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权威报告:中国工业机器人四大瓶颈与突破点

点击次数:139  更新时间:2017-05-13 14:58 

工业机器人技术是先进制造技术的代表,是国家工业竞争力的集中体现,目前,中国已然成了工业机器人最大的市场。但是总体上看,中国的工业机器人关键技术在世界上还比较落后,很多关键部件还需要依赖进口。如何在新时期发展我国的工业机器人,缩小与其他国家间的差距甚至实现技术超越?李教授将为我们分析国内外工业机器人的发展现状,找到我国与他国的差距所在,并在分析未来工业机器人的发展趋势的基础上,为我国未来工业机器人发展指明方向。

1世界工业机器人发展现状

工业机器人产业构成分为上游、中游、下游。上游包括一些关键的核心部件,中游主要是指本体以及集成技术,下游包括二次开发以及周边设备的开发。

现在的工业机器人技术可以说基本集中在了日本和欧洲。在日本,它的关键性部件——减速器是遥遥领先的,并且已经形成了很强的技术壁垒;德国的工业机器人原材料、本体零部件具有很大的优势;在中国,我们现在的机器人产业是处在产业链的下游,主要是系统集成、二次开发、定制性部件和售后服务。也就是说,我们的技术还处在低端。

由于发达国家的劳动力出现地比较早,环境的因素也促使他们很早就开始发展工业机器人,从而形成了先发的优势。比如美国,从上世纪50年代已经提出了“工业机器人”的概念;而日本在70年代就已经形成了工业机器人产业化的发展。他们有深厚的技术积累,包括一些关键部件的核心技术。从现在的产能和保有量来看,日本的产能达到66%,它的保有量大概每万人300多台;而中国的保有量还是比较低的,可正因为低,所以在中国有更大的市场。

近年来,从全球工业机器人的销售数据来看,中国是年年递增,2016年达到29万台,到2019年可能将会突破40万台。工业机器人的社会需求还是非常旺盛的,并且它保持了比较高的增长速度,未来十年,全球工业机器人的销量平均增长将会保持在12%左右。

现在的工业机器人的应用也非常集中,集中在这样五个国家:中国、韩国、日本、美国、德国。这些国家工业机器人的销量占到了75%。而从2013年以后,中国就成了全球最大的工业机器人市场。

在应用行业上来说,最大的应用行业在汽车制造领域,它占了38.7%,其实在国内这个数量还要大的多,接近50%都是用在汽车制造领域。电力/电子行业这几年的应用量增长非常快,现在已经达到了21%左右,并且这个比例还会进一步提高。尤其是在我们国家,我们国家的电子产品的生产能力占全球的大概百分之六七十。在中国,电力/电子行业,工业机器人的应用将会有更大的市场。

从品牌来讲,现在的工业机器人市场份额被四大品牌所占有:KUKA20%,FANUC15%,YASKAWA15%,ABB10%,他们加起来超过了60%。

四大品牌基本上可以分为两系:欧系和日系。ABB、库卡是欧系的代表,他们的主要应用领域是汽车制造,在3C、汽车加工等方面也有一些新的应用;对日系来说,它的主要应用领域也是汽车工业,而且日系在电子行业当中的应用技术做得也比较好。这两年的用量增加地也非常快,因为他们的工业机器人和视觉系统相结合,形成比较精密的装备。

2我国工业机器人发展现状

从2013年以来,我国的工业机器人的技术发展也非常快,主要得益于国家政策保障、宏观经济促进、社会环境推动、技术发展支撑这四个方面。

劳动力的成本增加之后,也迫使人们用机器人来代替人进行生产。同时,我们的一些关键性的核心部件逐渐国产化,对于低端的机器人已经实现了核心部件的国产化,但是高端还不行;随着新技术的出现,将会促进机器人技术的进一步发展。

我国工业机器人的销售量这几年逐年提升,2013年是3.7万台左右,到2016年接近9万台。

从技术层次度上来说,从2015年已经开始进入了市场的启动期,我们现在正处在一个技术的快速发展期。大概在2025年左右,工业机器人技术将会在我们国内实现大发展。

 

 

截止2016年全国已建和在建的工业机器人产业园区近50家;有影响力的机器人公司预计有800多家;上市公司涉及机器人业务的公司超过50家;中国内地机器人企业2015年增长了30%。现在,大家都充分认识到了机器人的重要性,各地都在积极发展机器人。

具有代表性的我国工业机器人企业包括新松机器人自动化有限公司、哈尔滨博实自动化股份有限公司、南京埃斯顿自动化有限公司。

 

我们国家非常重视减速器、伺服器、控制器这三项关键零部件研发,这三大关键零部件占工业机器人成本比重超过70%。这些在过去基本依靠国外技术,我们现在也逐渐有了自己的产品。

