巡检机器人

▍定义

目前对于“工业机器人”的概念有不同的定义。据ISO 8373介绍，“工业机器人”是指一种自动控制、可重复编程和多用途的机械手，可以对三个或三个以上的轴进行编程，无论是固定的还是移动的，应用于工业自动化。

[定义术语]

自动控制():在无人直接参与的情况下，利用附加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某一工作状态或参数按照预定的规则自动运行；

可重复编程():设计可以在不改变物理的情况下改变编程动作或辅助功能；

多用途():可以适应不同的物理应用。

[定义参数]

轴的:需要两个轴才能得到平面上的任意一点；要得到空间中的任何一点都需要三个轴。为了完全控制操纵器终端(即腕部)的指向，需要另外三个轴(偏航、俯仰和滚动)。有些设计(如机器人)为了成本、速度和精度而牺牲机动性；

自由度(of):通常与轴的数量相同；

工作包络():机器人在空间中能够到达的区域；

运动学():机器人的刚体部件和关节的实际构型决定了机器人所有可能的动作。机器人运动学的类别包括关节型、卡坐标型、并联型和并联型；

负载能力或负载能力(or):机器人能举起多少重量；

Speed():机器人定位其机械手终端的速度。这个参数可以用各轴的角速率或线速度来定义，也可以用复合速率来定义，即机械手的终端速率；

Acceleration():轴可以加速多快。这是一个限制因素，因为机器人在短距离移动或需要经常改变方向的复杂路径时，可能无法达到其最大速度；

Accuracy():机器人离要求的位置能有多近。精度的衡量标准是机器人的绝对位置与所需位置之间的差距。通过使用外部传感设备，如视觉系统或红外线，可以提高精度；

再现性():机器人再次回到程序设定的某个位置的能力有多好。这和准确性不一样。可能会被告知，当它走到某个X-Y-Z位置时，只走到离那个位置不到1 mm的地方，所以这是一个精度问题，可以通过修正来改善。但是，如果该位置被示教并输入控制器存储器，并且每次返回到距离示教位置0.1毫米以内的位置时，其再现性在0.1毫米以内..

▍历史

“机器人”一词最早出现在1921年卡雷尔·卡佩克(Karel Capec)写的一部科幻剧里，故事讲述了在一个社会里，克隆人被当作奴隶，结果机器人推翻了主人。

已知最早的符合ISO定义的工业机器人由“Bill”p . Taylor于1937年完成，并于1938年3月出版。这种类似起重机的装置由电机驱动，可以实现五个运动轴，包括抓取和抓取旋转。

1956年，世界上第一台工业机器人公司成立。它发明了一种重量接近2吨的突破性机械臂，可以根据预先编程的指令拾取和放置东西，是工厂搬运重物的理想选择。

1961年，机器人在通用汽车公司。公司首次用于运输热压铸金属零件并焊接到汽车车身零件上。

1969年，机器人先驱维克托·舍恩曼(Victor Schoenmann)开发了斯坦福臂，这是世界上第一个电动关节式机械臂。它被视为机器人技术的突破，因为它在6轴上运行，比以前的单轴或双轴机器有更大的运动自由度。

斯坦福arm标志着关节式机器人革命的开始，它改变了制造业的流水线，促进了许多商业机器人的发展，包括库卡和ABB机器人。公司的发展。

1973年，ABB机器人公司公司和库卡机器人公司将机器人推向市场。ABB机器人公司IRB 6问世，跻身于世界上首批商用全电动微处理器控制机器人之列。

同样在1973年，库卡机器人公司制造了第一个机器人，被称为第一个具有六个机电驱动轴的多关节机器人。

20世纪70年代末，工业界对机器人越来越感兴趣。公司已经进入这个领域。在1984年机器人热潮的顶峰时期，公司是西屋电气吗公司以1.07亿美元收购。1988年，西屋电气公司公司将出售给法国的Stauble Favergis SCA。公司。

在20世纪的大部分时间里，机器人工业仍然集中在关节式机械手上。

进入21世纪后，工业机器人开始向移动化、互联化、智能化、人机协同化方向发展。

▍工业机器人产业链

工业机器人产业链包括上游核心部件、中游本体和下游系统集成。上游核心部件包括减速器、伺服系统和控制器，分别占整机成本的30%、20%和20%左右。中游本体包括关节型机器人、矩形机器人、圆柱形机器人、机器人和球形机器人；下游系统集成包括单一系统集成和综合系统集成。

[上游核心组件]

减速器是工业机器人最关键的核心部件，全球市场集中度高，CR3高达85%。其中日本Nabotsk (RV减速机)市场占60%，日本Harmonaco(谐波减速机)市场占15%。

