，φ，r）坐標(biāo)予以表示。機械手能夠里外伸縮移動，在垂直平面內(nèi)擺動已經(jīng)繞底座在水平面內(nèi)移動，因為這種機器人的工作空間形成球面的一部分。很多知名企業(yè)球坐標(biāo)型工業(yè)機器人其手臂采用液壓驅(qū)動的移動關(guān)節(jié)，繞垂直和水平軸線的轉(zhuǎn)動也采用了液壓伺服系統(tǒng)。圖2-4球坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)球坐標(biāo)型工業(yè)機器人的特點是：占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可；蔽障性能較差，存在平衡問題；2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-5所示，主要由底座、大臂和小臂組成。大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。底座可以繞垂直軸線轉(zhuǎn)動，稱為腰關(guān)節(jié)。它是一種廣泛應(yīng)用的擬人化機器人。圖2-5關(guān)節(jié)坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機器人的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。混`活性好，手部到達(dá)位置好，具有較好的蔽障性能；沒有移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量小；關(guān)節(jié)驅(qū)動力小，能耗較低；（2）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機器人的缺點有：運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合；當(dāng)大臂和小臂舒展開時，機器人結(jié)構(gòu)剛度較低；2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)5、并聯(lián)型工業(yè)機器人并聯(lián)型機構(gòu)，是動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)可以具有兩個、三個、四個、五個或六個自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。（a）二自由度（b）三自由度（c）四自由度圖2-6并聯(lián)型工業(yè)機器人2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)從運動形式來看，并聯(lián)機構(gòu)可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動機構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機構(gòu)、空間純移動機構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機構(gòu)和空間混合運動機構(gòu)，并聯(lián)型結(jié)構(gòu)特點：與串聯(lián)機構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；承載能力大；微動精度高；運動負(fù)荷??；在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難反解卻非常容易。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)二、按照輸入信息的方式分類按照輸入信息的方式分類，可以分為操作機械手、固定程序工業(yè)機器人、可編程型工業(yè)機器人、程序控制工業(yè)機器人、示教型工業(yè)機器人、智能型工業(yè)機器人。各機器人的特點見表2-1。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)三、按照驅(qū)動方式分類按照驅(qū)動方式分類，可以分為液壓型工業(yè)機器人、電動型工業(yè)機器人、氣壓型工業(yè)機器人。其特點見表2-2。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)四、按照運動軌跡分類按照運動軌跡分類，可以分為點位型工業(yè)機器人、連續(xù)軌跡型工業(yè)機器人。點位控制是控制機器人從一個位姿到另一個位姿，其路徑不限；連續(xù)軌跡控制是控制機器人的機械接口，按編程規(guī)定的位姿和速度，在指定的軌跡上運動。通常我們見到的工業(yè)機械手屬于智能型、連續(xù)軌跡、多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，末端手爪多為氣動或者電動。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)一、工業(yè)機器人市場快速增長2022年10月13日，國際機器人聯(lián)合會在法蘭克福發(fā)布新的全球機器人報告顯示，2021年，全球工業(yè)機器人新增裝機量達(dá)517385臺，堪稱巔峰之年，同比增長31%，超過新冠肺炎疫情前的2018年，增加幅度為22%。截至目前，全球在役機器人存量達(dá)到350萬臺，創(chuàng)歷史新高。2.1.2工業(yè)機器人的市場分析2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)從國內(nèi)市場來看，在國內(nèi)密集出臺的政策和不斷成熟的市場等多重因素驅(qū)動下，工業(yè)機器人增長迅猛，除了汽車、3C電子兩大需求最為旺盛的行業(yè)，化工、石油等應(yīng)用市場逐步打開。