精密减速机,现在国内代表性企业有南通振康、苏州绿的。

RV减速器企业:南通振康、秦川发展、山东帅克,他们也都有了自己的产品,而且产品的性能与日本的相比也差不了多少。

现在减速器性能好的可以很好,但是在很多时候我们的原材料还达不到要求,在这方面还需要进一步努力。

谐波减速机来说,苏州绿的做得比较好,他们攻克了核心技术,有别于其他国家的产品,它的性能指标也基本上达到了国外的性能指标,但是产品的一致性和量化方面还有待于提升。

伺服系统分为欧美系和日系,欧系有西门子、Lust、博世力士乐、倍福等;日系主要有安川、松下、三菱等。

控制器:国外的四大家族都有自己的控制器,而我们国内的固高驱控一般用在低端产品上。

他们在关键部件上的研发为工业机器人的国产化作出了巨大贡献。

3我国工业机器人发展瓶颈

发展瓶颈1:国际厂商先发优势,国产机器人市场份额低。

要进行市场份额的突破,就得占领高端市场,我们现在基本上是走低端市场,我们要想办法走高端市场。

发展瓶颈2:减速器、伺服机等核心零部件性能有待提高。

比如精密减速机在额定扭矩和传动效率等方面需要进一步提升。

伺服系统的电机动态响应、过载能力、效率等方面存在差距;工业机器人需要15个系列,而我们现在还达不到这样一个水平。

控制器硬件方面差距较小;软件实现的构建、控制算法、二次开发方面存在差距;动力学性能有待完善;工艺软件包、工艺应用上尚有差距。

工业机器人系统:核心技术缺失、产业空心化,国产机器人产业面临性能与成本的双重压力;产品低端化、低水平重复,国产机器人产业需求与现有产品性能之间的矛盾突出;前沿技术研究零散,系统性支持缺失,占领机器人技术及产业国际制高点形势严峻。

发展瓶颈3:原材料缺失,导致企业生产成本上升。

今后的工业机器人会使用碳纤维、尼龙等复合材料。

发展瓶颈4:缺少高端技术人才,与国际发达国家存在一定差距。

现在国家已经意识到了这个问题,目前全球一共有28家高校建立了机器人工程的专业,有一些学校像湖南大学、东南大学、东北大学甚至都成立了机器人学院来培养机器人的专业人才。

4工业机器人未来发展趋势

工业机械手、工业机械臂,它所做的工作是要求有速度、精度、重载的,但是灵活性还不够。

人类工作分工比例:胳膊为主20%,双手为主80%。富士康有百万台工业机器人的应用计划,但最后并没有达到它的目标,因为它的很多工作需要手部的操作,而不是臂的问题。

现在的工业机器人可以讲还是残疾的机器人,还需要进一步完善。

对于现有的工业机器人要扩展它的功能、提高它的性能,使它变成一个智能设备。新型机器人研发上,我们希望研发灵巧性的机器人,包括双臂机器人、柔性机器人、灵巧手、智能传感机器人等。

以前的机器人只是一个“机器”人,能做的都是一些简单的、低级的任务,相对来说对环境适应能力比较差。我们希望通过技术的进步,提升机器人的性能,真正让“机器”变成人,使它能够完成复杂、高级的任务,适应环境的变化。

机器人现在正在进行着由“机器”向人进化的过程中。

现在的机器人只是一个传统的特殊设备,它在一些关键性的环节上进行应用,与人之间是互补的关系,但可以满足市场对质量和效率的要求。新一代机器人才可以叫“机器人”,它的应用更加普遍,可以实现与人的替代关系,可以满足市场对新制造模式的需求,减人力、降成本、提高产品竞争力。

除此之外,还需要考虑机器人的应用场景,我们不要只是盯着高端应用,也要注意低端应用。比如卫浴五金(打磨抛光),看似简单的工作,如果要让机器人来做,它要有一些力的感知等要求,它的应用要求甚至要比用在汽车生产线上的还要高,比如它要防水、防尘、防爆;力控制、离线编程、曲面规划、打磨工艺。这个行业对价格也非常敏感,如何做低成本的系统,这是大家要考虑的。

对于工业机器人来讲,一定要和传感相结合,尤其是与视觉相结合,来扩展工业机器人新的应用,同时也使得工业机器人更加适应于环境的变化、任务的变化。

工业机器人今后也不再只是做一些单元性的机器人单元,要走向“数字化工厂”。

这是现有的机器人,我们希望做到下一代工业机器人,包括柔性臂、双臂人机协同,要具有安全性、交互性。

要做到这一点必须挑战四个任务:环境挑战、任务挑战、行为方式挑战、自然交互挑战。

针对上面的这几个挑战,我们要重点研究的问题包括:

(1)环境理解问题:研究机器人在自然、不可预知、动态环境中的感知。

(2)行为方式及安全问题:研究机器人和人在紧密接触、密切配合行为过程中确保人-机-物安全的技术。

(3)交互问题:研究机器人作为“人类助手”、乃至进入普通人生活相适应的友好、智能、自然的人机交互技术。

过去都是以机器为中心,人推动摇控器、手把手教机器人怎么干活;今后应该以人为中心。机器人来适应人,比如人打个手势,机器人就知道干什么;人说一句话,机器人就能理解这句话从而做出行动;这是一个根本的改变。

(4)学习与进化问题:研究基于反馈思想的在线学习方法,通过不断的在线学习和吸收他人的观点,提高自身能力,实现进化,使其能够适应外界不断变化环境和复杂多变的作业任务。在这个问题中,要研究自主学习、协同进化、机器思维、成长发育等内容。

这是新一代机器人的典型代表,包括库卡、ABB。它们希望机器人能和人在同一个空间当中进行作业,而不至于损伤人或者损伤自身。