GGII数据显示，机器人减速器国内70%以上的市场份额被国外减速器企业垄断(Nab、HD、住友、新宝等。)，而且国产化率不到30%。

1.还原剂

原动机和工作机中的减速器或执行机构机构起着匹配转速和传递扭矩的作用，是比较精密的机器。使用它的目的是降低转速，增加扭矩。机器人的速度和精度与减速器有关。

减速器一般用于低速大扭矩的传动设备。电机、内燃机或其他高速运转的动力通过减速器输入轴上齿数少的齿轮与输出轴上的大齿轮啮合，达到减速的目的。普通减速器也会有几对原理相同的齿轮来达到理想的减速效果。大小齿轮的齿数比就是传动比。

工业机器人的每个关节都需要配备一个减速器，也就是六轴工业机器人需要配备六个减速器。

工业机器人主要使用两种减速器:RV减速器和谐波减速器。RV减速器主要用于重载荷(20kg以上)的关节，谐波减速器主要用于低载荷(20kg以下)的关节。其中RV减速机市场占有率在70%以上。

ⅰ.RV减速器

RV减速器由前级行星齿轮减速器和后级摆线针轮减速器组成。具有振动小、噪音低、能耗低、结构紧凑、传动比大、在一定条件下可自锁等特点，是最常用的减速器之一。

与机器人常用的谐波传动相比，RV减速器具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，回程误差精度稳定，不像谐波传动那样，随着使用时间的增加，运动精度会明显降低。因此，这种RV减速器在先进机器人的传动中具有逐步取代谐波减速器的发展趋势。

ⅱ.谐波减速器

谐波齿轮减速器由内齿固定的刚性轮、柔性轮和使柔性轮径向变形的波发生器组成。谐波齿轮减速器是齿轮减速器中的一种新型传动结构，它利用柔性齿轮产生可控的弹性变形波，使刚性轮和柔性轮的轮齿相对错开来传递动力和运动。

谐波齿轮减速器具有精度高、承载能力大的优点。与普通减速器相比，由于少用50%的材料，其体积和重量至少减少1/3，主要用于工业机器人或负载小的大型机器人的端轴。

2.伺服系统

伺服系统也叫伺服系统。工业机器人的伺服系统由伺服电机、伺服驱动器和伺服控制器组成，主要用于驱动机器人的关节。

伺服系统是使对象的位置、姿态和状态等输出控制量跟随输入目标(或给定值)任意变化的自动控制系统。它的主要任务是根据控制指令的要求对功率进行放大、变换和调节，使驱动装置的转矩、速度和位置控制非常灵活方便。

从系统组成的性质来看，有电动伺服系统、液压伺服系统、电液伺服系统和电-电伺服系统。

2018年国内伺服系统市场规模60亿元，中国工业机器人伺服电机主要被国外品牌垄断，其中日本品牌约占50%，欧美品牌约占30%，中国台湾省品牌约占10%，中国大陆企业约占10%。国产品牌主要有汇川、台达、埃斯顿。公司，主要针对中小型伺服。

3.控制器

控制器本质上是一个数据处理器，主要任务是控制工业机器人在工作空间内的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序和动作时间。同时具有编程简单、软件菜单操作、人机交互界面友好、在线操作提示、使用方便等特点。每个多轴机器人由控制系统控制。

在机器人的核心部件中，控制器的技术难度是最低的，因此我国国内企业开发的工业机器人控制器软件产品可以满足大部分功能需求。并且由于控制需求与工业机器人本体密切相关，国际主流工业机器人本体厂商一般倾向于自主生产控制器，从而保证机器人的稳定性和技术体系。

[中游本体]

工业机器人可分为:

笛卡尔机器人/笛卡尔坐标机器人():其轴与笛卡尔坐标系相关的机器人，其运动自由度构建成空间直角关系；

也就是说，选择一个柔顺的装配机械臂，这种机械臂有三个旋转关节，最适合平面定位和装配作业；

关节式机器人():至少有三个旋转关节的机器人；

平行/三角形机器人(/):平行杆结构的机器人；

圆柱形机器人():其轴形成圆柱坐标系的机器人。

[下游系统集成]

机器人本身无法完成工作，需要系统集成后才能供终端客户使用。机器人系统集成是指在机器人本体上安装夹具和其他支撑系统以完成特定功能，是工业机器人自动化应用的重要组成部分。

例如，在注塑、冲压、研磨、喷涂、装配、焊接、雕刻、压铸、装配、装卸等制造领域，采用了不同的系统集成解决方案，形成了焊接机器人、装卸机器人、喷涂机器人、装配机器人等适用于不同应用领域的工业机器人。

