【工業機器人】《中國製造2025》系列：工業機器人行業

由美國發起的中美貿易衝突中，涉及到中國資訊和通訊技術、航天航空、機器人、醫藥、機械等行業產品，是明顯地針對“中國製造2025”的打壓和遏制 。 這不僅是一場貿易摩擦，還是一場技術、產業的較量。

“科學技術是第一生產力”，2015年中國發布了《中國製造2025》， 把科技創新擺在國家發展全域性的核心位置。十九大提出要積極推進科技強國建設，加快發展先進製造業，促進我國產業邁向全球價值鏈中高階。

從本期開始我們將推出《中國製造2025》產業鏈系列，介紹現代戰略新興產業的技術、現狀和發展，讓我們共同為中國製造而努力！

工業機器人產業

工業機器人的發展和應用，是我國製造業走向高階化和智慧化的重中之重。目前我國工業機器人產業呈現“快速成長”和“國產替代”的雙重重要特徵。

工業機器人

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程式執行，現代的工業機器人還可以根據人工智慧技術制定的原則綱領行動。

組成結構

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。

主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。

驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作。控制系統是按照輸入的程式對驅動系統和執行機構發出指令訊號，並進行控制。

工業機器人的產業鏈

工業機器人行業上游是核心零部件，主要的是減速機和控制系統，這相當於機器人的“大腦”，中游是機器人本體，就是機器人的“身體”，下游是系統整合商，國內企業都集中在這個環節上。

工業機器人上游零部件行業主要是減速機、伺服電機、變頻器、控制器等，其中減速器、伺服電機及伺服系統在工業機器人成本中所佔比重較大，分別為39%，28%，本體制造佔比為22%。

雖然減速機、伺服系統在工業機器人成本中所佔比重較大，但國內減速機、伺服電機等關鍵零部件發展相對滯後，技術水平較低，產品穩定性差，與國外產品相比存在不少差距，導致國內工業機器人減速機、伺服電機等零部件主要依賴進口，國內企業工業機器人生產成本較高，競爭力較弱。

產業鏈上游的核心零部件

伺服電機

電動伺服驅動系統是工業機器人的必不可少的關鍵零部件，是利用各種電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體，以獲得機器人的各種運動的執行機構，通常由伺服電機以及伺服驅動器組成。除了可以進行速度與轉矩控制外，伺服系統還可以進行精確、快速、穩定的位置控制。

1、工業機器人對伺服電機的要求

1）快速響應性，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應效能愈好；

2）起動轉矩慣量比大，在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小；

3）控制特性的連續性和直線性，隨著控制訊號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制訊號成正比或近似成正比，調速範圍寬，能使用於1:1000～1:10000的調速範圍。

4）體積小、質量小、軸向尺寸短，以配合機器人的體形；

5）能經受住苛刻的執行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速執行，並能在短時間內承受數倍過載。交流伺服驅動器因其具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在工業機器人中得到廣泛應用。

2、伺服電機的核心技術

1）訊號接外掛的可靠性。國產伺服需要繼續改進，而且接外掛的小型化、高密度化也是趨勢，與伺服電機本體的整合設計是個很好的做法，目前日系的伺服電機很多就是這樣設計的，方便安裝、除錯、更換。

2）編碼器的高精度。尤其工業機器人上用的多圈絕對值編碼器，目前嚴重依賴進口 ，是制約我國高檔伺服系統發展的重要瓶頸之一。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術。縱觀日系伺服電機產品的更迭，都是伴隨著電機磁路和編碼器的協同發展升級。

另外，國內的伺服系統的基礎性研究缺失，包括絕對值編碼器技術、高階電機的產業化製造技術、生產工藝的突破、效能指標的實用性驗證和考核標準的制定等等。這些都需要國內機器人行業的核心零部件企業去完善。

3、機器人伺服電機的部分企業

控制器

工業機器人控制器是機器人控制系統的核心大腦。控制器的主要任務是對機器人的正向運動學、逆向運動學求解，以實現機器人的操作空間座標和關節空間座標的相互轉換，完成機器人的軌跡規劃任務，實現高速伺服插補運算、伺服運動控制。

機器人控制器由機器人控制器硬體和機器人控制器軟體組成。機器人控制器的軟體部分是工業機器人的“心臟”，隨著科技的發展，工業機器人從下位機到上位機的應用軟體方面都有了不同程度的研究成果。

