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(jī)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(jī)器人制造成本中占比不大，因此本文將對(duì)機(jī)器人本體、核心零部件、系統(tǒng)集成等三個(gè)環(huán)節(jié)做詳細(xì)介紹和分析

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

本體制造環(huán)節(jié)：機(jī)器人本體也稱為機(jī)器人裸機(jī)，按照機(jī)械結(jié)構(gòu)分，可以分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、SCARA 機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)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(jué)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(yùn)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(jī)器人是一個(gè)典型的機(jī)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(jī)械部分、傳感部分、控制部分，六個(gè)子系統(tǒng)分別是：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，這種動(dòng)力可能來(lái)自液壓傳動(dòng)（液壓缸）、電力傳動(dòng)（電機(jī)）等；該系統(tǒng)包含了提供動(dòng)力的硬件如電機(jī)等，也包括控制電機(jī)的伺服系統(tǒng)等

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：工業(yè)機(jī)器人的外觀主體，即本體，包括機(jī)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(lái)的信息控制執(zhí)行機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確操作的核心

感受系統(tǒng)：獲取機(jī)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(hào)處理的算法

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

機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)：一臺(tái)機(jī)器人通常并非單獨(dú)工作，而是要和其他機(jī)器人或其他設(shè)備協(xié)同工作，因此需要機(jī)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(jī)器人與人對(duì)比，機(jī)械系統(tǒng)相當(dāng)于人類的骨骼，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于肌肉，控制系統(tǒng)相當(dāng)于大腦，感受系統(tǒng)相當(dāng)于神經(jīng)，交互系統(tǒng)相當(dāng)于傳播信息的嘴巴和耳朵，多個(gè)系統(tǒng)密切協(xié)作，完成復(fù)雜的動(dòng)作

三、零部件

3． 三大核心：減速器、伺服電機(jī)、控制器

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

四、減速器

4． 定義：轉(zhuǎn)速下降、扭矩增大、控制精度

提供動(dòng)力的電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，通常與工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景不匹配，這就需要減速器這種機(jī)械來(lái)使輸出轉(zhuǎn)速降下來(lái)，除此之外，減速器還有另外兩個(gè)作用：

一是增加電機(jī)的輸出扭矩：對(duì)于同一個(gè)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其輸出功率（P）是恒定的，此時(shí)轉(zhuǎn)速（n）與扭矩（T）成反比，即：P＝9550·n·T，因此當(dāng)使用減速器降低輸出轉(zhuǎn)速后，輸出的扭矩相應(yīng)會(huì)提高，使機(jī)器人可以承擔(dān)更高的載重負(fù)荷

二是提高控制精度：這類似于時(shí)鐘的原理，如果直接通過(guò)控制時(shí)針來(lái)計(jì)時(shí)，在讀取非整數(shù)時(shí)刻的時(shí)候誤差非常大；通過(guò)控制轉(zhuǎn)速更高的秒針，帶動(dòng)分針和時(shí)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(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)處，都有一個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)配套使用一個(gè)減速器，減速器的核心性能參數(shù)是傳動(dòng)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(dǎo)致的誤差）等也比較重要

5． 市場(chǎng)規(guī)模：百億

我國(guó)減速器市場(chǎng)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(jī)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(dòng)比大、零間隙，多用于小臂、腕部或手部等輕負(fù)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(jī)座、大臂、肩部等負(fù)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(lái)傳遞動(dòng)力，并達(dá)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(dòng)比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動(dòng)效率高。單機(jī)傳動(dòng)比可達(dá)到 50－4000，而傳動(dòng)效率高達(dá) 92％－96％

看個(gè)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(jí)：第一級(jí)為漸開(kāi)線圓柱齒輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二級(jí)擺線針輪傳動(dòng)主要構(gòu)件包括轉(zhuǎn)臂曲柄、擺線輪、針齒殼。其特點(diǎn)在于在承受大負(fù)載的同時(shí)保證高的運(yùn)動(dòng)精度，其技術(shù)難點(diǎn)在于加工工藝：1）擺線輪零件對(duì)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(zhǔn)，強(qiáng)度硬度要求高；2）RV 減速器對(duì)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(jī)器人的腿部腰部和肘部三個(gè)關(guān)節(jié)，相比諧波減速器，RV 減速器具有更高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)精度會(huì)顯著降低，其缺點(diǎn)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(jī)器人減速器的市場(chǎng)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(guó)：諧波綠的來(lái)福、RV 雙環(huán)振康中大力德

蘇州綠的諧波 2019 年銷量 9 萬(wàn)臺(tái)，國(guó)內(nèi)第一，2020 年 8 月 28 日科創(chuàng)板上市，來(lái)福諧波第二

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

五、伺服系統(tǒng)

11． 定義：電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器

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

伺服電機(jī)（servo motor）將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出

伺服驅(qū)動(dòng)器接受編碼器信號(hào)進(jìn)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(dòng)單元三部分 編碼器與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器也轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將編碼信號(hào)送回驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)編碼信號(hào)判斷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、位置是否正確，據(jù)此調(diào)整驅(qū)動(dòng)器輸出電源頻率及電流大小

