机器人是自动控制机器(Robot)的俗称,自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗,机器猫等)。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议,有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中,机器人指能自动执行任务的人造机器装置,用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物,目前科学界正在向此方向研究开发。
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。
1、执行机构
即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑,常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
2、驱动装置
是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置,如步进电机、伺服电机等,此外也有采用液压、气动等驱动装置。
3、检测装置
是实时检测机器人的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类:一类是内部信息传感器,用于检测机器人各部分的内部状况,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制。一类是外部信息传感器,用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息,以使机器人的动作能适应外界情况的变化,使之达到更高层次的自动化,甚至使机器人具有某种“感觉”,向智能化发展,例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息,利用这些信息构成一个大的反馈回路,从而将大大提高机器人的工作精度。
4、控制系统
一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制,如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时,主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算,并向下级微机发送指令信息;作为下级从机,各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。
分类情况
机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和中国的分类是一致的。
空中机器人又叫无人机器,在军用机器人家族中,无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来,世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的,无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看,美国均居世界之首位。
能力评价标准
机器人能力的评价标准包括:智能,指感觉和感知,包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等;机能,指变通性、通用性或空间占有性等;物理能,指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此,可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具,可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。
行业准入条件
2016年我国颁布国产工业机器人相关标准,助力工业机器人产品质量建设,提升我国工业机器人产业的核心竞争能力。
由中国机器人产业联盟发布的3项标准集中在工业机器人领域,分别为《弧焊机器人系统通用技术条件》《定重式灌装机器人通用技术条件》《工业机器人专用电缆》。其中,《定重式灌装机器人通用技术条件》已由国家标准委审核通过,将作为国家标准发布。
同时,中国机器人产业联盟正针对服务机器人编制相关标准,配合有关部门加快推进标准制定。通过标准体系的引导,家用机器人也有望更加安全、标准。
2016年12月29日,工信部办公厅、发改委办公厅、国家认监委办公室发布《关于促进机器人产业健康发展的通知》,旨在引导我国机器人产业协调健康发展。与此同时,工信部制订了《工业机器人行业规范条件》,以促机器人产业规范发展。业内人士表示,机器人产业相关政策有助于产业发展以及龙头公司的脱颖而出;接下来产业基金等具体支持政策可期,产业有望开启新一轮的并购重组行情,万亿市场起舞在即。