機器人軸數越多，對控制器效能要求也越高：機器人自由度的高低取決於其可移動的關節數目，關節數愈多，自由度越高，位移精準度也越高，其所使用的伺服電機數量就相對較多，即越精密的工業型機器人所用的伺服電機數量愈多。一般每臺多軸機器人由一套控制系統控制，也意味著控制器效能要求越高。

控制系統的開發涉及較多的核心技術，包括硬體設計，底層軟體技術，上層功能應用軟體等，隨著技術和應用經驗的積累，國內企業機器人控制器產品已經較為成熟，是機器人產品中與國外產品差距最小的關鍵零部件，國內機器人控制器所採用的硬體平臺和國外產品相比並沒有太大差距， 差距主要在控制演算法和二次開發平臺的易用性方面。

工業機器人控制器的部分企業

減速器

工業機器人核心部件減速器是機械傳動的核心，機器人的速度、精度都與減速器有關，工業機器人使用的減速器主要包含：諧波減速器、RV減速器。

1、諧波齒輪減速器

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理髮展起來的一種新型減速器，由波發生器、柔輪和剛輪組成，依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，並靠柔輪與剛輪齧合來傳遞運動和動力。

諧波傳動具有運動精度高，傳動比大、質量小、體積小、較小的傳動慣量等優點。最重要的是能在密閉空間傳遞運動，這一點是其他任何機械傳動無法實現的。其缺點為在諧波齒輪傳動中柔輪每轉發生兩次橢圓變形，極易引起材料的疲勞損壞，損耗功率大。同時，其引起的扭轉變形角達到20’一30’甚至更大。受軸承間隙等影響可能引起3 7～6’的回程誤差，不具有自鎖功能。

諧波齒輪減速器

2、RV減速器

RV減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的後級組成。RV傳動是新興起的一種傳動，它是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展出來的，不僅克服了一般針擺傳動的缺點，而且具有體積小、質量輕、傳動比範圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點。

RV減速器有較優越的效能：①擺線針輪行星減速裝置中的傳動零件剛度高、接觸應力小，零件加工和安裝精度易於實現高精度，這就使得擺線針輪傳動的效率很高；②行星傳動結構與緊湊的w輸出機構組合，使整個擺線針輪減速裝置結構十分緊湊，因此其結構體積小和質量輕；③採用一齒差或少齒差傳動，擺線針輪傳動的傳動比大小取決於擺線針輪的齒數，齒數越多，傳動比越大；④擺線針輪傳動同時齧合的齒數要比漸開線外齒傳動同時齧合的齒數多，因此承載能力較大；⑤擺線輪和針輪的輪齒均淬硬、精磨，比漸開線少齒差傳動中內齒輪的加工效能更好、齒面硬度更高，使用壽命更長。

RV減速器

工業機器人減速器的部分企業

產業鏈中游的本體廠商

機器人本體廠商的工作主要是生產機器人本體，負責機器人關鍵零部件生產、控制演算法、開發環境設計等工作。

工業機器人的主要國際玩家

我國工業機器人與歐美日之間的差距依然明顯。目前工業機器人“四大家族” （ABB、庫卡、發那科、安川）為全球主要的工業機器人供應商，佔據全球約50%的市場份額。佔據了中國市場60%的份額，而國內自主品牌佔比不到10%。

他世界知名的工業機器人企業還有Kawasaki川崎重工業公司、Epson愛普生機器人公司、Staubli史陶比爾機器人、NachiFujikoshi那智機器人、Comau柯馬機器人公司、Adept愛德普機器人公司以及中國的新鬆機器人公司。

工業機器人的產業現狀

從2013年起，中國連續四年成為全球最大的工業機器人市場，據國際機器人聯合會IFR的報告，2016年，中國工業機器人銷量9萬臺，同比增長31%，約佔全球銷量的1/3。目前，中國的機器人制造商正在擴大其在國內市場的份額，2018年~2020年，中國機器人的年銷售量預計每年平均增長15%~20%。

據統計，2017年1-9月，我國工業機器人產量達到95351臺(套)，同比增長69.4%，9月當月產量為13085臺(套)，比上年同月增長103.2%，繼續保持高速增長態勢。

從產業鏈角度看，位於工業機器人產業鏈上的企業依次是機器人單元產品製造商、機器人系統整合商和工業自動化整合商。現在，歐美、日本等一些國際工業機器人公司，在中國不直接提供機器人自動化系統的整合服務，而是將機器人單體銷售給系統整合商，由系統整合商再對終端使用者。