12． 市場(chǎng)：百億

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模約 100 億

13． 原理：脈沖閉環(huán)控制

伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到 0．001mm

看個(gè)視頻就明白了～

14． 分類：交流、直流、步進(jìn)

伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)又分為異步伺服電動(dòng)機(jī)和同步伺服電動(dòng)機(jī)，詳細(xì)請(qǐng)持續(xù)關(guān)注本公眾號(hào)史晨星（shichenxing1）

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件，給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差

15． 全球：安川、松下、三菱

歐美系品牌伺服驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)是過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、總線技術(shù)性能優(yōu)秀、開(kāi)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(diǎn)是價(jià)格親民、體積較小、重量輕、動(dòng)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(jī)器人應(yīng)用行業(yè)，國(guó)外品牌的伺服驅(qū)動(dòng)器占據(jù)了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)份額的 80％ 以上

16． 中國(guó)：匯川、埃斯頓

2018 年歐美系市場(chǎng)份額從 18．7％提高到 19％，日臺(tái)份額從 59％略降到56％，國(guó)產(chǎn)廠商份額從 22．3％ 增長(zhǎng)到 25％，比較典型的是匯川和埃斯頓，2018年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額分別為4．8％、2．3％

匯川技術(shù)

匯川技術(shù)是伺服電機(jī)及控制器的國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)，2017 年，運(yùn)動(dòng)控制類產(chǎn)品收入9．34 億，同比增長(zhǎng) 86．22％。工業(yè)自動(dòng)化＆工業(yè)機(jī)器人業(yè)務(wù)收入 37．6 億，同比增長(zhǎng) 46．13％，其中工業(yè)機(jī)器人相關(guān)業(yè)務(wù) 0．83 億，同比增長(zhǎng) 184％

六、控制系統(tǒng)

17． 定義分類：單片機(jī)、PLC、IPC 運(yùn)動(dòng)控制

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人性能的關(guān)鍵要素，接收來(lái)自其他各單元的信號(hào)、根據(jù)已編程的系統(tǒng)進(jìn)行處理后，向各單元發(fā)出指令，進(jìn)而控制各單元的運(yùn)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(jī)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(gè)人計(jì)算（IPC）＋運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其中 IPC＋運(yùn)動(dòng)控制器的控制系統(tǒng)憑借運(yùn)行穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、抗干擾性能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，正在逐步成為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主流

18． 市場(chǎng)：30 億

預(yù)計(jì)2018－2020 年工業(yè)機(jī)器人用控制器需求量將分別達(dá)到 19 萬(wàn)臺(tái)、25 萬(wàn)臺(tái)、32 萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模分別為15 億元、20 億元、26 億元

19． 原理：導(dǎo)引示教

控制系統(tǒng)的基本功能包括（1）位置伺服：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)龋?）示教：示教也稱導(dǎo)引示教，既是人工導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際需求動(dòng)作流程操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行的程序，完成示教后，只需要給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將會(huì)地自動(dòng)按照示教好的動(dòng)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(jī)接口（示教盒、操作面板、顯示屏）。傳感器接口（位置檢測(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等）（4）坐標(biāo)設(shè)置：為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)置坐標(biāo)系（5）存儲(chǔ)：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息（6）故障診斷安全保護(hù)：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷

PLC順序控制

20． 全球：四大家族 控制器的市場(chǎng)份額基本和機(jī)器人本體保持一致，以發(fā)那科、安川、庫(kù)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(jì)占據(jù)約53％的市場(chǎng)份額，其中發(fā)那科占比為16％，庫(kù)卡占比為14％，ABB為12％，安川為11％

21． 中國(guó)

國(guó)內(nèi)知名的工業(yè)機(jī)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(jī)器人、埃斯頓、華中數(shù)控、新時(shí)達(dá)、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(dòng)、電動(dòng)

末端執(zhí)行器裝配在機(jī)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(jiàn)的有吸盤、機(jī)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(guò) 3000 萬(wàn)個(gè)，根據(jù) Global Market Insights， Inc 研究報(bào)告，機(jī)器人末端執(zhí)行器市場(chǎng)的收入在 2018 年超過(guò) 25 億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 65 億美元大關(guān)

從控制方式來(lái)分，模塊化夾爪可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和其他類型，氣動(dòng)夾爪占比高達(dá) 90％

雖然全球氣動(dòng)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到千億元的市場(chǎng)，但我國(guó)民族品牌的銷量卻不到世界市場(chǎng)的十分之一，僅為美國(guó)的 1／21，日本的 1／15，德國(guó)的 1／8，國(guó)際前 20 強(qiáng)公司中沒(méi)有一家中國(guó)本土企業(yè)

23． 傳感器：內(nèi)部、外部

傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)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(cè)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(cè)壓力、距離、視覺(jué)等外部環(huán)境

責(zé)任編輯：xj