機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用行業(yè)深度報告:自動化設(shè)備之冠，下一代智能終端。

一、伺服電動缸在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用——自動化的明珠

1.智能制造的代言人——工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸的應(yīng)用

工業(yè)伺服電動缸的應(yīng)用是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器設(shè)備。主要用于柔性生產(chǎn)中代替手工作業(yè)，是一種依靠自身動力和控制能力實現(xiàn)各種功能的機(jī)器。

目前工業(yè)機(jī)器人用伺服電動缸的應(yīng)用已經(jīng)有了比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，大致可以分為原材料、核心部件、本體制造、系統(tǒng)集成服務(wù)等環(huán)節(jié):上游原材料主要有鋼材、鑄鐵、鋁合金、少量塑料制品和各種電子元器件。核心部件:包括控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)、精密減速器、傳感器等。機(jī)器人工業(yè)伺服電動缸應(yīng)用于本體制造:機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)集成:根據(jù)客戶要求設(shè)計和組裝生產(chǎn)線。

控制器、伺服電機(jī)和減速器是構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用的三大核心部件。這三個核心部件的性能和穩(wěn)定性很大程度上決定了工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸的性能和穩(wěn)定性。由于核心零部件生產(chǎn)技術(shù)壁壘高，關(guān)鍵技術(shù)大多被少數(shù)公司壟斷，使得機(jī)器人廠商議價能力不足，采購價格高。控制器是工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用的“大腦”。控制器負(fù)責(zé)向執(zhí)行器發(fā)出和傳輸動作指令。它由硬件和軟件組成:硬件是工控板，包括一些主控單元、信號處理部分等電路；軟件主要包括控制算法、二次開發(fā)等。伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用的“動力源”。伺服系統(tǒng)通常由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器組成，主要負(fù)責(zé)將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩和速度來驅(qū)動被控對象。減速器是工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用中的“關(guān)節(jié)”。是減速器核心部件中技術(shù)壁壘最高的，也是工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用中成本占比最大的零部件，主要起到轉(zhuǎn)速匹配和傳遞扭矩的作用。減速器分為諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、RV減速器、精密行星減速器和濾波齒輪減速器。其中工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸主要采用諧波減速器和RV減速器。

工業(yè)伺服電動缸的應(yīng)用可按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)形式、程序輸入方式分類。根據(jù)坐標(biāo)形式的不同，工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸的應(yīng)用可分為直角坐標(biāo)型、柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和平面關(guān)節(jié)型。其中多關(guān)節(jié)型(六軸工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用)和平面關(guān)節(jié)型(SCARA機(jī)器人)最為常見，廣泛應(yīng)用于汽車和3C行業(yè)。

2.工業(yè)機(jī)器人的伺服電動缸起源于美國，興盛于日本。

工業(yè)伺服電動缸的應(yīng)用誕生于美國，興盛于日本。1959年，發(fā)明家德瓦爾和約瑟夫·英格伯格共同做出了第一個工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，只能承載簡單的重物。但由于失業(yè)率高企、工會阻撓等原因，工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸的應(yīng)用在美國并未落地生根。日本因為各方面的優(yōu)勢，從美國手中接過接力棒，成為工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用行業(yè)的領(lǐng)頭羊。目前，日本已經(jīng)形成了從上游核心零部件到中游本體制造再到下游系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈。其中最著名的是“工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用四大家族”中的發(fā)那科和安川，以及減速器的領(lǐng)軍企業(yè)哈默納科和納博茨克。

我國工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用行業(yè)起步較晚。雖然早在20世紀(jì)70年代，科技部就將工業(yè)機(jī)器人用伺服電動缸的應(yīng)用列入了科技攻關(guān)計劃，原機(jī)械工業(yè)部也牽頭組織了工業(yè)機(jī)器人用伺服電動缸的應(yīng)用研究，如點焊、弧焊、運輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域。但當(dāng)時由于中國人口紅利旺盛，市場需求不足，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展長期停滯。2010年后，當(dāng)市場再次將目光投向這一領(lǐng)域時，日本、德國等制造強(qiáng)國早已建立了完善的產(chǎn)業(yè)鏈，在市場競爭中占據(jù)了先發(fā)優(yōu)勢。國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸的應(yīng)用與國外巨頭相比差距巨大，無論是車身還是核心部件。2010年后，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用行業(yè)開始全面發(fā)展。目前我國工業(yè)機(jī)器人用伺服電動缸的應(yīng)用仍以本體制造的組裝為主，大量零部件仍需進(jìn)口，產(chǎn)品主要定位于中低端市場。

