财经新闻网消息：
博士后工作站/创新研发部
2023 年 8 月
一
（一）工业机器人的定义
为了实现灵活的运动，工业机器人由一条或多条运动链组成。 运动链是由两个或多个连杆通过关节连接而形成的具有相对运动的结构。 有开链和闭链两种。 关节是为运动链提供运动能力的关键，决定运动的速度、方向和角度，分为移动关节和旋转关节。 平移关节可以实现两个连杆之间的相对平移，而旋转关节可以实现两个连杆之间的相对旋转。 在开放式运动链中，每个关节都提供一定的自由度； 而在闭合运动链中，由于闭环施加的约束，自由度少于关节的数量。 连杆是用于连接关节的组件，以有效地将关节的运动传递到运动链的其余部分，通常由刚性材料制成。 手腕起到连接运动链和末端执行器的作用，传递运动链的运动并支撑末端执行器的安装。 末端执行器是机器人最末端的部分。 主要用于实现机器人的应用功能。 可根据需要选配钻头、喷枪、焊枪、真空吸头、机械夹具、传感器等。
通常，机器人末端执行器需要满足直角坐标系中三个方向的位置要求以及相对于三个坐标轴的角度要求，才能在三维空间中运动，即具有六个自由度。 对于一些不需要6自由度的场景，在满足要求的前提下，应尽可能降低机器人的自由度，以降低复杂度，降低制造成本。 有些机器人工作环境复杂，工作时需要躲避障碍物，可能需要有7个或更多的自由度，称为“冗余自由度”机器人。
机器人的工作过程主要包括以下六个环节。 （1）传感器感知：编码器、位移传感器、力传感器等传感器感知机械臂当前的位置、速度、姿态信息，并将其反馈给控制系统。 (2)运动规划：控制系统根据预设的任务要求和运动规划算法，计算出机械臂需要实现的轨迹和动作。 (3)控制指令的发送：控制系统将计算出的控制指令发送给驱动系统，驱动系统根据指令控制各关节的运动。 (4)关节运动：各关节根据接收到的控制指令进行旋转或平移运动。 通过多个关节的协调运动，实现复杂的轨迹和姿态变化。 (5)末端执行器操作：末端执行器根据任务要求进行抓取、放置、装配等操作。 (6)实时控制与调整：控制系统不断接收传感器反馈的数据，实时调整控制指令，保持机器人的稳定性和精度，适应不同的工作环境和工件特性。
（二）工业机器人的分类
从结构上看，工业机器人可分为串联机器人、并联机器人和串并联混合机器人三类。 串联机器人是由从底座依次连接的连杆和关节组成的开链机构。 串行机器人通常采用分布式控制方式，即每个关节都有自己的控制器，根据任务要求独立控制自己的运动。 这种方法使得串行机器人具有结构简单、工作空间大、灵活性和可编程性高等优点，适合于灵活性要求高的任务。 但由于串联机器人为悬臂结构，各关节需要支撑后续零件的重量，有效负载重量比和刚度较低，累积的关节误差和连杆挠度降低了精度。 驱动电机、传动系统等大量部件的串联增加了惯量，恶化了其动力性能。 因此，对于一些精度和稳定性要求较高的应用，其性能相对较差。 根据连杆之间连接的运动副的不同，串联机器人可分为多关节机器人、SCARA机器人、直角坐标机器人和圆柱坐标机器人。
并联机器人是由至少两条独立的运动链连接的动平台和静平台组成的闭链结构。 主臂带动副臂运动，从而改变各支链的运动状态，使整个机构具有多个可操作自由度。 并联机器人通常采用集中控制方式，即所有关节的运动都由一个中央控制器控制。 该方法使得并联机器人的运动一致且高度同步。 并联机器人具有工作空间有限、灵活性低、工作空间内部存在奇点等缺点，但也具有无累积误差、精度高、稳定性好等优点。 由于负载由多个运动链分担，因此机器人具有较高的刚性。 驱动装置可置于或接近固定平台，运动部分重量轻、速度高、动态响应好。 因此，并联机器人适用于要求高精度、高执行效率、高负载能力的任务，与串行机器人形成互补。 并联机器人种类繁多，形式复杂。 根据自由度的不同，可分为2-6自由度机器人。 机器人和Delta机器人是典型代表。
除了纯串联和并联之外，还有串并联混合机器人。 它在并联机器人的基础上增加了灵巧的串联关节。
各类机器人的主要对比如下：
工业机器人主要应用于汽车制造、电子、仓储物流、化工、光伏、家电、食品饮料等行业的制造。 应用场景包括金属铸造、塑料成型、冲压、锻造、钣金、机床加工、产品测试、检验、测试、码垛、包装等设备搬运和装卸等重型和重复性作业。 因此，工业机器人按用途可分为焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和洁净室机器人等。
二
工业机器人驱动器
(1)机器人取代人类
随着世界主要经济体出生率持续低迷以及婴儿潮一代即将退休，人口老龄化和劳动力成本上升已成为不可逆转的趋势，成为机器人产业加速发展的催化剂。 根据联合国《世界人口展望：2019年修订版》数据，到2050年，全球每6人中就有1人年龄在65岁以上，全球人口正进入老龄化阶段。 作为世界上人口最多的国家之一，我国劳动力人口比重在2011年达到拐点，2021年65岁以上人口占总人口的11.2%。 2022年，我国人口将首次出现负增长，人口红利逐渐消失。 长期均衡发展的压力。 2014年至2021年，我国城镇制造业从业人员从5243万人下降到3828万人。 与此同时，制造业人均工资由5.15万元/年提高到9.2万元/年。 制造业面临着劳动力成本快速上涨的挑战。 随着技术的进步，自动化设备的成本越来越低，稳定性比人工更高。 为了降低成本、提高质量，企业将进一步提高自动化率，应用越来越多的工业机器人和自动化生产设备。