通知提出,推动机器人产业理性发展。各地方、各企业要按照《“中国制造2025”分省市实施指南(2016年度)》的要求,结合本地、本企业经济、技术、人才、产业转型升级需求特点,因地制宜,科学谋划,合理确定产业发展方式和规模。引导企业加强机器人细分市场研究,理性和差异化发展机器人,避免一哄而上,低水平重复。注重引导各项资源向机器人优势企业集聚,集中有限资源攻短板。大力培育龙头企业,保护企业研发投入积极性,提高企业可持续发展能力。
通知强调,强化技术创新能力。各地方可整合现有科技资源和研发力量,组建区域性机器人创新中心和公共技术服务平台,打造政产学研用协同创新载体,着力解决制约当前机器人产业发展的技术瓶颈问题,为企业提供关键共性技术支持和服务。机器人企业要加强新一代机器人技术的研究布局,积极抢占产业发展的国际制高点。
通知还提出,推进服务机器人试点示范。面向国家战略需求和民生重大问题,创新支持政策和应用模式,推动服务机器人在助老助残、医疗康复、应急救援、公共服务等领域的应用示范,及时总结试点示范经验并有序推广。
工业机器人行业规范条件则从综合条件、企业规模、质量要求、研发创新能力、人才实力、销售和售后服务等方面对工业机器人本体生产企业和工业机器人集成应用企业提出要求。
在企业规模方面,规范条件指出,工业机器人本体生产企业,年主营业务收入总额不少于5000万元,或年产量不低于2000台套。工业机器人集成应用企业,销售成套工业机器人及生产线年收入总额不低于1亿元。
在研发创新能力方面,企业对其主要产品应享有知识产权,其中工业机器人相关产品和集成方案的授权专利不少于6项(发明专利不少于1项)或与产品核心功能有关的软件著作权不少于10项,且3年内未出现侵权行为。企业单独设立研发团队/部门,每年研发经费投入不低于上一年度总营业额的4%。企业应具有省级以上研发机构(包括重点实验室、工程技术研究中心、企业技术中心等),或工业机器人相关产品及技术取得省部级二等奖以上科技奖励(包括技术发明奖、科学技术进步奖等)。发展特点
如今机器人发展的特点可概括为:横向上,应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷,还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制,只要能想到的,就可以去创造实现;纵向上,机器人的种类会越来越多,像进入人体的微型机器人,已成为一个新方向,可以小到像一个米粒般大小;机器人智能化得到加强,机器人会更加聪明。
服务机器人分类情况
服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,到目前为止尚没有一个严格的定义。不同国家对服务机器人的认识不同。
服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,可以分为专业领域服务机器人和个人/家庭服务机器人,服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。
家政机器人
家政服务机器人指的是能够代替人完成家政服务工作的机器人,它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等;所述感知装置将在家庭居住环境内感知到的信息传送给控制装置,控制装置指令执行装置作出响应,并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制,以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。
医疗机器人
医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,具有重要的研究价值,在军用和民用上有着广泛的应用前景,是目前机器人领域的一个研究热点。
农业机器人
农业机器人出现后,发展很快,许多国家在农业机器人的研制和发展,出现了多种类型农业机器人。目前日本居于世界各国之首。在进入21世纪以后,新型多功能农业机器人得到日益广泛地应用,智能化机器人也会在广阔的田野上越来越多地代替手工完成各种农活,第二次农业革命将深入发展。
娱乐机器人
娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的,具有机器人的外部特征,可以像人,像某种动物,像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能,可以行走或完成动作,可以有语言能力,会唱歌,有一定的感知能力。
娱乐机器人的基本功能主要是使用超级AI技术、超绚声光技术、可视通话技术、定制效果技术,AI技术为机器人赋予了独特的个性,通过语音、声光、动作及触碰反应等与人交互;超绚声光技术通过多层LED灯及声音系统,呈现超绚的声光效果;可视通话技术是通过机器人的大屏幕、麦克风及扬声器,与异地实现可视通话;而定制效果技术可根据用户的不同需求,为机器人增加不同的应用效果。
教育机器人
