《工业机器人技术基础 》课件-第八章 工业机器人未来发展趋势

工业机器人技术基础智能制造学院第八章工业机器人未来发展趋势目录CONTENTS8.1工业机器人技术发展趋势8.2工业机器人产业链介绍8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位8.1工业机器人技术发展趋势01PART

ONE8.1工业机器人技术发展趋势在智能制造领域中,以机器人为主体的制造业体现了智能化、数字化和网络化的发展要求,现代工业生产中大规模应用工业机器人正成为企业重要的发展策略。现代工业机器人已从功能单一、仅可执行某些固定动作的机械臂,发展为多功能、多任务的可编程、高柔性智能机器人。尽管系统中工业机器人个体是柔性可编程的,但目前采用的大多数固定式自动化生产系统柔性较差，适用于长周期、单一产品的大批量生产，而难以适应柔性化、智能化高度集成化的现代智能制造模式。为应对智能制造的发展需求,未来工业机器人系统有以下发展趋势。8.1工业机器人技术发展趋势工业机器人技术是一门涉及机械学、电子学、计算机科学、控制技术、传感器技术、仿生学、人工智能甚至生命科学等学科领域的交叉性科学，机器人技术的发展依赖于这些相关学科技术的发展和进步。归纳起来，工业机器人技术的发展趋势有一下几个方面：一体化、定制化发展趋势；智能化、信息化；柔性化发展趋势；人机/多机协作化发展趋势；大范围作业发展趋势。8.1工业机器人技术发展趋势一体化是工业机器人未来的发展趋势。可以对工业机器人进行多功能一体化设计,使其具备进行多道工序加工的能力,对生产环节进行优化,实现测量、操作、加工一体化,能够减少生产过程中的累计误差,大大提升生产线的生产效率和自动化水平,降低制造中的时间成本和运输成本,适合集成化的智能制造模式。由于不同行业和企业的需求差异，工业机器人系统将更加个性化和定制化。企业将能够根据自身需求选择适合的机器人配置和功能，从而更好地适应自身生产和业务需求。一体化、定制化发展趋势8.1工业机器人技术发展趋势智能化、信息化发展趋势未来以“互联网十机器人”为核心的数字化工厂智能制造模式将成为制造业的发展方向,真正意义上实现了机器人、互联网、信息技术和智能设备在制造业的完美融合,涵盖了对工厂制造的生产、质量、物流等环节,是智能制造的典型代表。结合工业互联网技术、机器视觉技术、人机交互技术和智能控制算法等相关技术,工业机器人能够快速获取加工信息,精确识别和定位作业目标,排除工厂环境以及作业目标尺寸、形状多样性的干扰,实现多机器人智能协作生产,满足智能制造的多样化、精细化需求。人工智能和大数据技术将在工业机器人领域发挥重要作用。通过对生产数据和机器学习算法的分析，工业机器人能够智能地调整自己的参数和执行方式，以提高生产效率和质量。8.1工业机器人技术发展趋势柔性化发展趋势现代智能制造模式对工业机器人系统提出了柔性化的要求。通过开发工业机器人开放式的控制系统,使其具有可拓展和可移植的特点；设计制造工业机器人模块化、可重构化的机械结构,例如关节模块中实现伺服电机、减速器、检测系统三位一体化,使得生产车间能够根据生产制造的需求自行拓展或者组合系统的模块,提高生产线的柔性化程度,有能力完成各类小批量、定制化生产任务。8.1工业机器人技术发展趋势柔性化发展趋势8.1工业机器人技术发展趋势人机/多机协作化发展趋势针对目前工业机器人存在的操作灵活性不足、在线感知与实时作业能力弱等问题,机/多机协作化是其未来的发展趋势。随着协作机器人技术的发展，机器人与人类工作人员之间将能够实现更加紧密的合作，使得机器人可以直接参与到人类的工作环境中，共同完成任务。通过研发机器人多模态感知、环境建模,优化决等关键技术,强化人机交互体验与人机协作效能,实现机器人和人在感知、理解、决策等不同层面上的优势互补,能够有效提高工业机器人的复杂作业能力。通过研发工业机器人多机协同技术,实现群体机器人的分布式协同控制,其协同工作能力提高了任务的执行效率,所具有的冗余特性提高了任务应用的鲁棒性,能完成单一系统无法完成的各种高难度、高度和分布式的作业任务。8.1工业机器人技术发展趋势大范围作业发展趋势现代柔性制造系统对物流运输、生产作业等环节的效率、可靠性和适应性提出了较高的要求,在需要大范围作业的工作环境中,固定基座的工业机器人很难完成工作任务,通过引人移动机器人技术,有效地增大了工业机器人的工作空间,提高了机器人的灵巧性。工业机器人将越来越多地具备联网功能，通过传感器和通讯模块与其他机器和计算机系统进行连接和交互。这种联网功能将使得机器人能够更加智能地执行任务，并且可以通过远程操作和监控实现更高的生产效率和灵活性。例如,应用广泛的自动导引小车(AGV)等移动机器人系统是现代自动化工厂的关键组成部分,能够自动寻迹完成物流运输任务,或是与工业机械臂组成移动机器人/工业机械臂复合系统大大提高机械臂的作业范围,能够实现低人力成本、高效的自动化生产作业。这些发展趋势都表明，工业机器人技术将进一步革命化和影响各个行业的生产方式。未来几年，我们可以期待更加智能、灵活和高效的工业机器人系统的出现，从而推动工业生产的发展。