目前，國內的機器人企業多為系統整合商。根據國際經驗來看，國內的機器人產業發展更接近於美國模式，即以系統整合商為主，單元產品外購或貼牌，為客戶提供交鑰匙工程。與單元產品的供應商相比，系統整合商還要具有產品設計能力、專案經驗，並在對使用者行業深刻理解的基礎之上，提供可適應各種不同應用領域的標準化、個性化成套裝備。

工業機器人的大規模普及將為國內相關係統整合商帶來發展機遇。中國機器人產業化模式較可行的是從整合起步至成熟階段採用分工模式：即美國模式(整合)-日本模式(核心技術)-德國模式(分工合作)。

作為中國機器人市場上的主力軍，系統整合商普遍規模較小，年產值不高，面臨強大的競爭壓力。從相關市場資料來看，現階段國內整合商規模都不大，銷售收入1個億以下的企業佔大部分，能做到5個億的就是行業的佼佼者，10個億以上的全國範圍屈指可數。從國內機器人市場發展現狀看，有兩類企業將在未來行業大發展的背景中勝出：一類是有很強技術研發底蘊，專案經驗豐富的行業企業，另一類是在某些行業有一定的專案經驗，擬在自身行業推廣工業機器人的企業。

同時，產業藉助資本的力量，企業通過IPO不斷髮展壯大，其中匯川技術、埃斯頓等優質企業在伺服技術方面走在行業前列，慈星股份、新時達等在工業機器人控制器方面較早佈局，中大力德、雙環傳動等具有代表性的公司涉足減速機；機器人、黃河旋風、拓斯達、埃斯頓、博實股份、天奇股份等一批公司逐漸成為工業機器人整合應用領域的佼佼者。

儘管前路艱難，但大國崛起之路上，工業機器人的進口替代已是大勢所趨。隨著技術突破的推進，國內逐漸湧現出一批快速成長的製造企業，中國工業機器人產業正向中高階發起衝鋒。

人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧）分支用來的今天，企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中，利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量，實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。

AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能，而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務和資料+分析一體化，這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合，沒有顛覆現狀的意願，這些將不可能實現。

領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量，領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位：

1. 重新行業佈局：你的世界觀要怎樣改變才算足夠？你必須對行業典範進行怎樣的反思？

2. 重新構建企業：你的企業需要做出什麼樣的變化？你準備如何重新定義你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成為怎樣的人？要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位，你必須如何去做？

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺，設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端，可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系，實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉，形成了領導力模式，使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置：

1. 精細：這種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切，進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

2. 智慧：模型隨著時間（資料）的變化而變化，整個系統就具備了智慧（自學習）的能力。

3. 高效：企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力，這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

4. 不確定性：數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗，其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域：技術、文化、制度。

5. 邊界模糊：數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化，還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長：

1. 創造虛擬勞動力，承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務，即“智慧自動化”，以區別於傳統的自動化解決方案；

2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升，提高資本效率；

3. 人工智慧的普及，將推動多行業的相關創新，開闢嶄新的經濟增長空間。

給決策制定者和商業領袖的建議：

1. 超越自動化，開啟新創新模式：利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧，為企業創造新商機；

2. 迎接新一代資訊科技，迎接人工智慧：無縫整合人類智慧與機器智慧，重新

   評估未來的知識和技能型別；

3. 制定道德規範：切實為人工智慧生態系統制定道德準則，並在智慧機器的開

   發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐；

4. 重視再分配效應：對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備，制定戰略幫助面臨

   較高失業風險的人群；

5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力：員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說，創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧，像君子一般融合，一起體現科技就是生產力。

如果說上一次哥倫布地理大發現，擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現，擴充的就是人們的數字空間。在數學空間，建立新的商業文明，從而發現新的創富模式，為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算，大資料、物聯網和區塊鏈，是進入這個數字空間的船，而人工智慧就是那船上的帆，哥倫布之帆！

新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力，將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節，形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求，催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革，深刻改變人類生產生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。

產業智慧官  AI-CPS

用“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧），在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧；實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈。

長按上方二維碼關注微信公眾號： AI-CPS，更多資訊回覆：

新技術：“雲端計算”、“大資料”、“物聯網”、“區塊鏈”、“人工智慧”；新產業：“智慧製造”、“智慧金融”、“智慧零售”、“智慧駕駛”、“智慧城市”；新模式：“財富空間”、“工業網際網路”、“資料科學家”、“賽博物理系統CPS”、“供應鏈金融”。

官方網站：AI-CPS.NET

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