教育机器人是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外,还有相应的控制软件和教学课本等。
军用机器人
军用机器人是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机。机器人的国际名称叫"罗伯特"(ROBOT)。原意是用人手制造的工人。该词源于捷克作家卡列尔·查培于1920年创作的一部名叫《洛桑万能机器人公司》的幻想剧中。罗伯特是该剧主人公的名字。他是个既忠城又勤劳的机器人。
水下机器人
水下机器人,也称无人遥控潜水器。一种工作于水下的极限作业机器人,能潜入水中代替人完成某些操作,又称潜水器。
地下机器人
地下机器人可对地下管道40至2200毫米管径内壁状况、淤泥厚度、管道倾斜度、管道内部结构、管道功能性缺陷等进行全面检测,不仅有效避免管道内有毒气体对进入管道检修的人员身体侵害,同时对管道存在的故障点予以准确定位,检测出导致故障的原因。
服务机器人的基本特性
机器人基础与前沿技术正在迅猛发展,涉及工程材料、机械工程、传感器、自动化、计算机、生命科学甚至涉及法律、伦理等各方面,许多学科相互交融、相互促进快速发展。
服务机器人作为机器人的一部分,当然具备同样的特点。可以预见,商业服务机器人会随着机器人技术的发展,不断拓宽应用领域。各种先进的商业服务机器人产品将会进入人类生活的各个领域,成为人类良好的助手和亲密伙伴。
商业服务机器人虽然已经得到社会认可,市场也随着机断更新完善。但由于技术上的限制,从产业的发展眼光来看,有些商业服务机器人产品尚处于“研究期”,还没有显现市场魅力。目前已经投入市场的商业服务机器人产品,大多数处于“导入期”,发展最快的步入产品“成长期”。因而产品的功效、品质、造型等方面的认知度不高,价格高销售量低。购买者属于高收入、高消费的阶层,或是对新产品有满足欲的人。器人技术的发展而不。
“形式追随功能”最早由芝加哥学派的沙利文提出,它揭开了设计应由内而外的新篇章,突出了功能在产品设计中的重要地位,明确了功能与形式的主从关系。追求功能、结构、材料的合理统一,崇尚精确、简洁的产品形态。形式跟随在功能后面,功能所支配的不是形式,而是一组有限制的条件。形式上的最后定夺,有赖于所拥有的技术和材料,而最重要的一条取决于设计师的才能。这里提出“形式追随功能”的概念,不是意味着商业服务机器人的产品造型
不重要。当产品功能达到同质化的程度,造型是区分产品优劣的一个重要条件,作为面向用户的商业服务机器人,在满足功能适用性的前提下,必然要考虑造型的宜人性、使用的舒适性等诸多因素。只是对科技含量高、结构复杂的产品而言,造型的设计必须在满足技术、结构、成本等诸多限制性因素的前提下发挥创造力。当机器人技术成熟时,造型对于商业机器人产品会起到举足轻重的作用。商业服务机器人产品各周期产品造型与功能的关系,如图2.2所示。导入期的商业服务机器人产品是依靠新技术、功能的进步,这个时期开发产品以表达功能为主,没有什么个性化的表现。在造型上选择人们十分熟悉的形象,便于消费者接受,以获得尽可能的认知度,如本田公司的拟人化机器人Asimo。成长期的产品已被消费者熟悉,被市场快速接受,销量迅速上升,企业获得丰厚的利润。处于此阶段的产品开发应注重产品的新用途,款式的新颖及多样性,进入细分市场,如机器人吸尘器。
服务机器人是与日常生活最为相关的机器人应用,但过去50多年,商业服务机器人并没有真正出现在普通人的面前。有许多因素阻碍了这一领域的发展,最重要的一点便是成本。不难理解,由于机器人技术是多学科的融合,商业服务机器人这样一种高技术产品的研制开发需要很多资金,成本必然高于普通产品,因而在机器人产品的开发领域中,企业比大学更占优势。较高的开发成本反映在市场上就是产品价格高,从而影响了商业服务机器人产品的销售。
服务机器人作为未来机器人产品的主体正在进入更多的应用领域,商业服务机器人的多种用途进一步促进了机器人产业的繁荣。商业服务机器人的广泛应用带动了诸如电子原器件、材料、IT等行业的发展。
产品价值分析
产品价值具有多层次性,人的需求具有从低到高的层次性,其层次性决定了产品对于人的价值的层次性。产品价值包含三个层次:核心价值、形式价值、延伸价值,服务机器人作为一种产品,其产品价值也具有相同的三个层次。
服务机器人产品核心价值即指向顾客提供的基本效用或利益,是商业服务机器人产品出现在人们生活中、存在于市场的理由,要能解决生活中存在的实际问题,给人们生活带来有用性。核心价值的品质越高就越能有效满足人们的需求与解决生活当中的问题,能给人们带来更多的实惠和享受,因此核心价值是衡量商业服务机器人产品优劣和人们喜好程度的关键。简单的说,商业服务机器人的产品核心价值即必不可少的价值。
服务机器人产品形式价值,是指核心产品层所展示的全部外部特征,即向顾客提供的实体和服务的形象,如品质、式样、品牌、包装与特色等。与同类的商业服务机器人产品比较,能区别于其它在市场中脱颖而出,
就要有自身显著的特点和风格,能够清晰地突出自身特色,被消费者认可,更好的发挥核心功能,并且更大程度上和更大范围内为消费者带来有用性和益处,这就依赖于产品的形式价值。
