技術(shù)

1． 產(chǎn)業(yè)鏈：上游零部件、中游本體、下游集成應(yīng)用

機器人產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為原材料、核心零部件、本體制造、系統(tǒng)集成服務(wù)等環(huán)節(jié)，由于原材料在機器人制造成本中占比不大，因此本文將對機器人本體、核心零部件、系統(tǒng)集成等三個環(huán)節(jié)做詳細介紹和分析

核心零部件環(huán)節(jié)：機器人的控制過程由控制器發(fā)指令給伺服驅(qū)動，然后驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)，最后通過減速機執(zhí)行動作，控制器、伺服電機、減速器等三大核心零部件占據(jù)了工業(yè)機器人成本的 70％ 以上

本體制造環(huán)節(jié)：機器人本體也稱為機器人裸機，按照機械結(jié)構(gòu)分，可以分為直角坐標機器人、SCARA 機器人、關(guān)節(jié)型機器人、圓柱坐標機器人等

集成應(yīng)用環(huán)節(jié)：是指在本體上安裝夾具及其他配套系統(tǒng)（視覺控制、力控等）以完成特定功能，按照應(yīng)用分類可以分為搬運應(yīng)用、焊接應(yīng)用、噴涂應(yīng)用、切割應(yīng)用等，按照行業(yè)可分為汽車、電子電氣行業(yè)等

2． 結(jié)構(gòu)：三大部分、六子系統(tǒng)

機器人是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，由三大部分、六子系統(tǒng)組成，三大部分分別是機械部分、傳感部分、控制部分，六個子系統(tǒng)分別是：

驅(qū)動系統(tǒng)：為工業(yè)機器人的運動提供動力，這種動力可能來自液壓傳動（液壓缸）、電力傳動（電機）等；該系統(tǒng)包含了提供動力的硬件如電機等，也包括控制電機的伺服系統(tǒng)等

機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：工業(yè)機器人的外觀主體，即本體，包括機身、臂部、手腕、關(guān)節(jié)、末端操作器等；該系統(tǒng)主要是硬件

控制系統(tǒng)：根據(jù)作業(yè)指令及傳感器反饋回來的信息控制執(zhí)行機構(gòu)，該系統(tǒng)包括了控制算法，和硬件空間柜或控制器，其中控制算法是工業(yè)機器人實現(xiàn)精確操作的核心

感受系統(tǒng)：獲取機器人內(nèi)部和外部信息，幵把這些信息反饋給控制系統(tǒng)；這些信息包括操作器的位置和速度、環(huán)境溫度、行走誤差等；該系統(tǒng)包括了傳感器等硬件，及信號處理的算法

人機交互系統(tǒng)：實現(xiàn)人員操控工業(yè)機器人的接口，操作人員的指令可通過該系統(tǒng)將指令轉(zhuǎn)化為機器可解析的語言；該系統(tǒng)包含了人機交互界面等硬件及相關(guān)軟件算法

機器人環(huán)境交互系統(tǒng)：一臺機器人通常并非單獨工作，而是要和其他機器人或其他設(shè)備協(xié)同工作，因此需要機器人有與其他設(shè)備交流的能力，該系統(tǒng)主要是軟件系統(tǒng)

如果將機器人與人對比，機械系統(tǒng)相當于人類的骨骼，驅(qū)動系統(tǒng)相當于肌肉，控制系統(tǒng)相當于大腦，感受系統(tǒng)相當于神經(jīng)，交互系統(tǒng)相當于傳播信息的嘴巴和耳朵，多個系統(tǒng)密切協(xié)作，完成復雜的動作

三、零部件

3． 三大核心：減速器、伺服電機、控制器

從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)上看，工業(yè)機器人由減速器、伺服電機、控制器、本體四大部件構(gòu)成，前三者分別占整機成本約 35％、20％、15％，合計 70％

四、減速器

4． 定義：轉(zhuǎn)速下降、扭矩增大、控制精度

提供動力的電機轉(zhuǎn)速很高，通常與工業(yè)機器人的應(yīng)用場景不匹配，這就需要減速器這種機械來使輸出轉(zhuǎn)速降下來，除此之外，減速器還有另外兩個作用：

一是增加電機的輸出扭矩：對于同一個電機來說，其輸出功率（P）是恒定的，此時轉(zhuǎn)速（n）與扭矩（T）成反比，即：P＝9550·n·T，因此當使用減速器降低輸出轉(zhuǎn)速后，輸出的扭矩相應(yīng)會提高，使機器人可以承擔更高的載重負荷

