中国机器人产业发展动态

2020-02-11 09:19:24 caoyu 6

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中国机器人产业发展报告

总报告

第一章 中国机器人产业发展动态

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志70697996。2018年,中国机器人产业虽面对复杂的国际及国内经济形势,但在国家政策引导下稳步发展,产业链体系不断完善、健全,产品产业化进程加快,国产品牌保持稳定增长。在看到成绩的同时,国内机器人产业现存问题不容忽视,产业标准缺失、产品参差不齐等问题制约机器人产业整体发展水平的进一步提高,亟须政府和产业各界力量的共同努力。

一、机器人的定义及分类

1920年,捷克剧作家Karel Capek(卡雷尔·恰佩克)首次创造出“robot”一词,“机器人”正式走上历史舞台。

(一)机器人定义

何为机器人?不同地区的研究机构给出了不同的解释,国际标准化组织ISO标准认为,“机器人是具有一定程度的自主能力,可在其环境内运动以执行预期任务的可编程执行机构”;美国机器人工业协会认为,“机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置,通过可编程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手”;日本工业机器人协会认为,“机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械,它能够通过自动化的动作替代人类劳动”;中国科学家认为“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”;2013年11月,由中国国家质量监督检验检疫总局(于2018年3月国务院机构改革调整,职责并入中国国家市场监督管理总局)、中国国家标准化管理委员会发布的国家标准《机器人与机器人装备 词汇》(GB/T12643-2013)中指出,“机器人是具有两个或两个以上可编程轴,以及一定程度的自主能力,可在其环境内运动以执行预期的任务的执行机构”。

立足国内机器人产业发展及研究现状,本报告采纳国家标准中的机器人定义方法。

随着科学技术的不断发展,机器人已经历了三个发展阶段。

第一代为简单工业机器人,属于示教再现型机器人,于1959年由发明家英格伯格和德沃尔联手制造出世界第一台工业机器人。这类机器人是由计算机控制多自由度的机械,使用者事先教给它们动作顺序和运动路径,机器人就可不断地重复相应动作,其特点是对外界环境没有感知。目前,在汽车、3C电子等工业自动化产线上大量使用第一代机器人。

1968年,美国斯坦福研究所公布研发的机器人Shakey,即为第二代低级智能机器人,亦称感觉机器人。与第一代机器人相比,第二代机器人具有一定的感觉系统,可以通过事先编好的程序进行控制,能够获取外界环境和操作对象的简单信息,对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作。自20世纪末以来,第二代机器人在生产企业中的数量不断增加。

第三代为高级智能机器人,其利用各种传感器、探测器等来获取环境信息,不仅具备感觉能力,还具备独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力,可以完成更加复杂的动作,在发生故障时,可通过自我诊断装置进行故障部位诊断,并自我修复。从现有技术发展、产业应用角度来看,第三代机器人仍处于探索阶段。

(二)机器人分类

目前,国际机器人联盟(International Federation of Robotics,IFR)依据应用环境,将机器人分为工业机器人和服务机器人,其中,工业机器人是指应用于生产过程与环境的机器人;服务机器人是指除工业机器人以外,用于非制造业并服务于人类的各种机器人,可分为个人/家用服务机器人及专业服务机器人。

国内借鉴IFR的机器人分类标准,在《机器人与机器人装备 词汇》(GB/T12643-2013)中也将机器人分为工业机器人和服务机器人。其中,工业机器人是指“自动控制的、可重复编程、多用途的操作机”,可对三个或三个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式,在工业自动化中使用。但未对工业机器人分类做出明确规范。

服务机器人是指“除工业自动化应用外,能为人类或设备完成有用任务的机器人”,可分为个人服务机器人、专用服务机器人。个人服务机器人是指“用于非营利性任务的、一般由非专业人士使用的服务机器人”,专用服务机器人是指“用于营利性任务的、一般由培训合格的操作员操作的服务机器人”。

依据国内机器人产业发展特性,并结合特殊环境作业要求,2018年6月,中国国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会在发布的《特种机器人分类、符号、标志》(GB/T 36321-2018)中提到,“特种机器人应用于专业领域,一般由经过专门培训的人员操作或使用,辅助和/或替代人执行任务的机器人,指除工业机器人、公共服务机器人和个人服务机器人以外的机器人,一般指专业服务机器人”。因此,国家标准进一步将服务机器人分为个人服务机器人、公共服务机器人和特种服务机器人。

二、中国机器人产业环境分析

(一)政治环境:中央注重提升产业整体发展水平,地方打造以机器人为核心的产业集群

对于中国机器人产业而言,国家先后出台《中国制造2025》及《机器人产业发展规划(2016—2020年)》等政策,从宏观、战略角度构建产业顶层设计,经过近几年的技术、经济发展,国内机器人产业已取得一定成绩,但粗放型发展不能满足市场所需,提升产业整体水平已迫在眉睫。

在此背景下,继2017年制定严格的行业规范、提升产业准入门槛、重点培养龙头企业之后,2018年,基于国家机器人产业引导、扶持思路,中央政府积极发挥宏观管理职能,更加注重整体管理水平、产业水平提升,在资金税收、品牌建设、标准体系、技术产业化、知识产权、学科教育等方面出台配套管理政策,期望通过资金扶持、降低行业增值税税率、强化质量品牌、修订产业标准、注重相应知识产权保护等措施,进一步鼓励、规范国内机器人产业的健康发展。2018年国家机器人产业相关政策具体如表1.1所示。

表1.1 2018年国家机器人产业相关政策

部门

政策文件

相关内容

财政部

下达资金10.04亿元,用于支持启动实施国家重点研发计划的6个新重点专项,包括智能机器人等关键技术研发及应用

工信部

《关于做好2018年工业质量品牌建设工作的通知》

提升制造业供给质量水平,推动智能制造和绿色制造发展,加强全面质量管理和品牌建设,强化质量品牌工作合力

工信部

《2018年工业转型升级资金(部门预算)项目指南》

支持制造业创新中心能力建设、产业链协同能力提升、产业共性服务平台、新材料首批次应用保险4个方面共13项重点任务

工信部、标准委

《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》

到2018年,累计制修订150项以上智能制造标准,基本覆盖基础共性标准和关键技术标准

国务院

《关于推进电子商务与快递物流协同发展的意见》

加强大数据、云计算、机器人等现代信息技术和装备在电子商务与快递物流领域的应用

国务院

将制造业等行业增值税税率从17%降至16%;对装备制造等先进制造业、研发等现代服务业符合条件的企业和电网企业在一定时期内未抵扣完的进项税额予以一次性退还

国家知识产权局

《知识产权重点支持产业目录(2018年本)》

确定了10个重点产业,细化为62项细分领域。其中,第三部分为智能制造产业,第四项细分领域为智能机器人,包括高精度减速器、高性能控制器、机器人学习与认知、人机自然交互与协作共融

教育部

《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》

“新工科”专业改革类涵盖包括人工智能类、大数据类、智能制造类等在内的19个项目群

科技部

《国家重点研发计划“智能机器人”等重点专项申报指南》

国家将于2018年在智能机器人领域启动不少于50个专项项目,并拟拨经费6.2亿元

资料来源:笔者根据公开资料整理。

各级政府响应中央深化“两化”(工业化、信息化)融合进程,依据自身发展特点,聚焦优势产业,加快推进“智能制造”转型,以产品、关键零部件、龙头企业为突破点,培育以机器人产业为核心的产业集群。2018年地方机器人产业相关政策见表1.2。

表1.2 2018年地方机器人产业相关政策


地区

政策文件

相关内容

安徽

《支持机器人产业发展若干政策》

机器人研发制造企业在国家规定的期限内,新购进研发仪器、设备单位价值不超过500万元的,可享受当年一次性税前扣除优惠。机器人研发制造企业经认定为高新技术企业的,可享受企业所得税15%的优惠税率,亏损结转年限按规定由5年延长至10年

《安徽省机器人产业发展规划(2018—2027年)》

到2022年,机器人产业主营业务收入突破700亿元大关,品牌工业机器人年产量达到2.5万台,建设成为在国内具有重要影响力的机器人研发制造基地。到2027年,机器人产业主营业务收入突破1800亿元,打造15家左右行业“领跑者”企业,培育30家左右单项冠军企业,建成世界一流的机器人先进制造业产业集群

《〈中国制造2025安徽篇〉六安市实施方案》

明确将以高端制造、智能制造、绿色制造、精品制造、服务制造为主攻方向,推进信息化和工业化深度融合,围绕特色资源、主导产业,完善产业链条,形成产业集群和竞争优势,打造制造“升级版”

福建

《新时代职业教育人才培养模式改革工作方案》

到2020年建成与区域产业匹配的“智能+”专业集群

《福建省人民政府关于推动新一代人工智能加快发展的实施意见》

重点研发智能机器人控制器、伺服驱动器、减速器等高性能机器人核心零部件

甘肃

《工业企业创建智能工厂(数字车间)实施方案》

到2025年,创建智能工厂(数字车间)100户,进一步加快新一代信息技术与制造业深度融合,推进智能制造水平

《兰州市工业企业创建智能工厂(数字车间)评价体系》

印发《智能工厂(数字车间)专项奖励资金暂行管理办法》,奖励全市工业企业在智能化、数字化建设工作中达标的企业

广东

《广东省深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的实施方案》和《广东省支持企业“上云上平台”加快发展工业互联网的若干扶持政策(2018—2020年)》

到2020年,在全国率先建成完善的工业互联网网络基础设施和产业体系。到2025年,在全国率先建成具备国际竞争力的工业互联网网络基础设施和产业体系

《佛山市推动机器人应用及产业发展扶持方案(2018—2020年)》

到2020年,机器人及智能装备产业产值突破1200亿元,年均增长15%以上,累计新增超过600家规模以上工业制造业企业应用机器人;建成10~15家以机器人应用为核心的智能制造示范企业,市级财政设立专项扶持资金,每年安排1.3亿元用于支持

《珠海市香洲区支持工业企业推进机器人及智能装备应用专项资金管理暂行办法》

香洲区每年安排专项资金5000万元支持工业企业技术改造,企业购买成套智能装备的最高可补贴1000万元

江苏

《江苏省新一代人工智能产业发展实施意见》

发展智能工业机器人,推进服务机器人智能化水平,研制推广特种智能机器人

《江苏省机器人产业发展三年行动计划(2018—2020年)》

到2020年,基本构建起产业特色鲜明、企业集聚发展、配套链条完善、公共服务齐全的机器人产业体系,技术创新能力和国际竞争能力明显增强,产品性能和质量达到国际同类产品先进水平,关键零部件取得重大突破,基本满足市场需求

广西

《广西关于贯彻落实新一代人工智能发展规划的实施意见》

面向食品、汽车等产业,重点发展和应用分拣、包装等工业机器人;面向农业发展需求,重点发展适应广西地形特点的耕种与收割机器人、农业植保无人机等。在教育、安防等领域,开展服务机器人研发和应用示范