服务机器人产品延伸价值,是指顾客购买产品时,随同产品所获得的全部附加服务与利益,如售后服务保证、免费送货、安装服务及银行提供信贷等。商业服务机器人产品附加价值似乎与产品实体毫无关系,但事实上它与产品功能的有效实现密切相关。当产品核心利益与质量、效用等基本相同而延伸价值存在优劣差异时,用户需求程度的满足程度就会出现差别,因而会影响到销售量。商业服务机器人产品延伸价值的功能在于吸引用户、树立企业良好形象,提高重复购买率。
机器人产业链构成情况
机器人行业的产业链可分为五个部分,分别是研发、零配件生产、机器人单体制造、系统集成和售后服务。服务机器人行业的产业链可以分为上游、中游和下游。
服务机器人行业生产所用的主要使用零部件为自动焊机、电子器件、微处理器、机器人用伺服电机、高精度减速器、机加件、气动元器件、传感器、电池、单板机等,归属于标准零部件、电子设备以及电子元器件等。下游则主要是医疗、家用、农用、军事等行业和领域。
就目前而言,国内市场依然处于相对闭塞的初级阶段。人们对智能家用机器人依然处于从了解到接受的转变期。根据同类产品来看,以家电类为例,一款家用机器人生命周期大概有2-3年的时间。从宏观的角度去看,一个系列的产品从被认可再到后期的衍生升级,这个周期可以延长至5-10年,甚至更久。
产业链价值分析
上游企业的核心技术:传感器技术
相比工业机器人,服务机器人对精度的要求苛刻程度较小,而对智能的要求更高。因此以往机器人产业的进入壁垒高性能交流伺服电机和高精密减速器大大降低,而传感器、信号处理算法、运动规划算法将成为新的核心技术。
传感器是实现服务机器人功能的关键,工业机器人工作环境是已知和结构化的,而服务机器人工作环境是未知的,需要通过大量的传感器判断环境情况,对环境有准确的描述,从而做出反应。传感器对于服务机器人的重要程度远远超过工业机器人。
除了目前已经比较成熟的压力、温度、接近和气体传感器之外,正在研发的核心传感器还包括深度传感器。深度传感器是机器人用来识别空间,判断“我在哪里”和“我可以去哪”的传感器。此外,服务机器人一般需要自主移动,这对传感器的微型化和集成化也提出了更高的要求。
上游生产核心零部件:包括减速器、伺服系统、控制器;
近年来,国内零部件企业也尝试突破关键技术。但是,除个别龙头企业,绝大多数机器人企业销量少,难以覆盖核心零部件的研发成本。而且国内的零部件精度、性能和国外产品仍有差距,成本也比国外产品高。国内厂商购买伺服电机及伺服驱动的价格均为国外厂商的两倍左右。从分项成本来看,机械成本国外为5万元左右,国内为6万元左右;减速器国外为2万元左右,国内超过8万元;伺服电机及伺服驱动的价格国外为2万元左右,国内为4万元左右;国内控制器的成本也在国外的两倍左右。《机器人产业发展规划(2016-2020年)》的目标之一是实现机器人关键零部件的重大突破,具体包括突破高精密减速器、高性能伺服电机和驱动器、高性能控制器、传感器和末端执行器等五大关键零部件。伺服电机市场投资潜力2012年国内伺服电机生产企业产量约172万台,国内需求市场规模达到了385万台。国内伺服电机销售规模达到59.3亿元。2013年我国伺服电机生产企业产量约206万台,需求量约444万台。国内伺服电机销售规模达到68.2亿元。2014年我国伺服电机产销量分别为255万台和535万台,市场规模约80.5亿元。截至目前,国产伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本开发成功,但产业化方面比较滞后,尚未形成商品化和批量生产能力,国内对精密伺服电机控制系统的需求还主要依赖进口,如日本三菱、松下、富士和德国西门子等。近年来,中国从制造业大国正向制造业强国开展,由于国度对制造配备及其技术改造工作的注重,随着全数字式交流永磁伺服系统的性能价钱比逐渐进步,交流伺服电机作为控制电机类高档精细部件,其市场需求将稳步增长,近5年内其应用前景将非常看好。控制器市场投资潜力控制器、软件与本体一样,一般由机器人厂家自主设计研发。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此,控制器的市场份额基本和机器人保持一致,国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。
中游产业价值分析
人工智能技术是服务机器人的核心技术。人工智能研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作,研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。
人工智能技术包括:机器视觉,指纹识别,人脸识别,视网膜识别,虹膜识别,掌纹识别,专家系统,自动规划,智能搜索,定理证明,博弈,自动程序设计,智能控制,机器人学,语言和图像理解,遗传编程等。
人形机器人的核心技术及技术挑战
人形机器人的核心技术
1)运动控制技术:①算法;②核心元器件:舵机