(2)技术迭代
底层技术的成熟和融合不断拓展工业机器人的应用范围，提高工业机器人的智能化、网络化、交互化水平。 不同的技术对工业机器人的促进作用不同。 机器视觉可以实现自动路径规划，促进机器人的智能化，对于机器人能力的提升至关重要。 云计算和边缘计算可以帮助工业机器人拥有更高的计算能力和数据存储能力，进而不断提高自身的学习能力，甚至可以学习和共享其他机器人的能力。 AR/VR有助于增强工业机器人的人机交互能力。 自然交互具有降低使用门槛、方便现场实施、提高运维和管理效率的作用，同时还可以保证特殊场景下的安全。 物联网有利于工业机器人与生产线上其他设备的互联，未来工业机器人之间的互联有望实现。 机器人将成为人工智能技术全面爆发的重要变量，并逐步进入颠覆阶段，成为集大数据、云计算、人工智能为一体的产品。 来临。
（三）政策推动
近年来，国家对机器人产业越来越重视，不断出台政策大力支持工业机器人发展。 改革开放后，制造业虽然进入上升期，但受限于物质和科研条件。 早期的工业机器人研究由少数科研院所承担，缺乏政策支持。 加入世贸组织后，我国技术明显落后，外资加速在华布局。 在此期间，我国政策主要支持引进海外先进技术和设备，鼓励国内龙头企业在核心技术上定点突破。 随着2015年《中国制造2025》的推出，智能制造被列为推动新一代信息技术与制造技术融合发展的主攻方向，这一时期政策的综合性显着增强。 中央和地方政府采取制定行业标准、优化营商环境、建立创新中心等多项措施，推动工业机器人国产替代、扩大海外市场份额。 “十四五”规划提出，我国计划到2025年整机综合指标达到国际先进水平，关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平，综合2035年产业实力达到国际领先水平。2023年1月，工业和信息化部等17部门发布《“机器人+”应用行动实施方案》，提出我国制造业机器人密度翻一番的目标与 2020 年相比，到 2025 年。
三
工业机器人市场规模
（一）全球市场规模
据IFR统计，2021年，尽管疫情和地理因素阻碍生产，全球工业机器人装机量将达到51.7万台，同比增长31%，创历史新高。 IFR预计未来四年工业机器人安装量分别为57台、61.4台、65.3万台、69万台，保持稳定增长趋势。 从地区来看，由于中、日、韩三国对工业机器人的巨大需求，亚洲市场一直是全球工业机器人最大的应用市场。 2021年，亚洲将占全球新增机器人安装总数的74%，2020年将达到70%； 第二大市场是欧洲市场，2021年机器人装机量将达到8.4万台，同比增长24%，同样创历史新高； 三大市场是美国市场，2021年机器人装机量将达到5.7万台，同比增长31%。 根据IFR和MIR数据，2022年全球工业机器人销量为57万台，同比增长10%，2011-2022年复合年增长率为12%。 展望未来，全球工业机器人市场预计将保持10%左右的复合增长率。
（二）国内市场规模
我国工业机器人市场发展迅速，特别是随着工业自动化进程的加快和智能制造的深入，机器人的应用领域不断扩大。 2013年以来，我国已发展成为全球最大的工业机器人市场，且增长仍在持续，全球份额持续提升。 IFR发布的数据显示，2021年中国机器人安装量将达到26.8万台，相当于全球其他地区所有机器人安装量的总和，同比增长51%，比上年增长5%。年复合增长率为23%。 M2预计，未来5年中国工业机器人市场将继续保持25%以上的增速，渗透率仍有翻倍空间。 中国工业机器人市场自2010年起进入快速发展期，工业机器人在各劳动密集型行业广泛应用已有10多年的历史。 工业机器人的使用寿命通常为10年，国产工业机器人的使用寿命会更短。 这意味着最初使用工业机器人的生产线需要升级，工业机器人存量市场的更新也将成为市场增长的主要动力。
我国工业级机器人产销规模也保持稳定增长。 国家统计局数据显示，2021年我国工业机器人产量为36.6万台，2022年为44.3万台，同比增长21%。 整体产能趋势仍处于扩张阶段。 从销量来看，中国工业机器人销量全球占比逐年提升，从2011年的14%上升到2021年的49%。根据米尔锐工业数据，预计我国工业机器人销售规模为2022年30.3万台，同比增长18.2%。
四
总结与展望
工业机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”。 它们是产业转型升级的强劲动力，也是增强国家实力和竞争力的关键。 衍生出多种细分类型，满足多样化应用场景的需求。 。 我国庞大而综合的工业基础、居民不断上升的购买力和消费水平、低成本的供应链，都为机器人的发展提供了肥沃的土壤。 短期来看，疫情过后，各行业劳动力短缺以及制造业复苏导致工业机器人需求回升； 长期来看，在人口红利消散、底层技术演进、产业政策推动的背景下，工业机器人市场快速增长。 拓展上，还有很大的提升空间，发展前景是蓝海。 工业机器人进一步渗透带来的投资机会值得关注。
参考
[1]邮电证券，《自主可控顺周期强化，增长轨迹聚焦新技术》，2023年。
[2]国金证券，《“机器人”时代来临，产业链“繁荣”可期》，2023年。
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