8.2工业机器人产业链概述02PART

TWO8.2.1工业机器人行业发展历程萌芽期（20世纪70年代-20世纪80年代）1959年，美国工程师恩格尔伯格研究出世界上第一台工业机器人。随后工业机器人开始在美国、日本推广应用，工业机器人技术逐渐成熟。中国起步较晚，1972年才开始着手研制工业机器人。在中国工业机器人行业发展初期，工业机器人主要以串联机器人为主，由于这一阶段，中国在串联机器人领域的研究较为成熟，而串联机器人具有结构简单、运动空间大、工作方式灵活度高的特点，其在各种机床、装配车间获得了成功应用。开发期（20世纪80年代-20世纪90年代）进入20世纪80年代后，中国改革开放不断深入，在全球范围内高新技术浪潮的冲击下，中国工业机器人技术的研究开发得到了政府的重视与支持。1985年，工业机器人被列入中国“七五”（1986年-1990年）科技攻关计划研究重点，研究方向锁定在工业机器人基础技术、基础器件开发以及搬运、喷涂和焊接机器人五个方面。“七五”期间，中国加大资金投入力度，对工业机器人及其零部件研发进行攻关，并完成示教再现式机器人成套技术的开发，研制出喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。实用期（20世纪90年代-21世纪10年代）20世纪90年代后，中国先后研制出了装配、喷漆、切割、包装、码垛等工业机器人，形成了一批机器人产业化基地。1992年，中国第一台SCARA装配机器人由熊猫电子集团有限公司设计制造而成。在中国“863计划”实施下，中国第一台高性能精密装配机器人于1995年问世，这是一款SCARA4轴装配机器人，采用直接驱动技术，具有较高的运动速度和定位精度，同时配备视觉、力觉传感器以及多任务操作系统。随着中国制造业的飞速发展，制造工厂对生产效率及质量要求逐步提高，工业、制造业企业对可替代人工从事重复性、常规性、高强度劳动的工业机器人需求愈加强烈。高速发展期（21世纪10年代至今）这一阶段，中国工业机器人行业发展提速，2012年随着ABB公司Delta并联机器人专利解禁，中国的机器人企业开始研制、销售并联机器人。自2013年起，中国连续五年成为全球最大的工业机器人市场。工业机器人的发展需要理论支持，自2014年起清华大学、北京航空航天大学、东北大学、天津大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、中国科学院沈阳自动化所等中国高等院校机构陆续开展机器人技术方面的研究，研究内容包括位置正逆解求解、工作空间分析、运动控制器设计等。2015年，中国政府正式提出“中国制造2025”战略，工业机器人被列为十大重点发展领域之一。在中国制造业智能转型升级趋势下，工业机器人的需求量呈现爆发式增长。在政策与市场的驱动下，中国机器人企业在机器人研发、设计、制造等方面取得了长足进步，减速器、伺服系统、控制器三大核心零部件的国产化进程加速，工业机器人产业链各个环节趋于成熟。8.2.2工业机器人产业链简介8.2.2工业机器人产业链简介8.2.2工业机器人产业链简介上游核心零部件的减速器主要配套厂商有那博特思科从工业机器人成本构成来看，三大零部件是产业链中技术壁垒高、成本占比较大的环节：控制器、伺服电机和精密减速器，成本占比分别为17%、20%、30%，合计约占成本比重70%以上。8.2.2工业机器人产业链简介从盈利水平看，上游零部件的毛利率也相对较高，其中减速器毛利率为40%，伺服系统为35%，控制器为25%；中游机器人本体毛利率最低为15%；下游系统集成毛利率为25%。8.2.2工业机器人产业链简介上游核心零部件发展情况8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件减速器发展情况精密减速器国外厂商仍有绝对优势，谐波减速器国产化率逐步提升：竞争格局：在精密减速器领域，国外减速器生产商仍具有绝对优势；在谐波减速器领域，国内的主要制造商包括绿的谐波、中技克美等，已经开始进行国产替代。尽管谐波减速器技术相对较低，但国内厂商已经开始了这一领域的研发和生产。此外，国内厂商还需要在传导效率方面进一步提升。

