工业机器人行业浅析

第一节

工业机器人概况

1987年国际标准化组织对工业机器人的定义是：“一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”。根据定义，通常把具备以下功能的机械看作是机器人：代替人进行工作：能像人一样使用工具盒机械从这个意义上说数控机床和汽车就不是机器人；具有通用性：可简单地变换所进行的作业，又能按照工作情况的变化响应的进行工作，因此玩具机器人不具有通用性，不属于机器人；直接对外界工作：机器人要完成一定的工作，对外界产生作用。

工业机器人是继动力机、计算机之后出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，已成为柔性制造系统、工厂自动化、计算机集成制造系统的自动化工具，广泛地应用在制造业的各个领域。工业机器人及其自动化成套设备的拥有量和水平是衡量一个国家制造业综合实力的重要标志之一。

一、分类和组成

图1 机器人组成及分类

（一）分类

通常按照应用环境将机器人分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务、仿人型机器人。基于目前中国经济发展的状况和中国制造业的特征及所处的工业化阶段，在此主要分析应用于制造业的工业机器人，并包含特定情况下的特种机器人。

业内对工业机器人的细分通常按照坐标形式、驱动方法和运动控制方式进行

分类。

图2 工业机器人分类

从机器人问世至今，按照关键技术发展的过程，工业机器人可分为三代：第一代示教再现机器人，第二代离线编程机器人，第三代智能机器人。现今主流安装机型是第二代工业机器人，第三代智能机器人在发达国家也占了相当的比例，例如，1998年日本安装的智能机器人占总量的10%，占销售额的36%。

表1 三代工业机器人介绍

- 关键技术

特点

第一代示教再现机器人

由机器人本体、运动控制器和示教盒组成

使用示教盒在线示教编程，并保存示教信息；当机器人自动运行时，由运动控制器解析并执行存储的示教程序，使机器人实现预定动作

第二代离线编程机器人

编程系统采用了离线式计算机实体模型仿真技术

先建立起机器人及其工作环境的实体模型；采用正逆解算法对实体模型进行路径规划；然后通过编程对实体模型进行三维动画仿真；最后将代码传递给机器人控制柜以控制机器人运动，完成离线编程

第三代智能机器人

在第一代和第二代的基础上集成了各

种传感器

通过传感器获得外部的信息，并进行信息反馈，然后灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作

（二）组成

工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等夸学

科先进技术于一体的高端制造业重要的智能装备。一般从系统构成角度而言，工业机器人由机械、控制和传感检测三部分组成，通过有机的整合形成系统，从而具备实现输入指令与对外界情况的变化作出反应功能。其中控制系统是工业机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素之一，其主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位臵、姿态和轨迹、操作顺序及动作时间等。

从零部件的组成来分析，工业机器人主要有机械本体、伺服系统、减速器和控制器四部分组成。机械主体构成工业机器人的骨架，即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，甚至行走机构。

图3 工业机器人组成图

图4 工业机器人中构件成本占比

二、现有和潜在应用领域

表2 工业机器人在各行业的应用

行业

具体应用

汽车及其器零部件

弧焊、点弧、搬运、装配、冲压、喷涂、切割（激光、离子）等

电子、电气

搬运、洁净装配、自动传输、打磨、真空封装、检测、拾取等

化工、纺织

搬运、包装、码垛、称重、切割、检测、上下料等

机械基础件

工件搬运、装配、检测、焊接、铸件去毛刺、研磨、切割（激光、离子）、包装、码垛、自动传送等

电力、核电

布线、高压检查、核反应堆检修、拆卸等

食品、饮料

包装、搬运、真空包装

塑料、轮胎

上下料、去毛边

冶金、钢铁

钢、合金锭搬运；码垛；铸件去毛刺；浇口切割

家电、家具

装配、搬运、打磨、抛光、喷漆、玻璃制品切割、雕刻

海洋勘探

深水勘探、海底维修、建造

航空航天

空间站检修、飞行器修复、资料收集

军事

防爆、排雷、兵器搬运、放射性检测

图5 全球机器人行业应用领域比例示意图

图6 发达国家工业机器人应用领域

图7 机器人分类产品图

第二节

机器人行业分析

一、全球行业概况

（一）工业机器人行业产业链构成

工业机器人产业链由零部件企业、本体企业、代理商、系统集成商、终端客户构成。通常，本体企业设计本体、编写软件，采购零部件，以组装的生产方式生产本体，通过代理商销售给系统集成商，系统集成商直接面向终端客户。有的本体企业和代理商也会兼做系统集成商。本体是机器人产业链的核心。