3.合作機(jī)器人、特種機(jī)器人和人形機(jī)器人。

協(xié)作機(jī)器人:更安全，更適合未來的商業(yè)和家庭空間。隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)伺服電動缸的應(yīng)用逐漸小型化，分化出具有安全、靈活、與人合作等特點的協(xié)作機(jī)器人。下游機(jī)器人行業(yè)，汽車在20kg以上，家電和3C在4kg左右，半導(dǎo)體行業(yè)在12kg左右。在輕載工作環(huán)境下，安全得到保障，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人與人在同一空間協(xié)同工作的協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運而生。

協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用最大的區(qū)別在于安全性，碰到障礙物會自動停止。目前很多公司都在研發(fā)環(huán)境感應(yīng)技術(shù)，有些試駕車型可以在碰撞前停止運行。其他區(qū)別還包括:應(yīng)用場景不同，工業(yè)機(jī)器人伺服電動缸應(yīng)用精度更高，終端速度7.8m/s，負(fù)負(fù)載大；協(xié)作機(jī)器人講究靈活性，編程要求低，可以拖動和示教(精度較低)。

特殊機(jī)器人:針對特殊高風(fēng)險場景的解決方案。特種機(jī)器人是指工業(yè)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人、個人服務(wù)機(jī)器人的伺服電動缸以外的機(jī)器人。它們主要用于專業(yè)領(lǐng)域，一般由經(jīng)過專門訓(xùn)練的人員操作或使用，以協(xié)助和/或代替人們執(zhí)行任務(wù)。2021年特種機(jī)器人銷量占全球機(jī)器人市場的28.17%，占國內(nèi)機(jī)器人市場的7.93%。特種機(jī)器人的分類:(1)按行業(yè)分類:農(nóng)業(yè)機(jī)器人、電動機(jī)器人、建筑機(jī)器人、物流機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、安保和救援機(jī)器人、軍用機(jī)器人、伺服電動缸應(yīng)用核工業(yè)機(jī)器人、采礦機(jī)器人、石油化工機(jī)器人、市政工程機(jī)器人和其他行業(yè)機(jī)器人。(2)按功能分類:挖掘、安裝、檢查、維護(hù)、修理、巡視檢查、偵察、排爆、搜救、運輸、診斷、治療、康復(fù)、清潔等。(3)按使用空間分類:地面機(jī)器人、地下機(jī)器人、水面機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人、空間機(jī)器人和其他機(jī)器人。(4)按運動方式分類:輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、腿式機(jī)器人、爬行機(jī)器人、飛行機(jī)器人、潛水機(jī)器人、固定機(jī)器人、噴射機(jī)器人、可穿戴機(jī)器人、復(fù)合機(jī)器人等運動方式機(jī)器人。

人形機(jī)器人是一種模仿人類外貌和行為而設(shè)計的機(jī)器人，被譽為機(jī)器人皇冠上的明珠。人形機(jī)器人的挑戰(zhàn)難度是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最高，對規(guī)劃、控制、感知三個基本要素對應(yīng)的器件要求非常高。特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克表示，特斯拉Bot預(yù)計將于2023年投產(chǎn)，將用于填補(bǔ)勞動力缺口。目前仿人機(jī)器人的主流技術(shù)路線有以下幾種:(1)以本田Asimo為代表的傳統(tǒng)電控+控制方式。該方法通過力控制+位置控制實現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動和傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上類似于意大利IIT的iRonCub和力控制的結(jié)合。(2)以波士頓動力亞多拉斯公司為代表的液壓驅(qū)動+控制方式。液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)人形機(jī)器人的極限運動，現(xiàn)在在運動能力上首屈一指。(3)以敏捷的卡西為代表，重心上移的新方式，腿細(xì)上身大，可以節(jié)省功耗。