在RV减速器领域，虽然技术要求相较于谐波减速器更高，但国内厂商已经开始尝试进行突破。随着技术的不断进步和研发投入的增加，国内精密减速器生产商有望在未来逐渐缩小与国外厂商的差距，实现更多国产替代。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况国内外差距：主要从体现在以下三个方面

产品品质：由于国内减速器⽣产⼯艺和原料质量的限制，国内减速器产品的精度保持性、稳定性和可靠性相对较低。在连续运转和⾼负荷⼯作条件下，这些问题会更加突出。

研发投⼊：相较于国外减速器制造商，国内公司在研发⽅⾯的投⼊相对较少。在减速器制造中，由于缺乏⾜够的研发投⼊，国内减速器制造商在技术创新和产品升级⽅⾯相对滞后。

定制化能⼒：⼀些特殊应⽤场景的定制化需求，国内制造商可能⽆法完全满⾜。这也限制了国内减速器制造商在⼀些特定领域的发展。上游核心零部件减速器发展情况8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件伺服电机发展情况

高端伺服电机仍进口，中低端可自主供应。竞争格局：尽管国内外在技术差距方面已经开始出现缩减趋势，但在伺服电机中的高精度编码器这一核心技术领域，我国目前仍然严重依赖进口，这是我国伺服电机产品突破的重要瓶颈。

国产初露锋芒：据2021年上半年数据显示，国产品牌中，汇川技术在国内市场份额首次排名第一，市占率达15.9%。然而，除了汇川技术以外，排名靠前的电机厂商依然以日本和中国台湾为主。

马太效应：国内企业在技术水平、产品质量和市场份额等方面不断提升，逐渐成为伺服电机行业的重要力量。同时，国内伺服电机行业的市场集中度较高，头部企业引领行业发展，行业未来的发展前景广阔。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件伺服电机国内外差距：技术差距方面：国产电机与国外电机相比，精度略低，响应速度也相对较慢。这主要源于伺服系统的控制算法层面。国内伺服系统的响应速度往往无法跟上核心算法的要求，导致整体性能上的差距。

在多轴联动控制方面：国外“四大家族”的机器人表现更优。当多台伺服系统同时工作时，国外核心控制器可以通过底层算法直接操作电机，实现高动态多轴非线性条件下的精密控制。与国外产品相比，国内伺服系统在这样的情况下，往往难以实现预期的控制效果。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件控制器国内外差距：