中國作為疫情控制最好的國家，工業(yè)機器人發(fā)展持續(xù)向好，已成為驅(qū)動機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主引擎，近五年中國工業(yè)機器人市場規(guī)模始終保持增長態(tài)勢，2022年市場規(guī)模將繼續(xù)保持增長，預(yù)計將達(dá)到87億美元，預(yù)計到2024年中國工業(yè)機器人市場規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，將超過110億美元。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)圖2-72017-2024年中國工業(yè)機器人銷售額統(tǒng)計及預(yù)測2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)韓國的工業(yè)機器人2018年安裝量約38000臺，每年增長率12%,密度（774臺/萬人）是全世界平均值的八倍以上。韓國擁有了一批在世界上具有影響力的企業(yè)，比如現(xiàn)代重工旗下的HYUNDAI（韓國現(xiàn)代機器人）、韓國領(lǐng)先企業(yè)Robostar（羅普伺達(dá)機器人）、DongbuRobot（東部機器人）、Doosungrobot（斗星機器人）、AlphaRobotics（阿爾帕機器人）等。日本的工業(yè)機器人銷量增長了21%，達(dá)到55000臺，創(chuàng)下了該國有史以來的最高值。對于一個已經(jīng)高度自動化的工業(yè)生產(chǎn)市場來說，2013年以來17%的平均年增長率是驚人的。日本目前也是世界第一大工業(yè)機器人制造商，2018年交付了全球供應(yīng)量的52%。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)美國的工業(yè)機器人安裝量連續(xù)第八年增長，2018年安裝量約40300臺，達(dá)到新的峰值。這比2017年高出22%。自2010年以來，美國所有制造業(yè)的增長一直由自動化生產(chǎn)驅(qū)動，以增強美國國內(nèi)和全球市場的產(chǎn)業(yè)實力。德國是世界第五大機器人市場，歐洲排名第一，其次是意大利和法國。2018年工業(yè)機器人銷量增長26%，達(dá)到近27000臺，創(chuàng)下歷史新高,安裝量主要來自汽車工業(yè)的驅(qū)動。從工業(yè)機器人密度來看(每萬名制造業(yè)員工所擁有的機器人數(shù)量)，新加坡達(dá)到831臺，全球最高，其次是韓國(774臺)與德國(338臺)。中國的工業(yè)機器人密度為140臺，高于全球各地區(qū)的平均水平84臺。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)2019年進(jìn)入?yún)f(xié)作機器人時代，雖然份額較低，僅占安裝總量的3.24%，但增長較快，在整個市場中屬于利基市場。從2017年的11100臺到2018年的14000臺，協(xié)作機器人增長率達(dá)到了23%。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)二、工業(yè)機器人的主要應(yīng)用行業(yè)汽車、電子電氣、金屬和機械、化工和食品和飲料行業(yè)共五個行業(yè)是目前工業(yè)機器人重要的應(yīng)用行業(yè)，五個行業(yè)銷量占比超過了80%。汽車行業(yè)和電子電氣行業(yè)是工業(yè)機器人應(yīng)用最重要的兩個行業(yè)，兩個行業(yè)銷量占比超過60%。根據(jù)2018年IFR數(shù)據(jù)來看，2018年全球工業(yè)機器人在汽車、電子電氣、金和機械、化工和食品行業(yè)銷量占比分別為37.44%、26.28%、11.16%、5.35%、2.79%。圖2-82018年國際市場工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域分布情況2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)1、汽車行業(yè)汽車行業(yè)仍然是全球最大的機器人應(yīng)用行業(yè)，在2018年約占總供應(yīng)量的30%。對新車生產(chǎn)能力和現(xiàn)代化的投資推動了該行業(yè)對機器人的需求。使用新材料、開發(fā)節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)以及所有主要汽車市場的激烈競爭都推動了該項投資。目前79%的汽車工業(yè)機器人安裝量分布在5個主要市場：中國(39351臺)、日本(17346臺)、德國(15673臺)、美國(15246臺)和韓國(11034臺)。據(jù)OICA的統(tǒng)計，作為世界第四大汽車生產(chǎn)國，印度的汽車工業(yè)也安裝了大約2100臺工業(yè)機器人。2.1工業(yè)機器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)

2、電氣/電子行業(yè)電氣/電子行業(yè)本將在未來幾年取代汽車行業(yè)，成為工業(yè)機器人最重要的應(yīng)用行業(yè)。然而，全球?qū)﹄娮釉O(shè)備和組件的需求大幅下降對這一趨勢造成了影響。該行業(yè)可能是受中美貿(mào)易危機影響最大的行業(yè)，因為亞洲國家是制造電子產(chǎn)品和零部件的領(lǐng)頭羊。電氣/電子行業(yè)2018年的機器人安裝量約12.2萬臺，該行業(yè)總安裝量的79%分布在三個主要國家：中國(43%)、韓國(19%)、日本(17%)。在幾個重大項目的推動下，越南在2017年實現(xiàn)了安裝量的一次性增長(7080臺)，增長幅度最大的