贵州

《贵阳市电子信息制造业“增品种、提品质、创品牌”工作方案》

支持鼓励企业利用两化融合、工业大数据、智能制造等方式,改变传统生产模式

河北

《河北省加快智能制造发展行动方案》

支持发展焊接、切割、喷涂等工业机器人

《关于推动互联网与先进制造业深度融合加快发展工业互联网的实施意见》

到2020年,初步建成低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网网络基础设施,完成100个“互联网+先进制造业”试点示范项目

河南

《河南省智能制造和工业互联网发展三年行动计划(2018—2020年)》

到2020年,全省“两化”融合发展水平进入全国第一方阵,智能转型走在全国前列,制造业重点领域基本实现数字化,构建智能制造成为主流、工业互联网广泛覆盖的制造业发展格局

黑龙江

《黑龙江省人工智能产业三年专项行动计划(2018—2020年)》

引导具备一定先发优势的成套装备、机器人、汽车等骨干企业,向同行业和产业链配套环节输出标准化智能工厂整体解决方案,打造以行业云平台为支撑的智能互联工厂

辽宁

《辽宁省新一代人工智能发展规划》

培育新一代工业机器人、智能特种机器人

近3年,沈阳投入科技创新专项资金8208万元,围绕机器人等智能制造领域推进制造业智能化

青海

《青海省智能工厂、数字化车间认定管理办法(试行)》

促进智能工厂和数字化车间认定工作规范管理,加快信息化与工业化融合

山西

《山西省制造业振兴升级专项行动方案》

发展智能机器人、智能硬件等智能产品

上海

《松江区推进工业互联网创新发展三年行动计划》

至2020年末,松江区力争创建智慧工厂50家,智能车间300家,新增工业机器人2000台,新增创新发展应用项目60个

天津

《天津市关于加快推进智能科技产业发展的若干政策》

重点支持传统产业实施智能化改造,支持工业互联网发展,促进军民融合发展,加快智能机器人、智能软硬件等新兴产业引育,着力打造一批样板车间、示范工厂

《天津市机器人产业发展三年行动方案(2018—2020年)》

完成机器人各方面服务人才培训3000~5000人次;培育以机器人及机器人零部件为主业的上市企业3~5家、全市机器人产业规模达到200亿元;取得重大科技成果(省部级及以上)3~5项;实现机器人换人、智能工厂项目30~50项

浙江

《浙江省智能制造行动计划(2018—2020年)》

到2020年,制造业制造水平显著提升,互联网、云计算、人工智能等新一代信息技术和制造业融合程度深化

《浙江省人民政府关于印发浙江省“机器人+”行动计划的通知》

为主动适应和引领经济新常态,促进机器人与经济社会各领域深度融合,加快转变生产方式,提升生活品质,培育发现动能

重庆

《中国(重庆)自由贸易试验区产业发展规划(2018—2020年)》

将引进培育机器人及智能装备、新能源汽车及智能汽车、高端交通装备等新兴产业集群,力争2020年新兴产业销售收入突破5000亿元

资料来源:笔者根据公开资料整理。

以上政策内容以机器人产业整体产值的提升为主要目标,除提高企业研发生产积极性、税收减免、财政补贴等措施外,地方政府还积极引导、设立产业专项基金,鼓励产业融资,从正面为企业降低运营难度、减缓资金压力,给予产业发展实质性的支持。2018年地方机器人产业基金、融资政策见表1.3。

表1.3 2018年地方机器人产业基金、融资政策

地区

相关内容

佛山

《佛山市顺德区促进机器人产业发展实施办法》,顺德将引导成立总规模3亿元的顺德智能制造产业发展基金,重点投向顺德机器人及智能制造企业相关项目

贵阳

贵阳高新产业投资有限公司、贵阳白云工业发展投资有限公司与特康控股科技有限公司共同设立贵阳市人工智能基金。目前,市人工智能基金总规模1.501亿元,定向投资机器人平台项目

上海

上海市经信委和民生银行上海分行签署战略合作框架协议,民生银行将提供不低于500亿元的专项额度,支持上海智能制造产业融资

资料来源:笔者根据公开资料整理。

(二)经济环境:抵御内外部风险冲击,全年经济平稳运行

2018年,中国继续推进经济结构优化、转型,把打好“防范化解重大风险、精准脱贫、污染防治”三大攻坚战作为全年经济工作的主要任务,虽受到中美经济贸易摩擦、民营企业出现信用风险、宏观经济下行等冲击,但在中央政府强有力的“稳就业、稳金融、稳外贸、稳外资、稳投资、稳预期”的政策引导下,全年经济运行平稳。

国家统计局数据显示,2018年,国内生产总值突破900000亿元,同比增长6.6%,比上年同期小幅回落0.2个百分点。四个季度经济分别增长6.8%、6.7%、6.5%和6.4%,经济增长逐步回落。作为拉动经济增长的“三驾马车”,2018年,固定资产投资总额635636亿元,增长5.9%;社会消费品零售总额380987亿元,增长9%;货物进出口总额305050亿元,增长9.7%。

国家统计局数据显示,2018年,工业生产平稳增长,新产业增长较快,全国规模以上工业增加值比2017年实际增长6.2%,增速缓中趋稳,其中高技术制造业、战略性新兴产业和装备制造业增加值分别比2017年增长11.7%、8.9%和8.1%,增速远高于工业增长整体水平。2010~2018年全国规模以上工业增加值增速见图1.1。

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图1.1 2010~2018年全国规模以上工业增加值增速

聚焦国内机器人产业经济运行情况,中国作为全球最大且发展最快的机器人市场,产业投资环境较好,国际巨头及本土企业在华增资扩能的趋势不减,表示了其对中国机器人产业市场发展的看好与信心。2018年中国机器人扩产企业情况见表1.4。

表1.4 2018年中国机器人扩产企业情况


企业

事件

埃斯顿

1月,埃斯顿工业机器人智能工厂一期正式投产,机器人及成套设备产能将达到9000台(套);
10月,埃斯顿(广东)机器人有限公司正式开业,建成后三年内达产并实现累计产销机器人3000台以上

库卡

3月,库卡监事会批准将其在中国的一般工业业务与Swisslog中国业务合并,并与美的设立合资公司承接上述业务,同时,中国顺德科技园将新建生产基地,到2024年机器人产能达到每年75000台

遨博

5月,常州遨博科技大厦奠基,投产后将建成年产5万台协作机器人研发、生产和运营基地

安川

6月,安川(中国)在常州举行第三工厂的开业仪式

广数

9月,广数工业机器人制造项目二期项目生产厂房年底建设完毕,具备年产工业机器人千台、伺服电机十万台的能力

珞石

9月,山东邹城智能装备产业园动工

发那科

10月,重庆基地项目正式动工建设,预计达产后实现年产值2亿元以上

图灵

10月,江苏基地全面启动,可满足年产1万台产能

ABB

10月,宣布将在上海投资1.5亿美元,机器人工厂将年产10万台;
11月,厦门工业中心正式启用,工业园共投资3亿美元

资料来源:笔者根据公开资料整理。

(三)社会环境:老龄化趋势加快,劳动成本持续上升

改革开放以来,我国社会经济快速发展,医疗水平不断提高,人均寿命有所延长;随着育儿费用的提升、生活工作节奏及压力增加,导致生育率处于下行趋势;同时,此前施行的计划生育政策限制了社会生育率,也带来了出生率下降、少儿人口规模减小、老年人口比重提高的问题。

联合国国际人口学会编著的《人口学词典》对人口老龄化的定义是:当一个国家或地区60岁以上人口所占比例达到或超过总人口数的10%或者65岁以上人口达到或超过总人口数的7%时,其人口即称为“老年型”人口,这样的社会即称为“老龄社会”。

国家统计局数据显示,第六次人口普查中,2010年,我国60岁以上人口约为1.64亿人,占总人口的12.3%,65岁以上老年人口约为1.1亿人,占总人口的8.24%,按国际衡量标准,我国其实已经进入了老龄社会,老龄化已成为国内不可逆转的发展趋势。2013~2018年中国65岁及以上老年人口数量及占比见图1.2。

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图1.2 2013~2018年中国65岁及以上老年人口数量及占比

从宏观来看,老龄化的人口结构虽对经济有正面影响,如带动、培育以养老为核心配套的金融、技术、休闲产业,但也会造成国家经济增速放缓,税基和财政收入减少,养老金、医疗卫生服务等项目支出增加,财政压力加大。

针对制造业而言,老龄化最直接导致适龄劳动力供给的减少,社会生产能力不足,这将促使社会生产进行转型,由原来的劳动密集型生产向资源密集型、资本密集型、技术密集型过渡。同时,随着机器人、人工智能、智能制造、自动化等产业的不断发展,能够在一定程度上助推产业升级转型、改善产业环境。

目前,制造业工作明显呈现工作内容单一、时间长、劳动强度大、薪资待遇不高的特点,而“80后”“90后”日益成为社会主要劳动力,受到物价上涨、教育水平提高和社会观念转变的影响,他们不再青睐这类工作。

企业为保证正常生产只得提高用工成本招揽人才,但随着社会经济的不断发展,用工成本持续上涨,企业负担越来越重,开始谋求利用自动化生产,既保证工厂生产效率、产品品质,又可相应减少生产成本。2010~2017年制造业城镇单位就业人员工资水平见图1.3。

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图1.3 2010~2017年制造业城镇单位就业人员工资水平

(四)技术环境:人工智能、核心零部件等技术取得一定突破

当前,伴随着人工智能、物联网(The Internet of Things,IoT)、大数据、云计算等关键技术的发展,图像识别、语言识别、自然语言处理等智能技术取得较大进步,机器人产业融合创新发展步伐进一步加快。中国作为全球机器人产业发展速度最快的国家,即使面对着起步晚、技术落后、产业化程度低等问题,但在政策引导、市场需求的牵引下,机器人产业的技术水平也得到了提升。

1.国产核心零部件企业加大研发投入,推进国产化替代步伐

当前,机器人零部件依然是制约国产机器人发展的最大瓶颈,实现核心零部件的国产化替代是中国机器人产业发展的关键所在。由于国内减速器研究起步较晚,在转速、传动精度、稳定性等方面与国外企业存在差距,尤其是技术难度较大的RV减速器,国内企业尚不能大批量生产具有高品质的产品,近年来,南通振康、秦川机床、双环传动等企业纷纷加大研发力度,而谐波减速器,由于机械结构相对简单,国内水平正在与国际不断接近,以绿的谐波为首的企业快速崛起,逐步推进进口替代。

伺服电机高端市场仍被松下、安川、倍福等国外品牌占领,随着国内技术及自主配套能力的提升,涌现出汇川、埃斯顿、台达等优质厂商,使得中小功率伺服电机国产化步伐加快,同时,在产品品质上也有所提升,整体水平与国际厂商的差距逐渐缩小,在某些细分领域上,凭借价格优势占据一定市场。