发展自主，性能待提升，低端市场有优势，智能化趋势或带新机遇。竞争格局：国内工业机器人伺服电机控制器市场仍以国外品牌为主导，但随着国内企业逐渐加大技术研发力度，提升产品品质和品牌影响力，市场份额逐年提高。国产认可度升高：埃夫特智能装备等在控制器领域具有较强的研发实力和品牌影响力，产品性能和稳定性得到了市场的认可。除此之外还有许多中小型控制器企业，这些企业虽然技术水平相对较低，但在特定应用领域和细分市场中也有一定的市场份额。大中小协同：国内控制器市场竞争格局呈现出以⼤型企业为引领，中⼩企业为辅助的局⾯。随着产业升级的加速和技术的不断进步，国内企业将有更多的机会和资源投⼊到控制器研发和⽣产中，未来市场竞争⼒有望进⼀步提⾼。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件控制器国内外差距：软件方面：1.成熟厂商的控制器多采用封闭式架构，用户难以了解其内部算法模型参数设定情况，因此难以借鉴和参考。2.国内控制器研发与实际应用之间的差别较大，实际应用时间较晚且量较小，因此无法通过大量工业机器人的生产实践数据来训练和优化与运动控制、路径规划等相关的底层算法。硬件方面：高性能控制器所需的底层芯片等核心部件以及配套设备如伺服电机、编码器、减速器等都需要从国外进口，导致与国产机器人的磨合度不够。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件力矩传感器国内外差距：力矩传感器又称为扭矩传感器，可对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测，能够将扭力的物理变化转换成精确的电信号。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况上游核心零部件力矩传感器国内外差距：按照测量维度，力传感器可以分为一至六维力传感器。六维力传感器是目前维度最高、力觉信息反馈最为全面、难度最大的力觉传感器。目前，六维力距传感器逐步应用于打磨、铣削、焊接及装配场景的工业机器人以及对传感性能要求更高的协作机器人。近年来我国已涌现出如索迪龙、宜科电子及兰宝传感等一批以研发智能化、小型化工业传感器为发展方向的高新技术企业。8.2.3工业机器人上游核心零部件发展情况8.2.2工业机器人产业链简介产业链中游发展情况8.2.2工业机器人产业链简介技术水平：国外机器人制造商在机器人技术的研发和创新方面领先，拥有先进的传感器、控制系统和算法。国产虽然在迎头赶上，但在某些领域仍然存在技术性差距。品质和精度：品质与精度与核心零部件挂钩，而国产机器人的高精度零部件多依赖于国外，尽管国内制造商在核心零部件国产化取得了很大进展，仍需要更多努力。创新能力：国外机器人企业投入大量资源用于研发和创新，不断推出新型机器人产品。中国制造商在创新能力上有所提高，需要更多投资和合作来保持竞争力。全球市场份额：国外机器人制造商在国际市场上拥有广泛的销售网络和客户基础，占据了大部分市场份额。国内制造商初露锋芒但还未形成规模效应，中国制造商正努力扩大国际市场份额。产业链中游发展情况8.2.2工业机器人产业链简介产业链中游本体厂商主要产品类型与覆盖的集成应用发展情况：国外典型设备厂商：ABB、安川、发那科国内典型设备厂商:埃斯顿、华数、广数8.2.2工业机器人产业链简介产业链中游本体厂商主要产品类型与覆盖的集成应用发展情况：8.2.2工业机器人产业链简介产业链下游应用领域横向拓宽，汽车、电子行业发展趋势：8.2.2工业机器人产业链简介产业链下游应用领域横向拓宽，汽车、电子行业发展趋势：8.2.2工业机器人产业链简介产业链下游应用领域横向拓宽，汽车、电子行业发展趋势：8.2.2工业机器人产业链简介8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位03PART