图8 工业机器人行业产业链构成

（二）全球机器人行业市场规模

根据国际机器人联盟（IFR）统计数据，2011 年全球工业机器人、服务机器人市场规模分别达到565、282 亿元，同比分别增长53.5%、13.3%（市场规模以人民币为口径计算增速）。根据日本机器人协会数据，我们推算2011 年全球机械手市场规模在400 亿元左右。综合上述三者，2011 年全球机器人市场规模约1247 亿元。如果再考虑工业机器人周边装臵与系统的价值，那么2011 年工业机器人系统的市场规模约1700 亿元（依据IFR，工业机器人系统价值大约是本体的三倍），全球机器人含工业机器人系统的市场规模则高达2377 亿元左右。

图9 全球机器人市场构成（以金额计）

（三）全球工业机器人本体竞争格局

日本和欧洲是全球工业机器人市场的两大主角，并且实现了传感器、控制器、精密减速机等核心零部件完全自主化。日本60 年代末从美国引进机器人技术后，已经成为机器人第一大生产国，并且形成了浓厚的机器人文化，工业机器人约占全球60%份额，代表企业有发那科、安川、那智不二越等。欧洲占据全球工业机器人30%的市场份额，代表企业有瑞士的ABB、德国的库卡、意大利的柯马等。

图10 全球工业机器人供给格局

（四）全球工业机器人核心零部件竞争格局

精密减速机、交流伺服电机及控制器是机器人最核心的零部件。目前全球机器人行业，75%的精密减速机被日本的Nabtesco 和Harmonic Drive两家垄断（业界俗称RV 减速机和谐波减速机），其中Nabtesco 在工业机器人关节领域拥有60%的市场占有率。而交流伺服电机及控制器基本被日本、德国、美国垄断，代表企业有日本的安川、松下，德国的西门子，美国的PMAC。

图11 全球精密减速机竞争格局

（五）全球工业机器人需求分布

工业机器人主要用于汽车、电子行业，这两个行业占比达到59%，其中汽车行业机器人密度已经成为衡量一个国家智能化水平的重要指标。

亚洲是全球工业机器人销售的主要地区，其中日本、韩国、中国占全球比例分别为17%、15%、14%。欧洲是第二大销售地区，其中德国、意大利占全球比例分别为12%、3%。美洲是第三大销售地区，需求主要来自美国，美国占全球比例12%。

图12 2011年全球工业机器人销量分下游构成

图13 2011年全球工业机器人销量分国家构成

二、我国工业机器人行业发展分析

（一）我国机器人发展现状

我国机器人的研起步究较晚。先后经历了二十世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。经过30多年的发展，我国机器人的研究，有了长足的发展，有的方面已经达到了世界先进水平。但与先进的国家相比，还有恨大距离，从总体上来看，我国机器人研究仍然任重道远。

首先，我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。

第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。

第三，国家认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策相对较少。在“十二五”期间，工业机器人也首次成为发展规划的重点发展对象之一。从去年开始，各项政策具体内容的陆续出台，在国务院、工信部、科技部出台的关于“十二五”期间，智能装备领域的发展规划中，均强调要重点开发并突破有关工业机器人及相应关键零部件（如伺服系统、减速器）等技术，明确了工业机器人及相关零部件的发展方向，将有助于完善机器人产业链，促进产业快速发

展，实现制造业的升级转型。

（二）我国工业机器人主要应用领域

目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。

汽车制造业是工业机器人最大的应用领域，对工业机器人发展的带动作用最强。在工业机器人全部的需求中，汽车行业的占比普遍在20%以上。

除了汽车行业，对机器人的需要大大提高的是电子行业。在亚洲应用在电子行业的工业机器人，占了总数的30％以上，是工业机器人的最大用户，这与全球范围内汽车工业是工业机器人的最大用户有所不同。

工业机器人还广泛应用于金属制品业（包括机械）、橡胶及塑料工业和食品工业等领域。

除传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，工业机器人同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

（三）我国工业机器人技术发展现状与走势

1、技术发展现状

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）

（1）机械结构

1) 已关节型为主流，90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。

2) 应3K和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。

3) CAD、CAE等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。

（2）控制技术

1) 大多数采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。

2) 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。

3) 采用基于PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。

（3）驱动技术

1) 80年代发展起来的AC侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD驱动技术则广泛地用于装配机器人中。

2) 新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

（4）应用智能化的传感器

装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。

（5）通用机器人编程语言

在ABB公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言RAPID。最近美国“机器人工作空间技术公司”开发了Robot Script

V.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的Win

NT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

（6）网络通用方式

大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

（7）高速、高精度、多功能化

目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位臵重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的NC机器人，其位臵重复精度大1微秒。

（8）集成化与系统化

当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。