国产控制器所采用的硬件平台和国外产品差距不大,差距主要在软件中的核心算法与二次开发,而主流厂商的控制系统一般为自主开发,因此,国内控制器市场尚未形成明显的竞争格局,以卡诺普为代表的国产厂商通过加大技术投入,市场份额不断扩大。

目前国内传感器产业链已较为完整,虽高端产品仍依赖进口,但随着国产传感器企业规模和技术积累的提升,产品质量、工艺稳定性也在不断提升。

2.国内本体机器人产品智能化、标准化水平得到提升

机器人本体技术主要针对生产工艺、产品质量及智能水平,目前,单个企业机器人本体产量较小,无法实现批量化、标准化生产,使得生产工艺的可靠性依赖于技术工人的水平,且受国内技术人员缺乏,行业标准及过程工艺不完善等因素的影响,导致国产机器人的质量一致性不高。从工业机器人来看,在超大负载、超高精度等方面正在与国外产品缩小差距,但技术相对复杂的多关节机器人市场仍由国外厂商占据,国内厂商市场份额为19.4%,国产工业机器人本体主要集中在搬运、码垛等较简单的领域,整体产品价值不高,同时,国内产品的稳定性、工艺细节、软件功能、易用性等方面仍低于国外;从服务机器人来看,国内企业在AI芯片、激光雷达传感器新兴技术领域寻求突破,目前已取得阶段性成果,部分产品已降低至百元级别,受国内人工智能技术国际领先的影响,科大讯飞、阿里云、华为等企业的语音/图像识别、语义理解、云计算、大数据等技术加速了服务机器人的发展,但与国外市场相比,我国个人/家用服务机器人市场普及率较低,还处于市场探索阶段,在扫地机器人方面,国内已实现了批量化生产,以科沃斯、小米为代表的国内企业市场竞争力较强。

3.国内系统集成商深耕细分领域,积累行业生产经验

由于技术差距,国内企业在核心零部件、本体存在一定的劣势,而系统集成属于非标化集成型项目,技术门槛相对较低,需要企业对某个行业的生产工艺有深刻的理解,同时,可及时响应客户需求,并承受项目周期长、前期垫款、尾款积压的风险,以上因素导致国内系统集成企业竞争相对分散,没有出现寡头企业,但国内厂商凭借本土化优势,仍在系统集成环节占得一定的市场空间,成为国内企业在机器人产业链中的主要盈利点。

三、中国机器人产业发展现状

近年来,在国家政策支撑和市场需求牵引下,我国机器人产业平稳发展,机器人设计和制造水平显著提高,机器人新技术、新产品不断涌现,关键零部件研制取得突破性进展,为我国制造业提质增效、换挡升级提供了全新动能。

(一)工业机器人产业发展现状

2018年,是中国机器人市场经过疯狂后趋于冷静的一年,标志着我国机器人市场逐渐迈向良性的成长期。

1.工业机器人销量首度下滑,产量增速放缓

2018年,中国工业机器人销量出现同比下滑。IFR与中国机器人产业联盟(China Robot Industry Alliance,CRIA)统计数据显示,2018年中国市场共销售了约15.6万台工业机器人,与2017年相比,销量有所下降(见图1.4)。

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图1.4 2014~2018年中国市场工业机器人销量

中国汽车和3C电子行业的增速放缓,是工业机器人销量下滑的首要原因。约六成的工业机器人销往这两个行业,在2018年,中国汽车销量出现了过去28年来的首次负增长,工厂投资大型全自动化产线的需求骤然下降;中国手机市场同样陷入低迷,2018年中国手机出货总量为4.1亿部,同比下降15.6%。

国家统计局数据显示,2018年,中国工业机器人产量为14.8万台,同比增长13%(见图5),但与上年同期相比,增速明显放缓。

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图1.5 2012~2018年中国工业机器人产量

随着工业机器人的技术水平不断提升,其未来的应用领域会逐渐扩大,从趋势上看,中国机器人市场未来发展仍有巨大潜力。发那科在中国的合资公司计划在2019年投资15亿元,在上海新建机器人超级智能工厂。2017~2018年,ABB、安川、发那科等众多跨国机器人巨头也相继公布扩大在华产能的计划。这预示着,机器人从业者们对前景仍然保持着乐观。

2.中国工业机器人应用稳中有进,密度逐年提高

机器人密度是衡量国家制造业自动化发展程度的标准之一。近年来,我国机器人密度逐年提高。IFR统计显示,2018年,中国每万名工人配备的工业机器人数量为140台,尽管已高于世界平均水平的99台,仍与工业化自动化程度较高的日本、德国等先进国家存在很大差距,市场潜力巨大(见图1.6)。

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图1.6 2018年全球主要制造业国家工业机器人密度

中国制造业规模大、门类广,企业数量众多,各细分行业对机器人技术及产品的不同需求,为本土工业机器人产业发展创造市场机遇。同时,随着中国大力支持机器人产品“智能化”发展,其对传统产业转型升级的驱动作用日益凸显,可以预计,未来3年我国工业机器人应用范围仍将不断扩大。

3.国产工业机器人结构持续调整,逐渐走向成熟

在我国工业机器人市场中,外资品牌仍占据较大的领先优势,但国产品牌一直在奋起直追。2018年,外资工业机器人在华销售11.3万台,同比下降7.2%;国产工业机器人在华销售4.4万台,同比增长16.2%。国产品牌工业机器人在市场总销量中的比重为28.2%,比上年回升4.3个百分点(见图1.7)。

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图1.7 2014~2018年中国市场国产、外资工业机器人市场销量占比

在企业与科研机构、高校院所的共同努力下,国产工业机器人企业产品结构不断优化(见图1.8)。2018年,国产品牌多关节机器人销售保持稳定的增长态势,销量连续两年位居各机型之首,全年累计销售1.88万台,同比增长18.1%;国产品牌平面关节机器人保持高速增长,全年累计销售0.6万台,同比增长63.9%。这些变化都展现出本土机器人厂商在积极优化产品结构、提高制造水平方面取得的进展。

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图1.8 2018年国产工业机器人销量占比(按机械结构分类)

(二)服务机器人产业发展现状

目前,全球服务机器人产业都处于新兴发展阶段,中国虽起步较晚,但在技术、产业化水平上与国外公司差距较小,甚至部分核心技术和产品市场化已领先于全球,具备先发优势;同时,在国内人口老龄化加速、家庭清洁、娱乐需求多样化等刚性因素驱动下,我国服务机器人市场成长动能显著。

1.服务机器人不断向各行各业渗透

在居民可支配收入持续增长、城市化、技术进步等积极因素的推动下,我国服务机器人市场呈现出“起步晚、空间大”的特点,并随着产品种类的丰富,逐渐向各行各业渗透。

在个人/家庭服务领域,教育机器人、陪伴机器人、扫地机器人等产品的出现,极大地便利和丰富了人们的生活,满足了人们对智能、便捷、舒适生活方式的需求。

在专业服务领域,导览机器人集迎宾、导购与销售等功能为一体,能够进行人脸识别和数据采集,提升零售行业智能化,释放并打造更多新零售场景;医疗机器人技术的有效应用不仅能提高医生的工作效率,在一定程度上消除医疗错误,还能使患者获得高精度的医疗服务,将彻底改变医疗保健的未来。除了上述两个场景外,诸如安防、电力、财务等众多领域均已引入专业服务机器人。

2.市场参与度提升,聚焦家用服务领域

近年来,跨界巨头纷纷进入服务机器人市场,以赢得市场先机,如阿里巴巴、百度、腾讯等互联网企业凭借强大技术背景,通过提供人工智能技术及相关投资服务切入服务机器人领域;海尔、美的等家电企业凭借传统业务经验,布局扫地机器人产品;哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、天津大学等高校研究机构通过与企业合作,推进手术机器人产业化。

从服务机器人的具体应用来看,家用服务是国内服务机器人的主要细分市场,教育、陪伴及公共服务机器人快速落地,医疗机器人发展潜力较大。

3.特种机器人应用垂直度高,国家政策积极推动

特种机器人是服务机器人的一大重点类别,可代替人在危险环境下作业,由于应用场景的特殊性及复杂性,具有资金及技术门槛高、研发周期长等特点。目前,国内特种机器人市场保持稳定增长,产品类型不断丰富,已具备一定的自主智能水平,且未来具有巨大的发展空间。

由于产品的特殊性,政府持续关注特种机器人的研发与应用,在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》、《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》、《中国制造2025》和《中国机器人产业“十三五”发展规划》等政策中将其提升到战略发展层面。

四、中国机器人产业链分析

(一)机器人产业链总体概述

从产业链角度来看,机器人产业可以分为上游的零部件制造企业、中游的本体厂商、下游的系统集成商及最终客户。

机器人产业链环节不长,但其中涉及的技术横跨软件、硬件、服务、精密制造等多个高新技术领域,各个环节技术含量均较高(见图1.9)。

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图1.9 机器人产业链全景

(二)机器人产业链上游分析

在机器人产业链的上游,减速器、伺服系统、控制器和传感器的技术壁垒较高,且成本占比最大,因此被业界称为“机器人核心零部件”。

1.减速器

减速器安装在机器人的关节,用来精确控制机器人的动作,传输更大的力矩。减速器主要分为RV减速器和谐波减速器。RV减速器主要应用于负载较大的关节上,谐波减速器主要配置于负载较低的关节。一台工业机器人一般会配置多个减速器。减速器在工业机器人三大零部件中技术难度最大,行业高度垄断。

2.伺服系统

工业机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、伺服编码器组成,主要用于驱动机器人的关节,工业机器人的每个关节都需要一个伺服电机,用来控制速度与转矩控制以及进行精确、快速、稳定的位置控制。

3.控制器

控制器主要负责发布和传递动作指令,控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作时间等。

4.传感器

随着新一代信息技术及人工智能等技术的快速发展,对机器人的智能化程度要求越来越高。上游零部件从传统三大核心部件(减速器、伺服电机和控制器)扩展到先进传感器模块与数字化芯片等领域。机器人用传感器主要包括视觉传感器和力学传感器。

(三)机器人产业链中游分析

机器人产业链中游是本体制造,是机器人的支撑基础和执行机构,属于重资产环节。

2018年以来,我国机器人本体企业发展迅速,尤其是骨干企业的研发制造生产水平不断提升,呈现出良好的发展态势。

哈工大机器人、安徽埃夫特、南京埃斯顿、上海新时达等企业快速发展壮大,其机器人产品在负载、工作范围、重复定位精度、响应速度等方面取得了较多的技术突破,积累了一定的技术优势。