THREE行业政治环境明确提出到2020年工业机器人产业的发展目标:提出到2020年形成较为完善的工业机器人产业体系的目标，提出要培育3-5家具有国际竞争力的龙头企业和8-10个配套产业集群，机器人密度（每万名员工使用机器人台数）达到100以上。《关于推动机器人产业发展的指导意见》明确将工业机器人列入大力推动突破发展的十大重点领域之一，明确要求到2020年工业机器人销量达到15万台。推动机器人产业标准化、模块化发展，促进扩大工业机器人的应用规模，突破机器人本体、减速器、传感器等核心部件的技术瓶颈。《中国制造2025》提出要对行业规范进行完善，加强工业机器人行业产品质量管理，维护行业秩序，促进行业规范健康发展。《工业机器人行业规范条件》8.3.1工业机器人行业发展环境经济环境经济环境近年来，中国的经济发展已由高速增长阶段逐步转入高质量发展阶段，政府更加关注于优化经济结构、转换增长动力。制造业是供给侧结构性改革的主要领域，而工业机器人是中国制造业转型升级、提质增效的必由之路。2020年中国生产总值为101.6万亿元，首次超过100万亿元。目前我国已经建立起门类齐全、独立完整的制造体系，制造业规模跃居世界第一位，2020年受疫情影响，制造业增加值增速有所放缓，2020年中国制造业增加值为26.59万亿元，较2019年的26.41万亿元同比增长0.7%，占中国总GDP的26.189%。8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位经济环境8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位经济环境社会环境目前，中国“人口大国”优势逐渐减弱，人口老龄化、员工成本增加等问题使得企业用工更加艰难，而兼具低成本、高效率等特点的工业机器人为制造业生产“去人工化”提供了突破口。根据国家统计局数据:近年来中国制造业城镇单位就业人员数不断下降，由2013年的5258万人下降至2020年的3832万人。8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位社会环境行业驱动因素1234政策红利推动工业机器人发展自2012年以来，国家部委制定了一系列政策促进机器人产业发展。2014年起，各级地方政府纷纷出台了针对机器人研发和应用的补贴政策（2-13）。2014至2015年间，共有77项地方政府机器人支持政策出台，全国超过36个城市将机器人产业作为发展重点，补贴不仅发放给机器人制造商，还按照一定比例发放给采购或租赁机器人的企业。从补贴结构上来看，中央政府出台的补贴多为研发补助，地方政府出台的多为应用补贴，应用补贴比重大于研发补助，且一般补助规模在百万元以上。政府补贴政策的出台可刺激下游应用行业释放机器人采购需求，尤其是日化、食品等利润率水平偏低的行业，其机器人需求不强，应用补贴能够直接刺激企业增加使用机器人，为扩大工业机器人的应用规模增添驱动力。驱动力政策红利推动、需求增长推动、智能制造迫使下游升级拉动市场需求、减速器国产化等是行业主要驱动因素行业应用广泛，应用需求增长推动行业发展工业机器人在制造业的应用相当广泛，在汽车、3C电子、金属加工、塑料及化学制品食品饮料、生物制药等行业日常生产制造过程中皆得到了不同程度的应用。工业机器人可代替人从事重复性、常规性、高危性工作，从而提高工作效率。在汽车领域，工业机器人主要应用于汽车焊装、冲压、涂装、总装四个环节，大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备、大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套设备等已大量投入使用。在3C电子领域，工业机器人被用于生产线进行零件组装，苹果最大的代工公司富士康自2012年发布“百万机器人计划”后，已自主研发了六轴机器人、并联机器人、SCARA机器人等，在中国的工厂部署了6万台工业机器人，以加快iPhone整机的组装应对订单压力与日益增长的人力成本。“智能制造”倒逼下游转型升级，拉动市场需求当前全球新一轮制造产业变革正在兴起，为制造业发展与分工格局带来深刻影响:发达国家实施“再工业化”战略，发展中国家积极参与全球产业再分工，智能制造在全球范围内已成为制造业重要发展趋势，推动了新生产方式的形成。基于人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术与制造业深度融合，以高档数控机床、工业机器人、智能仪器仪表为代表的关键技术装备在重点行业不断普及，推动了智能制造初步发展。减速器国产化需求强烈中国工业机器人企业普遍面临较大的成本压力，为降低机器人本体生产成本，企业开始由采购进口精密减速器转向采购研发设计水平、精加工工艺和运动性能指标靠前的国产精密减速器，推动了国产减速器市场需求的提升，有助于国产减速器生产商继续扩大产能，从而以更优的性价比反哺中国工业机器人市场，提高中国工业机器人本体制造商的竞争力。8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位工业机器人行业现状国内的工业机器人发展由于历史和社会状况等原因相对较晚，在大约上个世纪的70年代才开始发展，早期主要是由专业的研究院来进行研发,所以发展的十分缓慢，但是随着时代和社会的发展，以及国家给予的政策支持，有更多的部门和单位投入到工业机器人的研发当中，并且积极学习国外先进的经验和技术，因此中国工业机器人技术也逐渐的发展起来。我国的工业机器人技术虽然还处于转型阶段，但是由于潜在的市场较大，有着充足的研发动力，生产线的大量铺设又为我们创造了坚实的基础，所以工业机器人在我国的发展呈良好的态势。总体而言，与工业发达国家相比，中国工业机器人在机器人设计理论、应用开发等方面的创新能力不足，导致许多技术停留在仿制层面。国际机器人“四大家族”——发那科、ABB、安川、库卡基本垄断全球中高端工业机器人市场，占据全球工业机器人市场约60%的市场份额。8.3工业机器人专业学生在产业链中就业岗位定位在劳动力供需矛盾、企业转型升级、国家战略需求等因素影响下，中国已连续多年成为全球最大的工业机器人应用市场，工业机器人作为技术集成度高、应用环境复杂、操作维护较为专业的高端装备，对应用型人才有着多层次的需求。目前，