二是提高控制精度：這類似于時鐘的原理，如果直接通過控制時針來計時，在讀取非整數(shù)時刻的時候誤差非常大；通過控制轉(zhuǎn)速更高的秒針，帶動分針和時針，大大降低了控制難度，提高了控制的精度 通常，在工業(yè)機器人的每個關(guān)節(jié)處，都有一個電機，每個電機配套使用一個減速器，減速器的核心性能參數(shù)是傳動比（輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之比），其他參數(shù)如噪音、壽命、回差（由于設(shè)備剛性不足導致的誤差）等也比較重要

5． 市場規(guī)模：百億

我國減速器市場規(guī)模約 75 億元

6． 分類：小諧波、大 RV

減速器的分類形式有多種，工業(yè)機器人常用的一般有兩種：一種是諧波減速器，通常體積小、傳動比大、零間隙，多用于小臂、腕部或手部等輕負載的位置；另一種是 RV 減速器，通常具有更高的剛性和回旋精度，慣性小，具有良好的加速性能，廣泛用于機座、大臂、肩部等負載較重的位置

7． 諧波：發(fā)生器、柔輪、鋼輪

諧波減速器 1957 年由沃爾頓·穆塞發(fā)明，由三部分組成：諧波發(fā)生器、柔性輪和剛輪，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞動力，并達到減速的目的，按照波發(fā)生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤式，諧波減速器傳動比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動效率高。單機傳動比可達到 50－4000，而傳動效率高達 92％－96％

看個視頻就明白諧波減速器的原理了～

8． RV：擺線輪＋行星輪

RV 減速器結(jié)構(gòu)主要分為兩級：第一級為漸開線圓柱齒輪行星傳動機構(gòu)，第二級擺線針輪傳動主要構(gòu)件包括轉(zhuǎn)臂曲柄、擺線輪、針齒殼。其特點在于在承受大負載的同時保證高的運動精度，其技術(shù)難點在于加工工藝：1）擺線輪零件對鋼材尺寸精度、形位公差以及粗糙度要求極高，擺線齒廓曲線要求修形精準，強度硬度要求高；2）RV 減速器對零件的加工、裝配精度要求非常高

RV 減速器一般應(yīng)用于重載機器人的腿部腰部和肘部三個關(guān)節(jié)，相比諧波減速器，RV 減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長，運動精度會顯著降低，其缺點是重量重，外形尺寸較大

9． 全球：納博特斯克 RV、哈默納科諧波

精密減速器制造投資大，技術(shù)難度高，有很高的壁壘，全球工業(yè)機器人減速器的市場高度集中，日本納博特斯克（Nabtesco）壟斷 RV 減速器，占全球 60％，日本哈默納科（Harmonic－Drive）主打諧波減速器占 15％

10． 中國：諧波綠的來福、RV 雙環(huán)振康中大力德

蘇州綠的諧波 2019 年銷量 9 萬臺，國內(nèi)第一，2020 年 8 月 28 日科創(chuàng)板上市，來福諧波第二

日本納博特斯克、日本住友重機、斯洛伐克 Spinea 是全球 RV 減速器三強，國內(nèi)雙環(huán)傳動、南通振康、中大力德、秦川機床等企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)小批量生產(chǎn)

五、伺服系統(tǒng)

11． 定義：電機、驅(qū)動器、編碼器

伺服系統(tǒng)是工業(yè)機器人主要的動力來源，主要由伺服電機、伺服驅(qū)動器、編碼器三部分組成，伺服含義為“跟隨”，源于希臘語“奴隸”的意思，指按照指令信號做出位置、速度或轉(zhuǎn)矩的跟隨控制

伺服電機（servo motor）將電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出

伺服驅(qū)動器接受編碼器信號進行修正調(diào)整，然后根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)控制電流，包括位置控制單元、速度控制單元和驅(qū)動單元三部分 編碼器與電機同步旋轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)一圈編碼器也轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)動的同時將編碼信號送回驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)編碼信號判斷伺服電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、位置是否正確，據(jù)此調(diào)整驅(qū)動器輸出電源頻率及電流大小

12． 市場：百億

國內(nèi)市場規(guī)模約 100 億

13． 原理：脈沖閉環(huán)控制

伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 0．001mm

看個視頻就明白了～

14． 分類：交流、直流、步進

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，直流伺服電機分為有刷和無刷電機，交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機，詳細請持續(xù)關(guān)注本公眾號史晨星（shichenxing1）

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，只有周期性的誤差而無累積誤差

15． 全球：安川、松下、三菱

歐美系品牌伺服驅(qū)動器特點是過載能力強、動態(tài)性能好、總線技術(shù)性能優(yōu)秀、開發(fā)性較好，典型代表是西門子、倍福、貝加萊、羅克韋爾等