行业主要是汽车、3C电子、食品饮料、医疗和新能源。

市场

目前全球工业机器人市场高度集中，“四大家族”(发那科)、安川、ABB、库卡(美的收购)的市场份额总和超过50%。

国际机器人联合会(2020)发布的《2020年世界机器人报告》显示，全球工厂运行的工业机器人数量达到270万台，增长12%，创下新纪录。

新型机器人的销量仍处于高位，2019年全球出货量为37.3万台。这与2018年相比下降了12%，但仍是历史第三高的销量。

“在智能生产和自动化的驱动下，工业机器人在五年内(2014-2019年)在全球范围内实现了约85%的增长。”国际机器人联合会主席说。

2019年，工业机器人还创下了平均密度的全球新纪录，每万名员工拥有113个机器人。从地区来看，西欧(225)和北欧国家(204)的工业机器人数量最多，其次是北美(153)和东南亚(119)。

全球自动化程度最高的前10个国家和地区分别是:新加坡(1)、韩国(2)、日本(3)、德国(4)、瑞典(5)、丹麦(6)和中国。香港(7)、中国台湾省(8)、美国(9)、比利时和卢森堡(10)。

到目前为止，工业机器人密度最高的国家仍然是新加坡，2019年每万名员工拥有918台机器人。电子行业，尤其是半导体和计算机外设，是新加坡工业机器人的主要客户，占总运营存量的75%。

韩国排名第二，2019年每万名员工868台。韩国是LCD和存储芯片制造的市场领导者，如三星和LG。公司位居前列，也是机动车和电动车电池制造的主要生产基地。

日本(每万名员工364个机器人)和德国(346个机器人)分别排名第三和第四。日本是世界领先的机器人制造国，全球47%的机器人产量由日本制造。电气和电子行业占34%，汽车行业占32%，金属和机械行业占13%。

德国目前是欧洲最大的机器人市场，欧洲38%的工业机器人在德国工厂运行。德国汽车工业的机器人密度居世界前列。该行业从业人数从2010年的72万人持续增长到2019年的近85万人。

瑞典仍然排在第五位，有274个机器人，占金属行业工作的35%，汽车行业的35%。

美国的机器人密度增加到228个机器人。2019年，美国汽车市场再次成为仅次于中国的全球第二大汽车市场，汽车和轻型汽车产量位居第二。美国和中国都被认为是全球汽车制造商竞争激烈的市场。

中国的工业机器人密度在世界上排名第15位。除了汽车生产，中国还是电子设备、电池、半导体和微芯片的主要生产国。

2019年，中国占全球工业机器人市场27.0%的收入份额和44.5%的单位出货量份额。

▍趋势和前景

2019年，全球工业机器人市场规模为218.3亿美元，预计到2027年将达到664.8亿美元，年复合增长率为15.1%。到2023年，中国市场将占全球工业机器人出货量的一半。

[合作机器人]

协作式工业机器人()是为了配合工业部门的工人执行任务而设计的。IFR定义了两种类型的合作机器人，一种是为合作使用而设计的，它们符合ISO -1标准；另一种类型不符合ISO -1的要求。但这并不意味着这些机器人不安全。它们可能遵循不同的安全标准，例如国家或内部标准。

满足上述要求的协作机器人类型差异很大。在技术谱系的一端是传统的工业机器人，它在独立的工作空间中工作，工人可以定期进入其中，而无需提前关闭机器人的电源。传感器可以安装在机器人的工作空间中，以检测人类的运动。另一端是专门设计的工业机器人，它们在一个共享的工作空间里与人类一起工作。这些机器人通常被称为“”，它们的设计具有各种技术特征，以确保当工人有意或无意地直接接触时，不会造成伤害。

目前，合作机器人的市场还处于初级阶段。最终用户和系统集成商仍然在积累经验，以了解在设计和实现协作应用程序时什么是可行的，什么是不可行的。

2019年，安装的工业机器人中约有4.8%(37.3万个中的1.8万个)是机器人，比2018年增加了11%。

[工业机器人和人工智能]

人工智能()在机器人行业的应用，可以给企业带来新的机遇，提高生产力，让工作更安全，节省人们的宝贵时间。目前，很多研究都致力于利用人工智能来扩展机器人的功能。

市场上的应用包括使用人工智能来:

机器人可以感知和响应环境，这大大增加了机器人可以执行的功能范围；

优化机器人和流程性能公司省钱；

机器人可以像移动和交互式信息系统一样工作，以节省个人时间。

[智能互联机器人]

IFR已经确定了机器人在更广泛的自动化策略中连接的五种常见场景: