工业机器人应用技术（第三版）课件 2.1 工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业

第二篇认识篇——工业机器人家族本领任务一工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业第二篇认识篇——工业机器人家族本领

2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业一、按照机器人的运动形态分类按照机器人的运动形态分类，可以分为直角坐标型工业机器人、圆柱坐标型工业机器人、球坐标型工业机器人、多关节型工业机器人、平面关节型工业机器人和并联型工业机器人，各类型实物图如图2-1所示。2.1.1工业机器人的分类(a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)多关节型(e)平面关节型(f)并联型图2-1工业机器人类型2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业1、直角坐标型工业机器人直角坐标型工业机器人结构示意图如图2-2所示。手部空间的位置变化是通过沿着3个相互垂直的轴线移动来实现，常用于生产设备的上下料和高精度的装配和检测作业。一般直角坐标型工业机器人的手臂可以垂直上下移动（Z轴方向），并可以沿着滑架和横梁上的导轨进行水平二维平面的移动（X、Y方向）。显然直角坐标型工业机器人有3个移动关节，即3个自由度。图2-2直角坐标型结构示意2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业（1）直角坐标型工业机器人有如下优点：结构简单；编程容易，在X、Y、Z三个方向的运动没有耦合，便于控制系统的设计；直线运动速度快，定位精度高，蔽障性能较好；（2）直角坐标型工业机器人有如下缺点：动作范围小，灵活性较差；导轨结构较复杂，维护比较困难，导轨暴露面大，不如转动关节密封性好；结构尺寸较大，占地面积较大；移动部分惯量较大，增加了对驱动性能的要求；2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业2、圆柱坐标型工业机器人圆柱坐标型工业机器人结构示意图如图2-3所示。有两个移动关节和一个转动关节，末端操作器的安装轴线的位姿由（z，r,θ）坐标予以表示，其主体具有3个自由度：腰部转动、升降运动、手臂伸缩运动。图2-3圆柱坐标型结构示意2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业（1）圆柱坐标型工业机器人主要有如下优点：控制精度较高，控制较简单，结构紧凑；对比直角坐标形式，在垂直和经向的两个往复运动可以采用伸缩套简式结构，在腰部转动时可以把手臂缩回，从而减少转动惯量，改善了力学负载。空间尺寸较小，工作范围较大，末端操作器可获得较高的运动速度。（2）圆柱坐标型工业机器人主要有如下缺点：由于机身结构的原因，手臂不能到达底部，末端操作器离z轴愈远，减小了机器人的工作范围，其切向线位移的分辨精度就愈低。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业3、球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人结构示意图如图2-4所示，有两个转动关节和一个移动关节，末端操作器的安装轴线的位姿由（θ，φ，r）坐标予以表示。机械手能够里外伸缩移动，在垂直平面内摆动已经绕底座在水平面内移动，因为这种机器人的工作空间形成球面的一部分。很多知名企业球坐标型工业机器人其手臂采用液压驱动的移动关节，绕垂直和水平轴线的转动也采用了液压伺服系统。图2-4球坐标型结构示意2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业球坐标型工业机器人的特点是：占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可；蔽障性能较差，存在平衡问题；2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业4、关节坐标型工业机器人关节坐标型工业机器人结构示意图如图2-5所示，主要由底座、大臂和小臂组成。大臂和小臂间的转动关节称为肘关节，大臂和底座间的转动关节称为肩关节。底座可以绕垂直轴线转动，称为腰关节。它是一种广泛应用的拟人化机器人。图2-5关节坐标型结构示意2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业（1）关节坐标型工业机器人的优点有：结构紧凑，占地面积小；灵活性好，手部到达位置好，具有较好的蔽障性能；没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小；关节驱动力小，能耗较低；（2）关节坐标型工业机器人的缺点有：运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合；当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较低；2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业5、并联型工业机器人并联型机构，是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构可以具有两个、三个、四个、五个或六个自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。（a）二自由度（b）三自由度（c）四自由度图2-6并联型工业机器人2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，并联型结构特点：与串联机构相比刚度大，结构稳定；承载能力大；微动精度高；运动负荷小；在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业二、按照输入信息的方式分类按照输入信息的方式分类，可以分为操作机械手、固定程序工业机器人、可编程型工业机器人、程序控制工业机器人、示教型工业机器人、智能型工业机器人。