总体上看,国产机器人本体技术已经接近国际先进水平,虽然在超大负载、超高精度方面尚未达到国际领先品牌水平,但差距在逐年缩小。一方面,国产机器人已经能满足大部分行业的应用需求,且在中低端市场需求放量明显;另一方面,机器人产品性能稳定性和质量可靠性需要长时间检验,部分企业还需要2~3年的时间来进行品牌积累。

(四)机器人产业链下游分析

随着技术水平的不断提高,产品结构不断优化,机器人应用广度和深度不断拓展。

1.应用深度:在重点行业、知名企业开展示范应用

近年来,在工信部、发改委等有关部门推动下,若干工业机器人示范应用类项目得以实施,直接推动了国产工业机器人在家电、电气电子、汽车零部件、金属加工、家具卫浴等行业龙头企业的应用。目前,创维、澳柯玛、海尔、格力、广汽、上汽及上海大众等行业知名企业都开始逐步使用国产机器人。一些机器人厂商充分把握市场需求机会,通过与用户企业的深入合作,实现了技术的改进与提升。

2.应用广度:应用行业不断拓展

统计显示,2017年国产机器人应用范围持续扩大,已服务于国民经济39个行业大类110个行业中类,国产机器人在越来越广泛的行业中实现市场价值,对推动机器人市场的发展具有积极意义。

2017年国产工业机器人应用行业,除了传统的汽车制造业,电气机械和器材制造业,食品制造业,金属制品业,医药制造业,有色金属冶炼和压延工业,非金属矿物制品业,化学原料和化学制品制造业,橡胶和塑料制品业,专用设备制造业等行业外,还新增了皮革、毛皮制品及制鞋业,木材加工和木、竹、藤、棕、草制品,废弃资源综合利用业,机械和设备修理业和管道运输业等行业。

3.本土系统集成企业规模偏小

但是,与国际知名企业相比,我国本土系统集成企业仍存在规模小、行业积累薄弱等不足。高工产研机器人研究所数据显示,目前,中国工业机器人系统集成企业超过3100家,企业营收超过1亿元的仅有100家左右,绝大部分系统集成商业务营收不超过3000万元,其中,系统集成企业营收超过3亿元的企业集中在汽车工业领域。

本土系统集成企业规模偏小的主要原因是系统集成属于非标项目,每个客户的需求均有差异,可复制性差,跨领域接单难;同时,2018年资本寒冬,加剧了企业融资难度,大部分系统集成商面临资金短缺问题,大项目不敢承接,小项目利润微薄,发展遇到了瓶颈。

(五)机器人产业发展趋势

1.机器人智能化水平提高,应用范围扩大

未来,随着人工智能、量子计算、5G、区块链等前沿技术的快速发展,机器人的智能化程度会越来越高,将具备与人共融、适应复杂环境等功能。以5G为例,其低时延、高稳定的特性,是机器人的理想网络,从而催生机器人向网络化发展,具备更强的自组织和协同作业能力,满足柔性生产的需求。

此外,人机交互的层次也将逐渐加深,机器人不仅能按部就班地完成程序设定的指令,还将拥有自我学习的能力,以及与人配合共同作业的能力,能够完成更具创造性的任务。在此情况下,无论是在工业领域还是在服务领域,机器人的应用将更加广泛。

目前,包括中国在内的很多工业发达国家已经将机器人产业的发展重心转移到实现机器人的“智能化”上来,人机协作正在引领机器人产业新趋势。

2.机器人赋能柔性制造

随着用户对于产品定制化、个性化需求的不断增长,多品种、小批量生产以及大批量定制成为制造业发展的必然趋势,为了同时提高制造业的柔性和生产效率,使之在保证产品质量的前提下,缩短产品生产周期,降低产品成本,满足市场对新产品越来越快的要求,以机器人为核心的柔性制造应运而生且发展迅速。

五、中国机器人产业现存问题及对策建议

(一)现存问题

近几年,中国机器人产业在《中国制造2025》等系列政策的引导下逐步发展,市场规模不断扩大,产业链结构逐渐完善,国产品牌保持稳定增长,在看到发展成绩的同时,机器人产业现存问题也不容忽视。

1.机器人产业整体发展水平有待进一步提高

整体市场环境浮躁,据公开数据统计,截至2018年底,国内业务经营范围涉及机器人的企业约8000家,在宏观大环境下,部分企业由于缺乏核心技术,转而将发展重心聚焦在如何获取政府补贴、资本投资上,会“讲故事”“唱高调”的企业成为社会关注的热点,而部分扎实搞研发、做研究的企业却因缺资金、缺扶持,面临着巨大的经营、生存压力,这种浮躁的市场氛围直接导致国内机器人市场产生一定程度的泡沫。同时,市场过多关注产品销售数量,而忽视机器人的品质,2012~2018年,国产工业机器人销量占比由12%提升至28.2%,且未来仍保持上升的趋势,但从品质而言,由于缺乏核心及关键技术、制造工艺基础薄弱等因素的影响,国产六轴工业机器人占全国工业机器人新装机量不足10%,国产机器人发展任重而道远。

2.产业标准缺失,产品良莠不齐

我国机器人产业标准的制定主要是等效采用相关国际标准、国内相关标准委员会组织编撰等方式,目前,为引导机器人产业的健康发展,我国已发布和正在制定的机器人及相关国家标准100余项,但国内机器人技术演进较快,应用场景变化较大,国家标准制定周期较长,通常需要2~3年,现有标准以工业机器人为主,而市场空间更大的服务机器人通常无法找到匹配的标准作为质量评定依据,标准制定进程明显滞后于市场发展现状。

目前,国内已有的机器人标准以强制的安全认证为主,缺乏产品功能性认证,使得部分地方及企业标准执行不到位;同时,行业标准处罚力度不够,违标代价不高,导致国产机器人产品质量良莠不齐;除关注机器人产业标准、认证规范外,配套检测往往成为研究的盲区,我国部分企业在产品出厂前会做部分性能的检验,但配套检测体系不完善、设备不精确,导致检验结果可靠性较低,不能完全满足产品控制的需求。因此,由于国内标准体系的不完善,很难使机器人研发、生产、销售、集成、服务等形成有序和细化的产业链。

3.机器人关键技术与国外存有差距,核心零部件依赖进口

机器人是多学科、高科技交叉融合的产物,由于国内产业基础相对较弱、精密制造整体水平不高,使得我国机器人关键技术与国外仍有较大差距。

在机器人产业中,上游核心零部件直接影响机器人的性能,且占本体成本70%以上,但目前我国核心零部件仍依赖进口,使得国产工业机器人成本居高不下,产业化进程严重滞后。以精密减速器为例,机器人上使用的高端减速器,可分为谐波减速器、RV减速器,目前,国产品牌以苏州绿的为代表的谐波减速器已实现技术突破,可实现进口替代,但RV减速器由于传动精度、扭转刚度等性能问题,依然没有摆脱大幅依赖进口的局面。

虽然我国在机器人本体、系统集成领域掌握了一定的技术和知识产权,但高端市场显著缺失,国产机器人产品以中低端产品为主,主要是搬运和上下料领域的三轴和四轴机器人,而应用于焊接等领域的六轴或以上机器人市场主要被日本和欧美企业占据。

4.企业经营困难重重,生存压力大

2018年经济形势走弱,受中美贸易战等不确定因素影响,宏观市场呈现低迷景象,机器人资本市场不景气,企业融资困难;政府调整机器人产业扶持、引导思路,取消行业普遍性补贴;同时,由于新能源补贴退坡、智能手机市场饱和的影响,汽车、3C这两大机器人主要应用行业投资意愿下降,机器人产业应用市场放缓。

当前,国产机器人企业盈利主要依靠系统集成环节,而系统集成商与终端企业的结款方式一般为“3331”“361”“252”模式。以“3331”模式为例,即设计方案审核通过后拿到30%的定金,产品发货后拿到30%,安装调试完成后拿到30%,最终项目验收之后拿到剩余10%的质保金。在企业拿到账款前,需独自承担前期所有的设计、生产、采购、人力、研发等费用成本,垫资情况严重,大大增加了企业的资金压力。

除面临外部复杂环境外,国内本体机器人企业还面临严酷的市场竞争压力,近几年,机器人企业如雨后春笋,不断涌现,但部分企业缺乏核心技术、未找到精确市场定位、不遵守现有市场标准,以低价抢占市场、扰乱市场正常竞争秩序,其余企业面对市场竞争,无奈加入价格战的泥潭中,利润空间单薄。

5.专业人才缺失成为阻碍产业发展的瓶颈之一

“机器换人”所替代的是大量简单劳动力和一般技术工人,但相应的机器人技术研发、操作、维修、营销及管理人员需求将大幅提升。2017年政府发布的《制造业人才发展规划指南》显示,2020年中国机器人产业人才缺口预计达到300万,2025年将扩大到450万。同时,国际机器人联盟研究表明,每增加1台机器人将创造3.6个就业岗位,按此趋势,未来几年我国机器人新增岗位需求人才缺口将越拉越大。

(二)对策建议

1.强化机器人产业顶层设计,推进中高端化发展进程

为保证我国机器人产业健康发展,国家相关部门相继出台了一系列支持措施,但作为工业后发展国家,我国正面临着从数量扩展向高质量发展的攻坚阶段,在确立符合我国国情的机器人发展模式后,仍需坚持政府引导、市场调节的管理思路,从市场环境规划、产业健康可持续发展上入手,双管齐下,解决制约产业发展的瓶颈问题,加强宏观统筹规划和资源整合,加大财税支持力度,营造良好的市场环境,同时,进一步实施产业的科学管理,提高产业门槛,规范市场秩序,提升机器人产业发展质量,推进向中高端发展的进程。

2.完善机器人产业标准体系,规范行业健康发展

行业标准的设定要适应时代发展的要求,为解决标准缺失制约我国机器人产业发展的问题,国家需聚集相关杰出产学研资源,与国际标准委员会对接,补充、完善国家标准、行业标准、团体标准;完善机器人检测认证平台及配套体系,为产业、企业提供专业检测服务,更好地支撑技术创新、质量提升,此前,国家已成立国家机器人检测评定中心,但主要认证内容是安全性、电磁兼容性,未来智能性、可靠性也需纳入认证范畴;借助中国机器人产业联盟等行业组织力量,通过定期培训、活动等形式,培养产业内部自律意识,自觉维护机器人产业健康发展。

3.鼓励技术积累,政策向技术创新倾斜

随着机器人产业的市场竞争加剧,产品价格成为继企业品牌、产品参数等指标后另一个竞争关键要素,由于国内外机器人核心技术的差距,在市场发展初期,部分企业期望通过“价格战”方式抢占市场空间,但伴随着国外品牌的相应降价,此时,核心技术、产品品质和企业信誉才是阻止市场“恶性竞争”的关键。

