工业机器人

9工业机器人应用领域
10工业机器人支持政策

工业机器人是什么

工业机器人是一种通过编程或示教实现自动运行，具有多关节或多自由度，并且具有一定感知功能，如视觉、力觉、位移检测等，从而实现对环境和工作对象自主判断和决策，能够代替人工完成各类繁重、乏味或有害环境下体力劳动的自动化机器。

根据机器人的应用环境，国际机器人联盟(IFR)将机器人分为工业机器人和服务机器人，我国将机器人划分为工业机器人、个人/家用服务机器人、公共服务机器人、特种机器人四类。

工业机器人的分类

(1)从机械结构来看，工业机器人主要包括:垂直多关节机器人，SCARA机器人、协作机器人及DELTA机器人。工业机器人被设计为不同的形态主要是为了适应不同应用场景的需求。据MIR统计，2020年，我国工业机器人销量中，这四种类型的工业机器人占比分别为63%、30%、4%、3%^[1]。

(2)按用途来分，工业机器人可分为焊接机器人、搬作业/上下料运机器人、喷涂机器人、加工机器人、装配机器人和洁净机器人等。

(3)按结构形式来分，工业机器人可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人和关节型机器人三种，其中关节型工业机器人以4-6轴为主。

(4)按照负载来分，工业机器人可分为小型负载机器人(负载小于20Kg)、中型负载机器人(负载在20~100Kg 之间)和大型负载机器人(负载大于100Kg)。

工业机器人主要类型

(1)多关节机器人

多关节机器人一般指拥有 6 个旋转轴的关节机械手臂，其优势在于类似于人手拥有很高的自由度，适合于几乎任何轨迹或角度的工作。通过搭配不同的末端执行器，多关节机器人可适用于装货、卸货、喷漆、表面处理、测试、测量、弧焊、点焊、包装、装配、切屑机床、固定、特种装配操作、锻造、铸造等大量应用场景。

(2)协作机器人

协作机器人(Collaborative robot)指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人。与传统机器人不同，协作机器人具有很强的独立性，机器人和人之间可以互换，在生产过程中灵活性非常高。不过其缺点也很明显，在与人协作过程中，未来保护人的安全，对机器人控制能力和防碰撞能力都提出较高要求，因此协作机器人运行速度普遍只有传统机器人的 1/3-1/2。此外，为了减少机器人运动时的动能，其设计结构一般较为简单、重量较轻，这就导致其负载一般只能在 10kg 以下，应用场景受到限制。

(3)Delta 机器人

并联机器人是指手臂含有闭环结构杆件的机器人，由动平台、静平台和至少两个独立的运动支链构成，行业内通常将具有3个空间自由度和1个转动自由度的并联机器人叫做Delta机器人，从产品结构上来看，Delta 机器人占据并联机器人市场份额的 60%-70%。与传统串联机器人结构不同，并联机器人其中一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点

(4)SCARA 机器人

SCARA 机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机械手臂)属于平面关节型工业机器人，结构包括 3 个相互平行的旋转关节和 1 个垂直于平面的移动关节，分别用与对平面上物体的定位和工业机器人垂直平面内的运动^[2]。

工业机器人产业链

工业机器人是设计用来搬运物料、部件、具璇门装置的可重复编程的多功能操作器，工业机器人技术上向着模块化、标准化方向发展，功能上向着人机协作、小型化、柔性化、智能化方向发展。工业机器人产业链的上游主要为零部件供应商，三大主要零部件为减速器、控制系统和伺服系统﹔产业链的中游为机器人本体提供商，主要负责机器人本体的生产，即机座和执行机构，包括手臂、腕部等；产业链下游为系统集成商，根据不同的应用场景和用途进有针对性地系统集成和软件二次开发生产出来的机器人只有通过系统集成之后，才能投入到下游的汽车、电子、金属加工等产业，为终端客户所用^[3]。