核心的元器件就是舵机,舵机它里面实际上是一种高精度的伺服模组,包含四个部分:伺服控制、电机、减速和传感反馈电路,和工业机器人类似,它70%的成本可能是在电机、传感和减速这一块,人形机器人也是类似的。所以要实现人形机器人量产,让它的价格更亲民的话,伺服舵机是非常重要的一块。
2)交互技术
在PC时代可能更多地是用遥控器或者是键盘鼠标来操控机器人。现在用触摸、用手机来控制它。但是更自然的人机交互方式应该是语言或者视觉,能够感知人的情绪,它可以识别说话的语音语调的变化来改变它的回答内容。更自然的交互技术可以提高用户的体验感,这是非常重要的一块。
近年来,国内运动控制(包括CNC)技术有了较快的发展。一些传统生产数控设备的厂家开始研制具有运动控制特征的产品。为了提高机械设备的生产效率和产品质量,越来越多的机械设备制造厂商开始使用并且逐渐熟悉通用运动控制系统,使得通用运动控制产品在很多原来运用不多的领域开始扩展开来。同时,部分数控设备厂家进行了机器人专用运动控制产品的开发和行业应用的推广,并逐渐走向成熟和产业化。这类企业以广州数控、广泰数控、埃斯顿等为代表,他们不只开发出来机器人专用的控制系统,而且还借此进入机器人行业,并成为国产机器人企业中的代表。随着我国制造业市场的全球化,对制造业的技术和装备提出了更高的要求,这给运动控制技术的推广和高水平应用带来了契机。在此背景下,国内逐步成长了一批专业的运动控制企业,他们开始逐步向市场提供机器人专用控制器。这类企业以固高科技、卡诺普、众为兴等为代表,固高科技是国内较早实现六轴机器人控制系统产业化的企业之一,目前主要向机器人集成商提供控制系统平台,而卡诺普和众为兴的控制系统则在自己的机器人上获得了较好的应用经验。于此同时,不少国内机器人企业也陆续开发自己的控制系统。经过多年的沉淀,国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。随着技术和应用经验的积累,国内企业机器人控制器产品已经交为成熟,是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件。未来几年中国国产机器人将得到快速发展,国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机,尤其是在运动控制领域深耕多年的企业。
近年来,我国减速机行业发展相当迅速。2005-2015年行业实现了年均10%以上的增长速度。与此同时,国内减速机行业重点骨干企业的产品品种、规格及参数覆盖范围在不断扩展,产品质量已达到国外先进工业国家同类产品水平,完全可承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任,部分产品还出口至欧美及东南亚地区。江苏省、浙江省的减速机民营企业发展速度很快,已经成为行业中的一支生力军。此外,山东省淄博地区的减速机厂家也很多。一些发展速度较快的民营企业,在完成了原始积累后,不断发展壮大。他们紧跟市场变化,及时调整产品结构,对产品质量的要求也在不断提高。为了增强竞争力,他们加大购置检测设备、实验设备以及扩大厂房的资金投入,加工能力及技术水平提高很快,同时还重视人才的培养与引进,企业已开始向规范化、标准化方向发展。从行业整体经营规模来看,我国减速机行业亦是实现了较好的经营效益。目前,我国减速机产品不仅满足了国内主流市场的需求,还远销国外,并且在国际市场上占据一定的地位,可谓享誉中外,我国已然成为世界减速机制造大国。精密减速器是工业机器人中最关键的功能部件,是机器人产业链至关重要的应用环节。预计至2018年,我国工业机器人对减速器的新增需求量将达到46.2万套。此外,对于国内市场保有的工业机器人按一般使用寿命8——10年计算,未来国内对于精密减速器的市场需求将超过100万台,年市场销售额将突破100亿元以上。传感器市场投资潜力随着国内产业结构调整与转型升级加速,传感器在汽车、家电、装备类、医疗、环保等领域的应用大幅增加。
下游产业价值分析
人形机器人的技术挑战
1)伺服舵机。现在小型机器人输出扭矩比较小,现在输出扭矩的要求更大,它里面的电机、减速的要求很大。核心元器件的研发在国内领域还很少。
2)稳定行走的控制理论,在实际的机器人的测试和运行过程中不是很理想。
3)室内定位导航。现在机器人还只能在小范围内运动。它的定位导航现在虽然有激光、视觉、P2P、超宽带的定位导航技术,但是在人形机器人里面还是有不足。
下游是系统集成商,包括单项系统集成商、综合系统集成商。