国家应加大对机器人技术积累、技术创新的支持力度,构建创新产业生态体系,鼓励行业协会、研发单位、行业企业及用户围绕技术建立创新产业链,打造产业技术创新联动,最大限度地实现资源的优化配置;同时,合理规划、使用产业投资、扶持基金,重点关注在核心技术上取得突破的个人或单位,建立创新激励机制,为其减轻研发、经营压力,激发产业整体技术创新积极性和创造性。

4.完善投融资渠道,企业打造核心竞争力

企业运营离不开资金的保障,为给机器人产业打造良好的发展支撑,需提升财政对机器人产业的支持,鼓励银行等机构支持突破核心技术、打造龙头企业;建立国家级与地方级相结合的产业引导基金,发挥资金的杠杆作用,坚持国家统筹规划与地方发展特色相结合的战略,促进资源优化配置;同时,营造开放、健康的投资环境,鼓励社会产业投资的进入,注重资本管理效益和质量。

“打铁还需自身硬”,企业需加快自主创新能力建设,针对市场需求,深耕细分应用领域,加快技术研发、突破,注重产品质量与企业品牌建设,打造自身核心竞争力。

5.多方联动建设人才“产学研一体”培养体系

政府、高校、企业是人才培养最直接的相关者,政府需对人才缺口问题给予高度的重视和关注,完善机器人产业人才培养的规划与布局;高校需积极响应产业发展要求,加快产业学科建设与设置,提供符合机器人产业快速发展的专业课程、教学设计、实践内容,注重与企业进行融合交流,在人才培养过程中进行技能、实践能力的提升;企业要通过多渠道做出人才培养的努力,树立人才培养理念,与专业职业教育机构联合,定期进行应用型、服务型人才培训,同时,加强与国内外优秀企业交流沟通,进行学习、探讨人才培养模式,建立完整的人才引进机制,吸引优秀人才融入。

政府、高校、企业是人才培养链上最重要的三者,需加强之间的合作,才能使国内人才培养和供给形成完整的闭环,以逐步填补我国机器人产业巨大人才缺口,持续推动产业健康发展。

 


分报告

第二章 中国工业机器人产业发展报告

一、工业机器人的发展现状

(一)工业机器人定义及研究范围

中国借鉴IFR的机器人分类标准,在国家标准《机器人与机器人装备 词汇》(GB/T12643-2013)中也将机器人分为工业机器人和服务机器人,其中,工业机器人是指“自动控制的、可重复编程、多用途的操作机,可对三个或三个以上的轴进行编程,它可以是固定式或移动式,在工业自动化中使用”,但未对工业机器人的分类做出明确规范。

中国工业机器人对国家经济发展具有重要的意义,因此对当前中国工业机器人的发展状况、发展趋势及其面临的困难进行总结是非常必要的。基于中国工业机器人的市场细分,本报告将从销售、应用、技术发展等方面对中国工业机器人的发展现状进行总结,对多关节机器人、平面关节机器人、坐标机器人、并联机器人等主流工业机器人进行市场规模分析;然后重点分析工业机器人现存的问题并给出相关对策建议,预测工业机器人的发展趋势及其潜在的市场机会;最后对部分工业机器人重点企业以案例的形式进行分析,为其他工业机器人企业的健康发展提供参考。

(二)全球工业机器人销售现状

近年来,全球工业机器人市场进一步扩大,销量快速增长,主要得益于发达国家实施的“再工业化”战略和中国工业机器人高速增长的市场需求。虽然2018年亚洲市场的销量同比下降0.7%,导致全球工业机器人市场同比增速出现明显回落,但从市场销量来看,如图2.1所示,全球工业机器人销量再创新高,同比仍实现了小幅增长,销量达到42.2万台。其中,亚洲及澳大利亚、新西兰地区销量共计28.3万台,欧洲市场销量为7.6万台,美洲(包括南美洲和北美洲)销量为5.5万台,其他市场销量为0.8万台。

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2.1 2014~2018年全球工业机器人销量

(三)中国工业机器人销售现状

近几年来,在国家产业政策指引下,中国工业机器人呈现出较好的发展势头。但是,2018年是国产工业机器人产业经历过疯狂扩张后市场趋于冷静的一年,同年工业机器人整体销量首次出现了同比下滑。2018年中国市场共销售了15.6万台工业机器人,与2017年相比,销量有所下降。造成工业机器人销量下滑的主要原因在于:随着我国经济逐渐回暖,智能制造、人工智能等领域的兴起,市场对工业机器人的需求在2017年快速增长,然而到了2018年,新兴增量市场滑坡严重,作为工业产品,下游需求的周期性变化将会对工业机器人的销量产生较大的影响,宏观环境的下行导致制造业的景气度下降,企业的生产压力加大,固定资产的投资延后,进而向上传导使得工业机器人销量下降;叠加中美贸易战等因素影响,下半年机器人产业市场行情急转直下,同时中国汽车的销量28年来首次出现负增长,导致汽车行业对工业机器人需求下滑。最终,在2018年度,整个工业机器人产业市场呈现出高开低走的态势。

但是值得注意的是,现阶段政府的产业政策为工业机器人的发展创造了宽松的市场环境,在国家的大力支持下,工业机器人产品逐渐向“智能化”的方向发展,并体现出工业机器人技术对产业转型升级的驱动作用,这为工业机器人企业的发展提供了良好机会。从整体上看,工业机器人企业的未来令人期待。

(四)工业机器人行业应用现状

随着改革开放的进一步深入发展,我国工业机器人的技术水平不断提高,产品结构也在不断优化,并已广泛应用在社会民生等各项领域中,工业机器人的应用广度和深度在不断地拓展。应用的深度主要体现在重点行业、知名企业等开展的示范应用;应用的广度则主要体现在应用行业和应用领域的不断拓展。

近年来,很多的工业机器人示范应用类工程项目在工信部、发改委等有关部门推动下得以实施,直接带动了中国工业机器人在国内重点行业中的应用。目前,工业机器人在一些知名龙头企业中的使用比例开始逐步提升,国内的一些工业机器人厂商也充分分析市场形势,把握市场发展的机会,通过与用户企业展开的深入合作,实现了技术的改进与提升。

如图2.2所示,从终端应用行业的角度来看,中国工业机器人主要应用在汽车制造业、电气电子设备和器材制造业、金属加工业、食品制造业等领域。上述四大领域在2018年的市场占比合计为67.5%,其中,汽车行业和电气电子设备行业市场占比分别为25.5%、29.8%,虽然这两个行业机器人的应用占比都有所下滑,但这两个行业依旧是近几年的前两大应用行业,食品制造业及其他行业应用占比相对于2017年均有稳定提升。

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2.2 2017~2018年中国市场销售工业机器人行业应用分布情况

同时,国产工业机器人在2018年应用范围不断拓展,应用行业持续增加,其市场价值也越来越广泛地在应用行业中实现。目前,汽车制造业和电气电子设备和器材制造业是中国工业机器人细分市场中应用最多的行业,但其国产化率仍然很低。如图2.3所示,在2018年,汽车制造业和电气电子设备和器材制造业工业机器人的国产化率分别为13.8%、30.1%,相比而言,非金属矿物制品业和金属加工业工业机器人的国产化率则远超电气电子设备和器材制造业,分别以73.2%和64.3%稳居第一位和第二位。

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2.3 2017~2018年中国市场销售工业机器人行业应用国产化分布

(五)工业机器人技术现状

目前工业机器人的核心技术(包括核心零部件、本体等的研发、生产、设计)受材料、工艺等技术水平的影响,与外国技术相比还有一定程度的差距。在工业机器人本体方面,目前我国大部分工业机器人企业处于产品生产的下游,主要集中在中低端机器人产品的组装和代加工,发达国家的企业则主要占据了高端工业机器人市场。国产高端工业机器人的占比还不到全国工业机器人新装机量的10%。另外,企业规模也普遍较小,逾90%年产值在1亿元人民币以下。

从技术专利申请情况来看,截至2018年底,中国以196620件的工业机器人产业专利申请总量在全球排名居首,日本和美国分别以109207件和65779件位居第二和第三,可见,中国、日本和美国是全球工业机器人产业技术研发与市场布局的重点区域;对截至2018年12月已公开的中国工业机器人专利的申请数量进行统计,发明专利申请的数量为103380件,占比约为52.58%,实用新型专利申请数量较大,约占42.8%,外观设计专利的申请数量为9089件,约占4.62%;从我国工业机器人专利技术申请人构成来看,主要分为企业、大专院校、个人、科研单位和机关团体等,其中企业的专利申请数量较多,占比远远超过了大专院校和个人等其他单位的申请数量,说明了大部分的企业申请人越来越看重在工业机器人技术领域的专利布局。

另外,国际先进工业机器人制造商在中国的业务不断增多,为我国工业机器人行业技术水平的提升提供了一个难得的机会。先进工业机器人制造商的产品和科技人员进入新的市场后,可以给当地的工业机器人企业带来示范作用,通过增强当地企业的竞争意识,推动其主动进行技术提升。在先进制造商与当地企业合作的过程中,能够让后者接触并学习国际上的先进技术,国内的部分工业机器人制造商已经积极走出国门去引进先进的制造技术。

同时,近两年来,在国家大力支持以及企业与科研机构研发人员的不懈努力下,我国工业机器人技术水平不断提高,领域创新成果不断涌现,技术水平显著进步,市场竞争能力显著增强。工业机器人在高速高精度控制、本体优化设计及集成应用等方面取得了积极进展。

二、 工业机器人的市场规模

近几年来,我国工业机器人产业已成为全球机器人市场增长的重要推动力,并带动全球机器人市场需求继续快速增长。在中国工业机器人本体领域,由于目前制造企业对工业机器人仍有巨大需求,同时,随着国产化水平的逐步上升,虽然工业机器人市场价格会逐步下降,在“量增价降”综合因素作用下,本体市场规模仍将持续上升。

随着我国制造业工业机器人密度的逐年提高,中国已成为全球工业机器人密度增速最快的国家,并于2018年达到140台/万人。但相关产业主体不应盲目乐观,需要意识到我国工业机器人密度仍处于较低水平,与工业自动化程度较高的国家相比,如新加坡、韩国、德国等国家,差距仍然很大。考虑到中国制造业市场规模大,需求潜力依然强劲,加之劳动力成本上升、工业转型升级以及老龄化社会的到来,我国工业机器人密度的提升空间广阔,未来5~10年我国工业机器人密度有望提升30%以上。

在我国工业机器人的本体市场中,外资品牌始终占据着主导地位,且市场占有率在2017年还有进一步扩大的态势,但在2018年国产工业机器人本体市场迎来了强力的反弹,市场份额得到了大幅提升。国产品牌本体销量的市场份额从2017年的23.9%上升至2018年的28.2%,提升了4.3个百分点,而外资工业机器人本体市场的份额有所下降。