(1)工业机器人的产业链上游主要包括三大核心零部件以及齿轮、涡轮、蜗杆等材料，其中三大核心零部件指减速器、伺服系统和控制器。核心零部件对机器人本体的性能、负荷能力、可靠性等指标起着决定性作用，而且有着较高的技术壁垒，国产化程度低。

(2)产业链中游是工业机器人的本体制造。瑞士的ABB、日本的发那科(FANUC)和安川电机、德国的库卡(KUKA)四大企业被称为机器人“四大家族”，在全球的工业机器人市场中占据领先地位。与技术壁垒非常高的零部件相比，本体制造的技术难度相对较低，但高端市场的国产化率依然很低。

(3)产业链下游主要面向终端客户，为客户提供整套解决方案，包括系统开发和集成等。从产业链的角度看，机器人本体是机器人产业发展的基础，而下游系统集成则是工业机器人工程化和大规模应用的关键。系统集成的行业壁垒相对较低，国产化率最高^[4]。

工业机器人组成结构

工业机器人的组成结构一般包括五个部分，分别是主体、驱动系统、控制系统、感知系统和末端执行器

(1)主体：主体机械即基座和实行机构，包括大臂、小臂、腕部和手部。构成多自由度的机械系统，一般有6个自由度。

(2)驱动系统：驱动系统有动力装置和传动机构，用以实行机构发生相应的动作。按动力源分为液压、气动和电动，现在主流的是电动驱动系统，主要包括伺服电机及其配套的伺服驱动、精密减速器。

(3)控制系统：控制系统主要包括微处置器，目前产生了对Soc(SystemonChip)技能的需求。控制技术的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的活动范范围、姿势和轨迹、动作的时间等。

(4)感知系统：感知系统由内外部传感器模块构成。内部传感器用于检测位置和角度，包括位置、角度传感器；外部传感器用于检测所处的环境的状况，包括距离、视觉、力觉传感器。

(5)末端执行器：一般用来抓取物体，安装在机器人6铀的法兰盘上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等。

工业机器人市场规模

中国工业机器人市场发展迅猛，尤其是随着工业自动化进程的加快以及智能制造的深入，机器人应用市场应用领域不断拓展。2019年四季度开始工业机器人市场开始迎来新的增长机遇。在2020年疫情不利的影响下，全球经济遭受重创，但中国工业机器人市场逆势上涨，同比销量增速达19.1%。2021年，后疫情时代3C领域、汽车市场以及机械加工领域的扩产扩容需求同时发力，带动中国工业机器市场快速增长。根据国家统计局2021年发布的统计数据表明:2021年中国工业机器人产量为366，044台同比增长54%。这个数字也充分表明工业机器人在中国制造业市场的发展势头迅猛。

根据M2最新统计的市场数据，2021年中国工业机器人市场的总出货量近24万台，同比增长40%；从价值量上看，中国工业机器人本体已经达到75亿人民币左右的市场规模。未来五年内M2预计，中国工业机器人市场将继续保持25%以上的增速增长^[5]。

工业机器人六大核心技术

(1)伺服电机：短时超负载能力强，体积小，结构中空(某些类型机器人)

(2)精密减速器：减速比大，扭矩、刚性大，体积小，结构中空

(3)算法：路径、速度、加速度规划优，误差补偿能力强，行业专用算法适用性强

(4)伺服驱动器：响应快，总线接口多，集成度高，接口开放程度高

(5)控制系统：硬件平台可靠，软件平台稳定，设计模块化，接口多，可定制化程度高

(6)人机交互：外观美，操作界面风格选择多，编程简单易学，使用疲劳度低

工业机器人与数控机床对比

从工业机器人的起源来看，工业机器人可以认为是“易用型的数控机床”。相比高精度数控机床，工业机器人在具有基本相同的运动结构前提下，技术壁垒较低，通用性更强，更易操作和维护。两者不同点主要在于外部形态:生产线上数控机床一般作为工作母机，处于中心位置，工业机器人属于辅助设备，价格更低。这些特点大大扩展了工业机器人的使用范围，可以把它看做是“易用型的数控机床”^[6]。