日系品牌特點是價格親民、體積較小、重量輕、動態(tài)性能稍弱，能夠滿足絕大部分的應(yīng)用要求，典型代表是安川、松下、三菱等

在中高端工業(yè)機器人應(yīng)用行業(yè)，國外品牌的伺服驅(qū)動器占據(jù)了國內(nèi)工業(yè)機器人伺服驅(qū)動器市場份額的 80％ 以上

16． 中國：匯川、埃斯頓

2018 年歐美系市場份額從 18．7％提高到 19％，日臺份額從 59％略降到56％，國產(chǎn)廠商份額從 22．3％ 增長到 25％，比較典型的是匯川和埃斯頓，2018年國內(nèi)市場份額分別為4．8％、2．3％

匯川技術(shù)

匯川技術(shù)是伺服電機及控制器的國內(nèi)龍頭企業(yè)，2017 年，運動控制類產(chǎn)品收入9．34 億，同比增長 86．22％。工業(yè)自動化＆工業(yè)機器人業(yè)務(wù)收入 37．6 億，同比增長 46．13％，其中工業(yè)機器人相關(guān)業(yè)務(wù) 0．83 億，同比增長 184％

六、控制系統(tǒng)

17． 定義分類：單片機、PLC、IPC 運動控制

控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人性能的關(guān)鍵要素，接收來自其他各單元的信號、根據(jù)已編程的系統(tǒng)進行處理后，向各單元發(fā)出指令，進而控制各單元的運行

目前常用的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為三類：以單片機為核心的控制系統(tǒng)，以可編程控制器（PLC）為核心的控制系統(tǒng)，以及基于工業(yè)個人計算（IPC）＋運動控制器的機器人控制系統(tǒng)，其中 IPC＋運動控制器的控制系統(tǒng)憑借運行穩(wěn)定、通用性強、抗干擾性能力強等優(yōu)勢，正在逐步成為工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主流

18． 市場：30 億

預計2018－2020 年工業(yè)機器人用控制器需求量將分別達到 19 萬臺、25 萬臺、32 萬臺，市場規(guī)模分別為15 億元、20 億元、26 億元

19． 原理：導引示教

控制系統(tǒng)的基本功能包括（1）位置伺服：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)龋?）示教：示教也稱導引示教，既是人工導引機器人，一步步按實際需求動作流程操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運動參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行的程序，完成示教后，只需要給機器人一個啟動命令，機器人將會地自動按照示教好的動作，完成全部流程；（3）各種接口：如與外圍設(shè)備聯(lián)系（輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口）。

人機接口（示教盒、操作面板、顯示屏）。傳感器接口（位置檢測、視覺、觸覺、力覺等）（4）坐標設(shè)置：為機器人運動設(shè)置坐標系（5）存儲：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息（6）故障診斷安全保護：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷

PLC順序控制

20． 全球：四大家族 控制器的市場份額基本和機器人本體保持一致，以發(fā)那科、安川、庫卡、ABB為代表的四大家族普遍采用自產(chǎn)自用的生產(chǎn)模式，四大家族的控制器合計占據(jù)約53％的市場份額，其中發(fā)那科占比為16％，庫卡占比為14％，ABB為12％，安川為11％

21． 中國

國內(nèi)知名的工業(yè)機器人生廠商均自主研發(fā)了自家的控制系統(tǒng)，包括新松機器人、埃斯頓、華中數(shù)控、新時達、廣州數(shù)控、匯川技術(shù)等公司，也誕生了一批專業(yè)的控制系統(tǒng)服務(wù)商如固高科技、英威騰、卡諾普等

七、其他

22． 執(zhí)行器：氣動、電動

末端執(zhí)行器裝配在機械臂末端，直接與工件接觸以執(zhí)行工作任務(wù)，具有處理、傳輸、夾持、放置工件等功能，常見的有吸盤、機械手抓、托持器、噴涂槍、焊槍等

全球制造業(yè)每年消耗掉模塊化夾爪數(shù)量超過 3000 萬個，根據(jù) Global Market Insights， Inc 研究報告，機器人末端執(zhí)行器市場的收入在 2018 年超過 25 億美元，預計到 2025 年將達到 65 億美元大關(guān)

從控制方式來分，模塊化夾爪可分為氣動、電動和其他類型，氣動夾爪占比高達 90％

雖然全球氣動市場規(guī)模已經(jīng)達到千億元的市場，但我國民族品牌的銷量卻不到世界市場的十分之一，僅為美國的 1／21，日本的 1／15，德國的 1／8，國際前 20 強公司中沒有一家中國本土企業(yè)

23． 傳感器：內(nèi)部、外部

傳感器根據(jù)檢測對象的不同，可分為內(nèi)部和外部傳感器，內(nèi)部傳感器主要檢測自身位置、速度、加速度等狀態(tài)，主要用于伺服控制，外部傳感器檢測壓力、距離、視覺等外部環(huán)境

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