2018年国产工业机器人市场份额的提升,一方面受宏观经济因素影响,汽车制造业与电气电子设备和器材制造业的市场发展增速放缓,而大部分外资工业机器人品牌主要销往这两个行业;另一方面,国产工业机器人企业实力的快速提升以及国产化进程的不断加快,其产品不仅在功能上满足制造业企业的一般使用需求,同时还不断地降低工业机器人的使用成本,与外资企业相比具有明显的价格优势,可预见未来国产品牌的工业机器人市场份额将逐步上升。

从中国工业机器人整体市场份额来看,虽然我国工业机器人本体国产化率在2018年的进步比较明显,但依然偏低,外资品牌的市场份额仍然占据绝对优势。如图2.4所示,我国工业机器人细分市场中,多关节机器人、SCARA机器人、坐标机器人和并联机器人的国产占比在2018年均有所上升,但在多关节机器人、SCARA机器人等中高端的产品中,国产占比仍较低,相关工业机器人产品仍有较大发展空间。

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2.4 2017~2018年中国市场工业机器人细分产品国产、外资销量占比

(一)多关节机器人市场分析

如图2.5所示,从中国工业机器人市场细分的角度来看,2018年中国市场的多关节机器人销量为9.7万台,相比2017年中国市场多关节机器人销量增速明显变缓,其主要原因是多关节机器人在工业机器人细分领域所占比重较大,当工业机器人整体市场出现销量增速下行时,多关节机器人销量增速也随之出现了明显的下行。虽然目前多关节机器人的国产占比较低,增速呈现了下降的趋势,但是随着中国工业机器人的市场需求不断加大,作为我国工业机器人细分类型中的重要一员,多关节机器人的销量将会持续增长。值得注意的是,随着多关节机器人销量规模的不断扩大,市场低价竞争仍将延续,会直接导致企业成本压力的加大和市场不确定性的增加。

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2.5 2015~2018年中国市场多关节机器人销量

(二)平面关节机器人市场分析

如图2.6所示,平面关节机器人(SCARA)在2018年的销量增速不及预期,主要原因是新兴增量市场对工业机器人的需求增速明显下滑。从年度总体数据来看,平面关节机器人在2018年的市场销售量为3.3万台,实现同比增长52.1%。

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2.6 2015~2018年中国市场平面关节机器人销量

随着国内工业机器人政策逐步呈现效果,同时中国工业转型升级的步伐不断加快,经济发展内部推动力不断增强,为顺利推进智能化生产并实现产业结构调整,新兴行业对工业机器人的需求增速仍将继续保持高速增长。而作为新兴行业自动化生产的最重要工具之一,在此趋势下SCARA机器人的销量也能够继续增长。

(三)坐标机器人市场分析

坐标机器人,又称为直角坐标机器人。目前,国内坐标机器人占全球坐标机器人年销量的27.5%。如图2.7所示,在2018年,中国市场坐标机器人的销售量为1.70万台,同比下降了17%。根据市场需求状况,预计未来几年坐标机器人的销量和市场规模将会稳定增长。

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2.7 2015~2018年中国市场坐标机器人销量

(四)并联机器人市场分析

并联机器人(DELTA)近几年才进入中国市场,在我国的起步较晚,市场规模较小。但在2018年工业机器人整体市场环境出现降温的情况下,DELTA机器人仍能实现同比增长25.2%,如图2.8所示,其市场销量创历史新高。未来工业机器人市场的需求热度仍将持续,虽然在一般工业领域,并联机器人使用基数依然偏低,但随着机器人价格加速下降会使得制造业企业可以批量引进工业机器人,工业机器人仍将保持由汽车行业向一般工业领域覆盖的趋势,这也会继续带动并联机器人市场销量的增长。同时,工业机器人企业亦开始逐步完善后续服务体系,解决其他企业引进工业机器人的后顾之忧。因此,在多重积极因素助推及下游行业自动化转型升级的主流趋势下,DELTA机器人的销量有望获得高速增长,未来具有更大的发展潜力。

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2.8 2015~2018年中国市场并联机器人销量

三、工业机器人的现存问题及对策建议

虽然目前我国工业机器人研发取得了一批基础性理论成果,在工业机器人研制方面有了长足的进步,并在诸多领域中初步实现了产业化应用,市场规模不断扩大,市场竞争力也在不断提升,但无论从技术水平还是产业规模来看,依然存在一定不足,总体尚处于产业形成期,国产工业机器人发展仍然面临着严峻的挑战,现存的问题如下。

(一)核心技术缺失,企业研发投入资金压力大

作为先进制造业的关键支撑装备,工业机器人影响着人类生活的方方面面,已经成为衡量一个国家科技创新能力和高端制造业水平的重要标志。中美贸易战火波及工业机器人产业,并升级导致设备支出上升,而亚洲国家机器人市场需求增长放缓亦影响了全球的需求。从贸易战中可以发现,目前国家之间争夺的焦点仍在于自主核心技术,掌握自主核心科技,才能掌握话语权。

从目前我国工业机器人的发展状况和市场规模来看,虽然工业机器人的国产化程度在稳步提升,但是关键技术的话语权仍掌握在外资厂商手中,我国工业机器人产品相对偏中低端,中高端的产品多掌握在海外巨头手中,工业机器人市场在很大程度上仍然依赖进口,差距比较明显。主要表现在:工业机器人核心技术的原创性研究,技术创新能力和高端产品质量的可靠性均有待提高;另外,作为战略性新兴产业,我国的工业机器人企业近几年才发展起来,绝大多数为中小型企业,还存在“小、散、弱”等问题,难以应对迅速变化的市场需求。

虽然我国工业机器人企业逐渐意识到自主创新的重要性,逐步加大了创新研究力度,但资金实力有限,常常面临巨大的资金压力,很多企业难以支撑长期巨大的研发投入。主要原因在于工业机器人产业属于技术密集型和资金密集型产业,投资大,并且周期长,同时我国工业机器人产业发展时间较短,技术基础普遍较为薄弱,更需要持续大量投入研发资金,否则面对具有几十年发展历史的外资品牌,我国工业机器人企业将会面临巨大的竞争压力。

为缩小我国工业机器人与国际先进水平之间的差距,需要集国家意志、企业投入、人才培育三方合力,只有突破了关键核心技术,才能真正掌握话语权。对将来工业机器人的发展,技术才是第一生产力,谁掌握了先进的制造技术,谁将引领工业机器人产业的发展潮流。提升中国工业机器人自主创新能力,是技术发展的当务之急。针对目前的发展状况及其面临的问题,从国家高度制定出符合我国国情的工业机器人产业发展蓝图和策略,规划好我国工业机器人的技术发展路线,脚踏实地地执行相关方针政策,同时要“走出去”,积极学习国外先进工业机器人的技术,加大工业机器人企业对核心技术的研究力度,紧跟当前信息时代下工业机器人的发展潮流,为我国工业机器人产业的向上发展做好指导,确保我国工业机器人产业的健康可持续发展。

第一,统筹高校、企业、科研机构等社会各界的力量进行技术研发,加强校企合作,制定出符合当前我国工业机器人发展状况的策略,确立符合我国发展实际的工业机器人发展模式,进一步加大对研发及产业化的政策支持力度。由于我国对工业机器人的需求不断增大,国内成功的发展模式相对较少,建议首先研究学习国外成功的发展模式,结合我国国情,不断探索走出一条具有中国特色的工业机器人发展道路。同时,利用我国重大专项、智能制造装备专项等现有的发展渠道,搭建创新应用平台,加大核心技术研究力度,提高创新成果转化为实际产品应用的效率,不断提升我国工业机器人核心技术的竞争力。

第二,加快发展我国工业机器人重点企业和自主品牌。政府要充分发挥宏观调控作用,加大政府的政策支持力度,建立健全并完善各项制度,引导工业机器人企业的积极发展,通过市场化运作加快工业机器人产品在各个行业的应用推广。另外,政府应积极配合工业机器人企业搭建产需对接平台,并协同推进开展工业机器人的国产化工作,培育具有国际竞争力的工业机器人龙头企业和自主品牌。

第三,从企业层面来看,还需在技术和产品上优化升级。其中,提升企业的自主创新能力是重点。我国的工业机器人企业应当持续关注全球工业机器人技术发展进度和发展状况,学习借鉴国外成功发展的经验,增强我国工业机器人骨干企业发展动力,进一步增强其市场竞争力,加快整合并购国内外行业资源的步伐。企业要积极创造学习机会,寻求对外合作机会,避开当前工业机器人布局热点,寻找外围或空白点进行不断的技术创新和业务布局。因此,可以从专用工业机器人入手,不断积累工业机器人相关的经验和技术,加大关键技术的研发力度,逐渐掌握核心技术。

针对企业研发投入资金压力大的问题,国家和政府可以通过税收减免或政策性补贴提升企业的研发积极性,加大产业金融支持力度。

第一,政府可以设立工业机器人产业发展引导资金,积极扶持工业机器人企业。大力支持工业机器人设备的融资租赁,降低工业机器人企业的投资风险并减少其前期资金投入压力。引导地方设立基于本地发展状况和政策特点的专项配套资金,加强工业机器人企业与地方政府的合作交流。政府可以依据工业机器人发展方向推出一些具有代表性的工程项目,并对每个项目给予一定的资金支持,重点扶持重点工业机器人企业的发展,通过以点带面的形式全面提升我国工业机器人技术的发展水平。

第二,引导和推动金融机构创新,建立工业机器人产业发展基金,从国家层面进行战略引导和资金统筹规划,加强工业机器人企业的主体地位,合理配置资金,大力支持符合智能制造发展方向以及企业需要的产品和服务;另外,社会各界的资本也是不可忽视的,通过发挥政府财政的引导作用,共同探索成立工业机器人产业发展基金,将重点企业作为核心,积极引导和发展工业机器人企业积极性。

(二)各类人才短缺,制约创新及应用推广

虽然机器换人可以替代大量的简单劳动力和一般技术工人,但随之而来的是对工业机器人技术研发人才、操作及维修人员的大量需求。中国要从制造业大国变成制造业强国,必须破解技能人才短缺难题。目前,我国工业机器人产业发展中,人才缺口已经开始显现并呈现加剧态势。到2020年,我国工业机器人密度将达到每万名员工使用150台以上。从此可以看出,中国工业机器人市场至少存在7倍以上的增长,中国工业机器人产业是具有较大发展空间的。相较于我国工业机器人市场的增长速度,现阶段我国工业机器人相关专业的技术人才却存在较大的缺口,与巨大的市场需求严重不协调,这必将影响我国工业机器人产业的创新发展及推广应用步伐。因此,针对我国工业机器人产业,更需要解决好人才培养问题,做到真正的中国“智造”。