各机器人的特点见表2-1。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业三、按照驱动方式分类按照驱动方式分类，可以分为液压型工业机器人、电动型工业机器人、气压型工业机器人。其特点见表2-2。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业四、按照运动轨迹分类按照运动轨迹分类，可以分为点位型工业机器人、连续轨迹型工业机器人。点位控制是控制机器人从一个位姿到另一个位姿，其路径不限；连续轨迹控制是控制机器人的机械接口，按编程规定的位姿和速度，在指定的轨迹上运动。通常我们见到的工业机械手属于智能型、连续轨迹、多关节工业机器人，末端手爪多为气动或者电动。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业一、工业机器人市场快速增长2022年10月13日，国际机器人联合会在法兰克福发布新的全球机器人报告显示，2021年，全球工业机器人新增装机量达517385台，堪称巅峰之年，同比增长31%，超过新冠肺炎疫情前的2018年，增加幅度为22%。截至目前，全球在役机器人存量达到350万台，创历史新高。2.1.2工业机器人的市场分析2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业从国内市场来看，在国内密集出台的政策和不断成熟的市场等多重因素驱动下，工业机器人增长迅猛，除了汽车、3C电子两大需求最为旺盛的行业，化工、石油等应用市场逐步打开。中国作为疫情控制最好的国家，工业机器人发展持续向好，已成为驱动机器人产业发展的主引擎，近五年中国工业机器人市场规模始终保持增长态势，2022年市场规模将继续保持增长，预计将达到87亿美元，预计到2024年中国工业机器人市场规模进一步扩大，将超过110亿美元。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业图2-72017-2024年中国工业机器人销售额统计及预测2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业韩国的工业机器人2018年安装量约38000台，每年增长率12%,密度（774台/万人）是全世界平均值的八倍以上。韩国拥有了一批在世界上具有影响力的企业，比如现代重工旗下的HYUNDAI（韩国现代机器人）、韩国领先企业Robostar（罗普伺达机器人）、DongbuRobot（东部机器人）、Doosungrobot（斗星机器人）、AlphaRobotics（阿尔帕机器人）等。日本的工业机器人销量增长了21%，达到55000台，创下了该国有史以来的最高值。对于一个已经高度自动化的工业生产市场来说，2013年以来17%的平均年增长率是惊人的。日本目前也是世界第一大工业机器人制造商，2018年交付了全球供应量的52%。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业美国的工业机器人安装量连续第八年增长，2018年安装量约40300台，达到新的峰值。这比2017年高出22%。自2010年以来，美国所有制造业的增长一直由自动化生产驱动，以增强美国国内和全球市场的产业实力。德国是世界第五大机器人市场，欧洲排名第一，其次是意大利和法国。2018年工业机器人销量增长26%，达到近27000台，创下历史新高,安装量主要来自汽车工业的驱动。从工业机器人密度来看(每万名制造业员工所拥有的机器人数量)，新加坡达到831台，全球最高，其次是韩国(774台)与德国(338台)。中国的工业机器人密度为140台，高于全球各地区的平均水平84台。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业2019年进入协作机器人时代，虽然份额较低，仅占安装总量的3.24%，但增长较快，在整个市场中属于利基市场。从2017年的11100台到2018年的14000台，协作机器人增长率达到了23%。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业二、工业机器人的主要应用行业汽车、电子电气、金属和机械、化工和食品和饮料行业共五个行业是目前工业机器人重要的应用行业，五个行业销量占比超过了80%。汽车行业和电子电气行业是工业机器人应用最重要的两个行业，两个行业销量占比超过60%。根据2018年IFR数据来看，2018年全球工业机器人在汽车、电子电气、金和机械、化工和食品行业销量占比分别为37.44%、26.28%、11.16%、5.35%、2.79%。图2-82018年国际市场工业机器人应用领域分布情况2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业1、汽车行业汽车行业仍然是全球最大的机器人应用行业，在2018年约占总供应量的30%。对新车生产能力和现代化的投资推动了该行业对机器人的需求。使用新材料、开发节能驱动系统以及所有主要汽车市场的激烈竞争都推动了该项投资。目前79%的汽车工业机器人安装量分布在5个主要市场：中国(39351台)、日本(17346台)、德国(15673台)、美国(15246台)和韩国(11034台)。据OICA的统计，作为世界第四大汽车生产国，印度的汽车工业也安装了大约2100台工业机器人。2.1工业机器人的分类、市场分析与主要应用行业

2、电气/电子行业电气/电子行业本将在未来几年取代汽车行业，成为工业机器人最重要的应用行业。然而，全球对电子设备和组件的需求大幅下降对这一趋势造成了影响。该行业可能是受中美贸易危机影响最大的行业，因为亚洲国家是制造电子产品和零部件的领头羊。电气/电子行业2018年的机器人安装量约12.2万台，该行业总安装量的79%分布在三个主要国家：中国(43%)、韩国(19%)、日本(17%)。在几个重大项目的推动下，越南在2017年实现了安装量的一次性增长(7080台)，增长幅度最大的