随着国内产业结构调整与转型升级加速,传感器在汽车、家电、装备类、医疗、环保等领域的应用大幅增加。在农业、环保、医疗卫生以及食品检测类方面,特别是物联网技术的应用可以用突如其来、无法估量来形容。受可穿戴、智能制造技术加快和全球经济复苏等因素的影响,全球传感器市场需求出现大幅度增长。在发展高科技,实现产业化、大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用等一系列政策导向和支持下,在蓬勃发展的中国电子信息产业市场的推动下,传感器已形成了一定的产业基础,并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展。一批基于MEMS(微机电系统)技术的新型传感器正在进入市场。传感器设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟,量产能力逐步提高。力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器等传统传感器,不仅在国内市场份额逐步增长,同时还有部分出口。在国家大力加强传感器的开发和应用的一系列政策引导和支持下,我国传感器行业面临良好的发展前景,未来成长空间可期。工业应用市场投资机会分析从工业机器人在韩国和日本的行业应用经验,结合国内以往的应用领域,考虑未来行业应用的可能,中高端工业机器人将在汽车产业、通信电子、金属制品、化工塑料、家电行业等有较为广泛及深入的应用。而中国内地广泛存在的其他行业则有望采用中低端工业机器人,这些行业包括仓储物流、五金卫浴、石油化工、食品饮料、烟草医药、饲料化肥等,众多下游领域的需求还在形成与增长中。在传统的国内市场中,我国工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。由于机器人技术以及研发的落后,工业机器人还主要应用在制造业,非制造业使用的较少。近几年国内厂家所生产的工业机器人有50%以上是提供给汽车行业。可见,汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。从行业应用的成熟度来看,目前在汽车、金属制品等行业,机器人应用相对成熟,而在3C、食品饮料、医药、橡胶制品、陶瓷等行业,机器人的应用还正在处于起步阶段。这些行业中,除了通用机器人以外,码垛机器人和并联机器人需求量较大,结合到我国目前的产品结构,未来产业链末端环节的机器人需求量将逐渐增加。未来,随着汽车行业去库存节奏加快,新增产能投放增速放缓,汽车行业需求占工业机器人销量的比重将有所下降,而非汽车行业对机器人需求逐渐增加。在非汽车的应用领域中,目前我国机器人渗透率较低,未来有充分竞争力的领域包括:3C行业、食品制造及医药行业、陶瓷卫浴及物流仓储行业等。个人/家用市场投资机会分析我国服务机器人市场从2005年前后才开始初具规模,与日本、美国等发达国家相比起步较晚,且在自主研发、专用零配件市场供应和集成能力方面存在一定的差距。为加快国内服务机器人产业的发展,国家从政策层面表示大力支持。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中,国家指出将服务机器人作为未来优先发展的前沿技术。
上游部件供应分析
伺服系统市场分析
伺服系统是工业自动化的重要组成部分,是自动化行业中实现精确定位、精准运动必要途径。伺服系统可以使系统终端执行机构的位置、速度、转矩等输出参数准确地跟随输入量变化。伺服系统按执行元件的不同分为液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统,目前电气伺服系统应用最为广泛。
伺服系统下游应用随着社会产业结构的调整,下游市场份额不断发生显著变化。2011年时伺服系统应用最多的下游行业是机床和纺织机械。随着产生升级和制造业变革加速,电子设备制造行业(包括传统电子设备、半导体、液晶、LED)及机器人行业受政策利好及市场需求量快速增加等因素影响,行业自身及对伺服需求量快速增长。伺服系统众多下游行业符合国家产业政策所鼓励的发展方向,随着中国装备制造业整体性的产业升级,其自动化、数控化、智能化的发展方向为伺服系统产品提供了十分广阔的市场空间。另外目前市场中,已经出现了伺服系统取代低压变频器的趋势,在低功率段,伺服系统与变频器价格接近,伺服系统精度更高,未来伺服系统会逐渐替换部分低压变频器。展望未来,随着伺服系统的优势逐步呈现、伺服系统市场接受度不断上升,未来伺服系统市场具有非常大的增长空间。
目前应用最为广泛的电气伺服系统,通常伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机,以及伺服反馈装置(编码器)。伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层,伺服电机属于执行层。伺服驱动器和伺服电机如今已经成为智能制造的必备品。伺服系统的工作过程可以简单理解为上位机(PLC、控制卡)发出脉冲信号驱动伺服电机,由上位机来控制整个伺服运动,编码器是一个反馈单元,用来检查伺服电机执行了多少脉冲信号并反馈给驱动器,从而进行精确闭环控制。可以借助工业中常用的变频调速系统来理解伺服系统,伺服系统类似于传统工业中常用的变频调速系统,伺服驱动器控制伺服电机类似于变频器控制普通电机。伺服系统与变频调速系统功能类似,同时伺服系统具有两个明显优势,首先在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现,其次伺服系统的响应速度远远大于变频系统,所以在精确、快速运动中选用伺服系统。