在工业机器人这个产业蓬勃发展的背景下,加强我国的人才队伍建设迫在眉睫,这不仅关乎中国智能化进程,也关系到全球机器人产业的发展。业内人士分析,面对人才短缺问题,需要政府、企业、教育机构、第三方行业组织等共同推动我国工业机器人应用人才的培养与发展。要培养出合格的机器人应用型人才,就需要相关方必须在明确专业定位和人才培养目标的基础上,紧紧跟随智能装备产业发展的步伐,建立培育高端人才、构建机器人产业投融资的平台,加大对工业机器人领域的人才培养力度。

第一,通过建立健全工业机器人科技人才激励机制,为创新人才提供一个良好的发展环境,加大对工业机器人技术人才的培养力度,通过培养一批高技术水平的科研领军人物,建立工业机器人领域科研人才专家库,着力培养能够承担工业机器人核心技术攻关任务的创新团队。同时,要大力引进工业机器人及相关领域的创新团队和高技术人才。

第二,产学研结合,加强企业、高校和科研机构等社会各界团体的合作交流。工业机器人的技术特点是难度高、风险大,如果单独依赖于工业机器人企业或者高校科研机构,则不能将市场需求和技术创新研究有效结合在一起,进而无法快速找到工业机器人技术创新的突破点,难以实现相关的技术创新和产业发展。企业和院校科研机构等产业相关主体应建立良好的合作关系,加强校企合作,与企业龙头联手,有效整合优势资源,从技术攻关、产品研发、工程应用等方面培养面向工业机器人的高技能人才,促进骨干企业加快中高端人才培养,这是实现技术突破和产业发展的根本途径。同时,依托重点高校、博士后工作站、企业技术中心等创新平台建立多层次的工业机器人技术创新体系。通过产教融合共同培养好工业机器人方面人才,并且不断探索和优化人才培养方案,向社会和企业输送需要的合格人才和优质人才,为中国的工业机器人事业添砖加瓦。

第三,实施工业机器人优才计划。要加大对高科技人才的培养力度,提高科技人才的政治待遇、经济待遇和社会待遇,培养创新团队,提高核心创造力。我国在长期的建设发展中,要多向西方发达先进国家学习,在科研、管理、组织等高级领域,建立并完善海外培养、国内引进等多渠道人才管理制度,完善人才服务体系,营造优越的生活环境,人才引进政策,创建一种“尊重人才、爱护人才、珍惜人才、关心人才、扶持人才”的良好气氛,吸纳成熟人才,不断满足日益强大的国家发展的需求。

第四,建立起教育机制,从教育入手大力发展现代职业教育,通过自身培养,满足我国在发展中所缺的大部分人才,建立好的人才培养机制,制定长期工业机器人人才储备计划,加大对教育的投入,这是解决人才短缺问题最长期有效的办法。要以国内已有的大专院校和科研机构及行业协会为平台,制定大学、工业机器人公司与国内相关科研机构建立联合人才培养计划,积极引进和培养优秀人才,不断完善人才培养体系,为工业机器人的长远发展提供人才保障。另外,要加大对基层员工的再教育力度,从基层员工内部发现优秀人才,提升他们的实际操作能力及综合能力,让他们得到更多的学习实践锻炼的机会。

(三)国际竞争加剧,国产机器人推广应用面临挑战

纵观工业机器人在国际市场的发展状况,目前国外巨头已经发展到了成熟期,各家巨头把握着绝大多数市场、技术,低风险却高收益。由于国产机器人发展时间尚短,机器人厂家还处于由高风险、低收益的初创期转向高风险、高收益的成长期过程,我国的机器人市场还以外资品牌为主导。另外,外资品牌开始降价,在价格上与自主品牌开展竞争。同时外资品牌加大了对中国市场的投资力度,如广州发那科机器人有限公司在广州科学城奠基开工,目标是建设集机器人销售、展示、培训、技术支持及仓储等业务于一体的华南基地;ABB机器人重庆应用中心的正式揭幕,标志着ABB机器人业务在西部地区的布局完成了战略性的一步;ABB披露将投资1.5亿美元在上海建设全球最大、最先进、最具柔性的机器人工厂,实现用机器人制造机器人。

在外资品牌挤压下,国产机器人的市场拓展显得尤为艰难。一些企业并没有真正使用过国产工业机器人,就主观认为国产工业机器人相比同级别外资产品无法满足其较高的精度要求。可见市场整体对国产机器人的信任度、认可度较低。

在对内产能过剩,市场停滞,对外受国外各大品牌的正面冲击的情况下,国产工业机器人企业该如何突围?中国工业机器人的国际竞争之路如何去走?最重要的是具有核心竞争力,第一要有战略,第二考虑平台,第三才是技术的落脚点。

第一,求生存。从整个机器人的价值链来看,单纯机器人本体的差异化很小,当把机器人本体放在应用大环境下时才能呈现出完全不一样的价值。所以,国产工业机器人应该立足于国内市场,通过低成本获得批量生产,通过拓展应用领域来实现国产机器人产业的盈利。国产工业机器人企业可以从慢慢回归理性的投资市场获取灵感,中国工业机器人整体产业在2018年的融资越来越多地集中在一些优势的企业,单个企业的融资规模在增加,主要集中在机器视觉、协作机器人等新兴细分领域。从这些领域不难看出,这些产品在国内都能找到相应领域来“施展拳脚”,且易用性比较好,如果能在性价比高的前提下,做到以上几点,相信国产工业机器人也能发掘到适合自己的市场。

第二,求发展。国家要加强品牌建设,加大扶持力度优先发展龙头企业,提升品牌效应。为具有巨大发展潜力的骨干企业创造便利条件,协助工业机器人企业进行资源整合,集中优势资源重点发展,使这些企业发展成为行业内的标杆,并带动其他相关产业良好发展,不断提升国产工业机器人的国际影响力和竞争力。政府要继续提供各项优惠政策,吸引国外的知名工业机器人企业能够在我国落户,或者与国内工业机器人企业合作共同设立研发机构。同时还要加快制定行业急需的技术标准,引导企业提升产品资质,增强用户企业使用中国工业机器人的信心。工业机器人产业已经属于资本密集型产业,对资本的需求巨大。在这样的产业背景下,行业内的优秀工业机器人企业必须充分利用当前的大好形势,提升自己的业务能力。通过国际性工业机器人产业交流活动,加大对国外优秀工业机器人企业的学习力度;同时,要积极收集整理工业机器人及其相关领域的发展报告,了解国内外工业机器人的市场发展状况,紧跟时代发展潮流。

第三,求超越,通过智能的嵌入技术实现领先。工业机器人的核心竞争能力绝不仅仅在一个点上,而是综合能力,包括技术端和管理端,工业机器人的核心竞争力包括生产/采购,渠道/服务,寿命/可靠性,设计能力和运动控制。从管理端来看,机器人由一系列复杂核心零部件组成,要做好一个工业机器人,企业必须具备全球采购能力和面对全球复杂生产的组织能力与服务能力;从技术端来看,关键在于工业机器人的运动控制和设计能力,其中运动控制为核心中的核心。除了应用驱动外,国产关键部件的成本优化和批量使用,是实现工业机器人成本竞争的关键途径。因此,要加大研发力度,提升产业创新能力,加快推进关键技术的自主研发。目前,人机融合已经成为工业机器人研发过程中的核心理念,要大力支持人机共融技术的研究,努力突破工业机器人及其相关领域的核心技术难关;积极探索发展面向工业机器人产业的高新技术;提高产学研用的综合发展效率,促进高校科技成果加速转化落地,优势循环,争取在工业机器人核心技术上取得领先地位。

作为全球最大的工业机器人市场,我国工业机器人凭借成本优势成功嵌入全球价值链体系,应抓住当前的发展机遇,选择国内骨干企业以及极具发展潜力的工业机器人企业,进行重点扶持和发展,提高其国际竞争力和影响力,最终实现向全球价值链高端攀升的目标。

(四)无序竞争显现,影响行业健康发展

自《中国制造2025》提出以后,机器人市场就开始处于“狂欢”状态。据统计,2018年涉及工业机器人行业的企业4700多家。目前,国内工业机器人企业大多集中在系统集成领域,且这些企业规模偏小,行业集中度较高,大都集中在汽车、3C电子行业,同质化的竞争使得市场份额受到一定的影响。为抢占市场份额,有牺牲利润换取市场份额的趋势,致使行业竞争过度。另外,各地政府也加码机器人项目,大量资金涌入,“高补贴”“价格战”导致国产企业利润大幅度缩减,进一步导致研发投入的缩减,研发投入的减少又会反过来影响产品的性能和销量,这个循环也是当前众多国产企业生存的难点所在。另一方面,受国内工业机器人市场“低价策略”的影响,进口机器人“量减价滑”的态势或将延续。越来越将重心向中国市场倾斜的国际巨头们也已经开始着手准备降价,其中以川崎最为明显,只有这种大型企业有打价格战的资本,通过大批的出货量来抢占中国市场。

市场前期依靠这种惨烈的低价战略显然对行业的发展是不利的,执行这种低价战略的公司也无法达到投资者的收益要求,只是赔本赚吆喝,随着资本的“冷静”必然会面临严峻考验。近两年,在巨大市场潜力诱惑下,工业机器人企业如雨后春笋拔地而起,新的工业机器人企业不断涌现,但一些企业还未找准产品定位,又缺乏研发能力、不具备检测试验设施、没有或不遵循现有标准便盲目投入、组装生产,在产品质量、可靠性无法保证的情况下,以低价抢占市场,扰乱了正常市场竞争秩序,影响了自主品牌信誉。同时,在产业转型升级的压力下,一些地方纷纷跟风,加之资本市场的追捧,盲目兴建工业机器人产业园区等,造成大量资源浪费,也加剧了不正常竞争,不利于行业健康可持续发展。

要避免无序竞争的显现,一定要学习了解工业机器人产业的发展历史,工业机器人属于传统制造业,公司成长缓慢,需要长时间的技术积累,在资本进入之前,机器人产业在摸索中成长,通过市场的有序竞争,一些真正有技术、有实力的企业得以成长和发展。要保证工业机器人产业的健康发展,可从内因和外因两大方面进行分析。

分析内因,要从企业自身出发,企业要明确自身定位,注重细分市场深耕。

第一,目前工业机器人企业数量众多,市场竞争加剧,企业只有深入分析市场的需求,抓住市场未开垦的需求方向,深入耕耘,在某一领域做到差异化的竞争,发挥企业自身独特的优势,才能赢得未来更好的发展。

第二,企业要加大资金技术投入,推动产业创新。对于工业机器人产业企业而言,在机器人应用上与外资品牌相比一直处于弱势地位,在研发机器人的过程中,除关注其运行效率以外,还应该将焦点放在工艺控制及使用方面,从而提高其操作性和易用性。要提升企业素质水平,扩宽市场营销渠道。针对目前工业机器人市场处于快速增长阶段,而企业产品低端化、同质化现象明显、产品营销模式单一制约了国产机器人产业的可持续发展。企业应结合市场需求,加强与科研院所技术方面的合作,注重产学研用,或与国外行业领先企业技术合作,突破技术瓶颈,研发高端实用的产品,改变传统销售模式,壮大企业自身,最终推动机器人产业的发展。

