機器人伺服電動缸應用行業(yè)深度報告:自動化設備之冠，下一代智能終端。

一、伺服電動缸在工業(yè)機器人上的應用——自動化的明珠

1.智能制造的代言人——工業(yè)機器人伺服電動缸的應用

工業(yè)伺服電動缸的應用是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器設備。主要用于柔性生產中代替手工作業(yè)，是一種依靠自身動力和控制能力實現各種功能的機器。

目前工業(yè)機器人用伺服電動缸的應用已經有了比較完整的產業(yè)鏈，大致可以分為原材料、核心部件、本體制造、系統集成服務等環(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、伺服電機、精密減速器、傳感器等。機器人工業(yè)伺服電動缸應用于本體制造:機器人的結構和功能設計與實現。系統集成:根據客戶要求設計和組裝生產線。

控制器、伺服電機和減速器是構成工業(yè)機器人伺服電動缸應用的三大核心部件。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)機器人伺服電動缸的性能和穩(wěn)定性。由于核心零部件生產技術壁壘高，關鍵技術大多被少數公司壟斷，使得機器人廠商議價能力不足，采購價格高。控制器是工業(yè)機器人伺服電動缸應用的“大腦”。控制器負責向執(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。伺服系統是工業(yè)機器人伺服電動缸應用的“動力源”。伺服系統通常由伺服電機和伺服驅動器組成，主要負責將接收到的電壓信號轉換成轉矩和速度來驅動被控對象。減速器是工業(yè)機器人伺服電動缸應用中的“關節(jié)”。是減速器核心部件中技術壁壘最高的，也是工業(yè)機器人伺服電動缸應用中成本占比最大的零部件，主要起到轉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)伺服電動缸的應用可按機械結構、坐標形式、程序輸入方式分類。根據坐標形式的不同，工業(yè)機器人伺服電動缸的應用可分為直角坐標型、柱坐標型、球坐標型、多關節(jié)型和平面關節(jié)型。其中多關節(jié)型(六軸工業(yè)機器人伺服電動缸應用)和平面關節(jié)型(SCARA機器人)最為常見，廣泛應用于汽車和3C行業(yè)。

2.工業(yè)機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)機器人伺服電動缸應用。它的結構和功能都很簡單，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)機器人伺服電動缸的應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)機器人伺服電動缸應用行業(yè)的領頭羊。目前，日本已經形成了從上游核心零部件到中游本體制造再到下游系統集成的完整產業(yè)鏈。其中最著名的是“工業(yè)機器人伺服電動缸應用四大家族”中的發(fā)那科和安川，以及減速器的領軍企業(yè)哈默納科和納博茨克。

我國工業(yè)機器人伺服電動缸應用行業(yè)起步較晚。雖然早在20世紀70年代，科技部就將工業(yè)機器人用伺服電動缸的應用列入了科技攻關計劃，原機械工業(yè)部也牽頭組織了工業(yè)機器人用伺服電動缸的應用研究，如點焊、弧焊、運輸等相關領域。但當時由于中國人口紅利旺盛，市場需求不足，工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展長期停滯。2010年后，當市場再次將目光投向這一領域時，日本、德國等制造強國早已建立了完善的產業(yè)鏈，在市場競爭中占據了先發(fā)優(yōu)勢。國內工業(yè)機器人伺服電動缸的應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，國內工業(yè)機器人伺服電動缸應用行業(yè)開始全面發(fā)展。目前我國工業(yè)機器人用伺服電動缸的應用仍以本體制造的組裝為主，大量零部件仍需進口，產品主要定位于中低端市場。

3.合作機器人、特種機器人和人形機器人。

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

協作機器人和工業(yè)機器人伺服電動缸應用最大的區(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)境感應技術，有些試駕車型可以在碰撞前停止運行。其他區(qū)別還包括:應用場景不同，工業(yè)機器人伺服電動缸應用精度更高，終端速度7.8m/s，負負載大；協作機器人講究靈活性，編程要求低，可以拖動和示教(精度較低)。

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

人形機器人是一種模仿人類外貌和行為而設計的機器人，被譽為機器人皇冠上的明珠。人形機器人的挑戰(zhàn)難度是業(yè)內公認的最高，對規(guī)劃、控制、感知三個基本要素對應的器件要求非常高。特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克表示，特斯拉Bot預計將于2023年投產，將用于填補勞動力缺口。目前仿人機器人的主流技術路線有以下幾種:(1)以本田Asimo為代表的傳統電控+控制方式。該方法通過力控制+位置控制實現，采用傳統的電機驅動和傳統的機械結構，本質上類似于意大利IIT的iRonCub和力控制的結合。(2)以波士頓動力亞多拉斯公司為代表的液壓驅動+控制方式。液壓驅動可以實現人形機器人的極限運動，現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，腿細上身大，可以節(jié)省功耗。