控制器市场分析
机器人控制器是机器人控制系统的核心大脑。控制器的主要任务是对机器人的正向运动学、逆向运动学求解,以实现机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换,完成机器人的轨迹规划任务,实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。机器人控制器由机器人控制器硬件和机器人控制器软件组成。机器人控制器的软件部分是工业机器人的“心脏”,随着科技的发展,工业机器人从下位机到上位机的应用软件方面都有了不同程度的研究成果。
控制器的市场份额基本和机器人保持一致,国内企业控制器尚未形成较大市场份额。控制器、软件与本体一样,一般由机器人厂家自主设计研发。目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发,各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此控制器的市场份额基本和机器人保持一致,国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。
国内企业机器人控制器产品已经较为成熟,是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件,国内控制器与国外产品存在的差距主要在控制算法和二次开发平台的易用性方面。控制系统的开发涉及较多的核心技术,包括硬件设计,底层软件技术,上层功能应用软件等,随着技术和应用经验的积累,国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距,差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。
未来几年中国国产机器人将得到快速发展,国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机,尤其是在运动控制领域深耕多年的企业。机器人轴数越多,对控制器性能要求也越高:机器人自由度的高低取决于其可移动的关节数目,关节数愈多,自由度越高,位移精准度也越高,其所使用的伺服电机数量就相对较多,即越精密的工业型机器人所用的伺服电机数量愈多。
一般每台多轴机器人由一套控制系统控制,也意味着控制器性能要求越高。随着中国工业机器人的快速发展,具有较强研发能力的公司会具备更强的竞争优势。
减速器市场分析
精密减速器,是一种精密的动力传达机构,它利用齿轮的速度转换器,将电机的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的装臵,从而降低转速,增加转矩。精密减速器是工业机器人最重要的零部件,工业机器人运动的核心部件“关节”就是由它构成,每个关节都要用到不同的减速机产品。
按结构不同,工业机器人用精密减速器可以分为五类,RV减速器和谐波减速器是工业机器人最主流的精密减速器。精密减速器按照结构的不同,可以分为谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、RV减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器五类。在精度、扭矩、刚度、传送效率等衡量减速器的各个性能指标上,它们各有不同。其中,RV减速器和谐波减速器是工业机器人最主流的精密减速器。
RV减速器和谐波减速器是工业机器人中使用最主要的减速器,RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的趋势。世界75%的精密减速器市场被日本的HarmonicaDrive和Nabtesco占领,其中Nabtesco生产RV减速器,约占60%的份额,HamonicaDrive生产谐波减速器,约占15%的份额。RV减速机主要用于20公斤以上的机器人关节,谐波用在20公斤以下机器人关节。RV减速器不像谐波减速器那样随着使用时间的增长,运动精度会显著降低,在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的趋势。但由于RV减速机组成零件更复杂,承载强度更高,不光制造难度要比谐波减速机大,其生产线投资规模远大于谐波减速机。
我国精密减速器为起步晚,逆袭挑战重重。相比日本巨头几十年的积淀,中国的工业机器人用精密减速器研究开始较晚,技术不成熟,形成了精密减速器不能自给自足的局面,严重依赖进口。RV减速器需要传递很大的扭矩,承受很大的过载冲击,保证预期的工作寿命,因而在设计上使用了过定位结构,加工十分困难。看似简单的RV减速器,实则是对我国工业基础系统的挑战。昂贵进口的通用机床不一定能生产出精密零部件,不是仅仅引进几台进口设备就可以生产制造出来的,没有吃透相关材料、热处理、工艺等是不可能生产出精密减速器的。国内有部分公司在技术水平上取得了重大突破,目前也未形成较大的销售规模。
国内涉足RV精密减速器的公司有上市公司秦川机床、上海机电、巨轮股份,新三板公司有唯一标的恒华股份,非上市公司有南通振康、恒丰泰、武汉精华、上海精华、山东帅克等,涉足谐波减速器的有非上市公司苏州绿的谐波传动科技有限公司、北京中技美克谐波传动有限公司等。
传感器市场分析
随着“中国制造2025”、“工业4.0”“物联网”等的提出,我国制造业产业面临变革挑战,尤其是对分析仪器和传感器产品的智能化、信息化、网络化方向发展提出更高要求,以实现更灵敏、更准确、更快速、更可靠地实时检测。
下游应用领域分析
家政服务市场
家庭清洁机器人作为正在产业化的智能服务机器人先驱,其发展路径与家用洗衣机、吸尘器这些清洁家电一样,逐渐发展成为日常生活用品。观察洗衣机和吸尘器近25年来国内的销量趋势可以发现,伴随着市场需求的增大,二者在扩大市场容量的过程中都有过几次爆发性的增长,而发展到现在基本都趋于平稳。对于家务机器人来说,目前正处于第一次爆发性的增长中,在未来几年随着技术的发展和价格的降低将进一步增大市场容量。从长期来看,随着家务机器人渗透率的提升,其销量也会趋于稳定。教育事业对教育机器人的需求将形成一个巨大的市场。在提倡素质教育、通识教育的今日,通过教育机器人课程的推广、通过动手组装和编程实践可以拓展青少年的逻辑思维能力,这种寓教于乐的新型教育模式已成为青少年高科技教育的有效手段和工具。同时,中国整体客观形势对学前教育的要求越来越高,伴随着国内学前教育市场的蓬勃发展,针对3-6岁少儿的学前教育娱乐机器人也将具有巨大的市场空间。我国是世界玩具生产大国,产量已占全球市场的3/4,但由于技术水平方面的原因,目前我国玩具出口主要以加工贸易为主,自行设计开发的玩具大多停留在中低档水平,品种单一,技术含量低。因此,娱乐机器人的发展将为高档玩具开辟一个新的方向。
医疗服务市场
医用机器人在我国经济持续高速发展进入更高层次的时候必定替代一部分传统的人工技术。医用机器人会是我国医疗工具和手段的前沿发展方向,驱动其发展的因素有:对各种疾病诊断和治疗的巨大高端技术需求、老龄化对老残辅助和护理的社会压力以及高素养医护人员的缺乏导致的供需矛盾。手术机器人大类包括腹腔镜手术机器人系、统矫形外科机器人系统、神经外科机器人系统、可操纵的机器人导管、及其他临床手术机器人。未来由于对微创诊断和治疗程序的需求增加、老年人口基数的增长、地球环境的恶化、不健康的饮食习惯和对高脂肪食品、酒精的消费,以及都市人口平日缺乏体育锻炼等不健康的生活方式,种种因素都极大促进了手术的发生率,也为手术机器人的发展提供了空间。康复机器人是辅助人体完成肢体动作,实现助残行走、康复治疗、负重行走、减轻劳动强度等功能的一种医用机器人。康复机器人的下游市场可被认为是一种特殊环境下的“可穿戴设备“,在应用技术突破后的市场需求量巨大。传统的人工或简单的医疗设备已经不能满足患者的康复需求,这也使得人们对于四肢康复设备如康复机器人的需求增大。
康复护理市场
康复机器人可以减少人员陪护,而且更有成效地帮助病患实现康复。更重要的是,患者、老年人,以及幼儿,即所谓“老弱病残”,对于医疗康复机器人的需求较为刚性,这一片市场需求未来开拓可期。未来我国康复市场规模达百亿,成长空间巨大。假设未来我国二级以上综合医院的康复医学科建设完全,预测未来二级以上医院康复医学科数量近1万所,这里还不包括社区等康复机构,考虑到康复设备单价在数十万至数百万元之间,即使一所康复医学科配一台设备,市场空间将达到数百亿元,成长空间巨大。军用市场投资机会分析现代信息技术的跨越式发展,使战场变得更加透明,如何有效“保存自己、打击敌人”就成为作战指挥官的首要考虑因素。而可遂行不同作战任务,同时又“不怕苦,不怕死”的军用机器人自然就跃进了人们的视线,成为信息化战场的“新宠”。
军事应用分析
军用机器人分为地面机器人、水下机器人、空间机器人以及无人机等,可用于探测侦查、工程保障、科研教学、遂行战斗等多种任务,具有全方位、全天候作战能力,较强的战场生存能力,独立的指令行动能力等,可以在战争中替代作战人员完成繁重、危险、复杂的任务,保护作战人员免受威胁。目前,军用机器人已在空间探测、高空侦察、物资运输、布雷排爆、火炮发射等领域承担重任,其巨大的军事潜力和超人的作战效能,日益受到各国军界的高度重视,将成为未来战争舞台上一支不可忽视的军事力量。军用机器人在军事行动中显露锋芒,让军事专家不断探索并重新审定其价值和功能。从地面排爆到水下探测,从高空侦察到物资运输,机器人在军事方面的应用取得了长足的发展。目前,美国的“派克波特”机器人、“剑”式机器人、“大狗”地面机器人等,已在伊拉克和阿富汗等实战环境中有效遂行了运输、装卸、加油、抢修等军事保障任务。这些军用智能机器人具有极强的作战效能,表现最突出的当数服役于美国陆军专门用于防化侦察和训练的“曼尼”机器人,它能够行走、蹲伏、呼吸和排汗,还能自动分析毒剂的性质。
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