第三,要注重资金的管理和人才的储备。从2018年开始,中国工业机器人领域的投融资规模出现萎缩,资本趋于理性,机器人企业获取融资的难度加大,由于宏观环境的不确定性依然存在,对于机器人企业而言,资金是企业发展的“弹药”,特殊时期更需要注意储备“弹药”,做好打“持久战”的准备;此外,中国机器人领域的人才缺口较大,目前来看,企业对于人才的渴求较为迫切,通过人才的“选育用留”,是企业长久发展的基础。

另外,为促进我国工业机器人行业的持续健康发展,外界的因素也是至关重要的。

第一,组织开展工业机器人智能制造系统架构、智能硬件等关键技术标准和应用标准的研究工作。着力打造世界级规模的工业机器人产业园区,促进各个企业的共同健康发展。根据产业规模进一步制定实施行业规范管理,加快推进工业机器人产业政策落实,组织开展行业规范管理实施工作,引导政策资源集中集聚,实施工业机器人的规范化,加强重点企业的培育,促进行业治理。同时利用工业机器人的相关行业组织进行行业监督,制定行业标准,完善工业机器人检测认证平台。

第二,国家要积极鼓励工业机器人企业申报专利,加大对优秀模范企业的宣传力度,同时为这些示范企业提供各项政策。要加强专利技术的产业化,以大数据分析为手段建立专利预警体系,瞄准工业机器人关键零部件领域进行专利布局,建立工业机器人专利战略联盟,加大资金扶持力度建立并完善工业机器人产业政策。

第三,政府要加强对工业机器人市场的监管。对工业机器人产业的进口产品、进口技术、产品市场、产品价格等方面进行预警和监控,积极应对产业竞争。同时,针对国外一些公司的区域性、行业性价格施压现象,研究应对措施,防止不正当竞争,规范行业竞争,实现产业健康有序发展。

四、 工业机器人的发展趋势及市场机会

随着国家经济改革的稳步推进,越来越多的工业领域需要提高自动化水平,实现产业升级,工业机器人的应用领域也逐步拓宽。近几年来,我国各省份围绕“机器人”发布了多项产业促进政策,各地政府均加大了对工业机器人的资金投入,纷纷成立产业基金以推动工业机器人相关产业的发展。2018年的政策基调主要是通过设立机器人行业的动态“白名单”,进一步促进并引导机器人产业的健康发展;同时,加大对智能机器人的扶持力度,引导工业机器人向智能化发展。从当前的国家政策以及国内外工业机器人的发展现状分析来看,我国的工业机器人主要有以下发展趋势。

(一)感觉功能

研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能集成模块等。通过将诸多传感器相结合来实现感觉功能,收集复杂的外界环境信息,并给予相应的判断和决策。未来几年,随着人工智能技术的快速发展,人机交互的层次也逐渐加深,研究虚拟现实技术与人机交互环境建模系统。未来机器人不仅能按部就班地完成程序设定的指令,还将拥有自我学习的能力以及与人配合共同作业的能力。除采用传统的传感器外,工业机器人还将多种类型的传感器集于一身,通过传感器之间的协调配合,实现信息采集、信息判断、信息处理、决策控制、智能反馈等,在此情况下,机器人在工业领域的应用将更加广泛。

(二)智能化

目前,美国、日本、德国等工业发达国家已经将工业机器人产业的发展重心转移到实现“智能化”上来,人机协作正在引领机器人产业新趋势。因此,智能化也是我国工业机器人未来发展的重要趋势。随着计算机技术、专家系统技术、智能工程技术等高新技术向智能化方向发展和突破,使得工业机器人的使用体验进一步提升,工业机器人从最初的视觉机器人到力觉传感器的引入,到现在逐渐往人工智能方向发展,从而催生智能机器人的发展,以满足多样化、个性化的需要,并适应多变的非结构环境作业,工业机器人的工作能力将得到突破性的提高和发展。机器人的智能化程度将越来越高,向具备与人共融、自主学习、适应复杂环境等功能的方向发展,人机交互的层次将逐渐加深,特别是随着人工智能技术与机器人技术的深度融合,机器人将具备更高层次思维、学习、决策能力,能够完成更加复杂和具有创造性的任务,持续看好人工智能与机器人的结合应用。

(三)系统应用与集成化

工业机器人系统集成应用可以极大地提高工业生产效率,改善工作的环境,缩短产品改型换代的周期,减少相应的投资设备。工业机器人的发展前景是多种传感器协调配合工作,智能化技术在工业机器人上得以实现集成化应用。因此,结合当前前沿的制造和控制技术,研究工业机器人的系统应用与集成化技术,实现群体协调功能和多机通信协议,开发能理解人的意志的“同事机器人”和以人为核心的生产系统,形成以智能化工业机器人为核心的成线成套自动化制造装备,这将是我国工业机器人发展的重要趋势。另外,国外的专家预测,工业机器人有可能将要走向多智能体系统,而该系统中的“同事机器人”将成为操作人员重要的助手。

(四)安全可靠性

由于可靠性技术贯穿工业机器人设计、制造、测试以及应用的每一个环节,因此建立并完善可靠性保障系统对未来工业机器人的良好发展是至关重要的。对我国工业机器人的应用过程进行分析,工业产品的每个环节都与可靠性保障技术密切相关,这为工业机器人的推广应用提供了技术支撑。另外,由于存在不确定因素和突发状况,当出现错误指令时应该自己进行报警或调试,要保障操作过程中的安全可靠性,工业机器人必须具有出色的自我完善和自我修复的能力,以便及时采取预防对策和安全措施;当元器件损坏时可以自我进行修复,具备人机系统级的自我诊断故障和自我修复功能,才能更好地避免因为突发状况导致的生产停顿。因此,工业机器人的安全可靠性是未来机器人发展的必然趋势。

(五)高精化和微型化

随着人们对产品的质量要求逐步提高,制造业对工业机器人要求逐步提高,开发高精度的工业机器人是必然的发展结果。机器人向微型化发展,从目前的使用性和成本来看,毫米级的机器人最可行。另外,开发毫米级机器人,用于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域也是发展的方向。

(六)网络化和柔性化

简单的网络通信和控制在目前应用的大多数工业机器人得到了实现,但如何使机器人由独立的系统向群体系统发展,远距离操作监控、维护及遥控是目前机器人研究中的热点之一。移动互联网的发展引发了智能终端的爆发式增长。从工厂到家庭,工业机器人作为采集分析数据执行分配任务的核心设备,正在将人与人、人与物、物与物之间通过网络实现全面的互联互通,创造了全新的交互方式,成为人类智慧生产、生活的核心,机器人将逐渐成为物联网的终端和节点。工业机器人发展前景表明,易于操作使用的工业机器人集成到生产过程中比较容易,使其在许多行业中得到部署,以维持高效和灵活的生产。

柔性化制造模式使工业机器人作用更加凸显,随着用户对于产品定制化、个性化需求的不断增长,多品种、小批量生产以及大批量定制成为制造业发展的必然趋势,为了同时提高制造业的柔性和生产效率,使之在保证产品质量的前提下,缩短产品生产周期,降低生产成本,满足市场对新产品越来越快的要求,以工业机器人为核心的柔性制造应运而生且发展迅速,已经成为实现柔性化的基础设备。若继续执行当前发展政策,全球外部因素不对我国工业机器人的发展产生重大干扰,预计最快在2030年,将会出现大规模的工业机器人换人浪潮,届时,中国工业机器人所提供的生产力将会全面超过工人。

(七)应用广泛化和价格廉价化

虽然目前汽车及汽车零部件制造业依旧是首要用户行业,但是光伏行业、橡胶和塑料加工行业的市场将随着机器视觉与传感技术的提升逐步释放,将成为新兴的高速增长行业,机器人应用领域将不断扩展和深化。另外,随着减速机、伺服电机等关键零部件、机器人本体国产化水平的逐步提高,工业机器人的生产成本将会直接降低。同时,市场需求仍快速增长、工业机器人技术进步、竞争日益激烈、产销量逐步增大等因素都将促进工业机器人的价格逐步下降。

随着各项工业机器人及其相关产业的发展规划和行动计划等政策的不断落实,工业机器人趋向智能化发展,并且工业装备换代升级的需求越来越迫切,因此,我国工业机器人的新装机量有望继续保持快速度增长,相关产业规模将会进一步扩大。另外,受到劳动力资源和生产效率等多种因素的综合影响,都将会促使我国工业机器人不断向前发展。在全球地区划分上,由于亚洲地区制造业及其相关产业日趋发达,工业机器人在各项产业中的使用占比日益增大,对于工业机器人的需求量明显增加,工业机器人的主体市场需求也逐渐向亚洲地区转移。在这样的背景下,我国工业机器人市场将会迎来更高的发展速度和更加广阔的发展空间。

与信息技术尤其互联网、人工智能等技术深度融合,更智能、可以跟人进行合作、协作、共融的新一代工业机器人成为行业发展趋势,这为我国工业机器人产业迈向中高端提供了实现路径,比如近几年才出现的能嫁接视觉、语音等人工智能技术的协作机器人,国内外基本处于同一水平。作为工业机器人应用的最大市场,我国可以通过多变复杂的应用环境来不断改善、提升产品性能,从而扩大我国工业机器人的技术优势和产业优势。通过把握工业机器人市场需求量变化及其技术发展特点的规律,抓住发展机遇,实现超越式发展。同时,还要高度关注工业机器人的发展新方向,依据当前市场的发展需求,结合新型高端网络技术研制新一代智能化工业机器人,大力拓展工业机器人的业务能力,争取实现核心技术的突破和革命。

目前,随着我国工业机器人相关技术的不断提升,工业机器人产品的性能也在不断完善。另外,根据市场需求,抓住市场发展的机遇,依托国家工业机器人发展平台和相关优惠政策,我国将会逐步建立起工业机器人及其相关产业创新基地。这对于提升我国工业机器人自主研发水平、提高自主创新能力具有重大的意义,自主研发创新能力的提升也将会进一步提高我国工业机器人的市场竞争力,市场销量将进一步增长。

五、工业机器人重点企业分析

(一)沈阳新松机器人自动化股份有限公司

沈阳新松机器人自动化股份有限公司(以下简称新松)成立于2000年,总部位于沈阳,隶属中国科学院,以机器人独有技术为核心,研发、生产和销售数字化智能制造装备,拥有全线机器人产品的上市企业。新松是国内最大的机器人产业化基地,目前员工人数4513人,其中研发人员2908人,占总人数的64.44%,拥有国家级、企业级和事业部级的三个层面的创新研发平台。

公司形成了以自主核心技术、核心部件、核心产品及行业系统解决方案为一体的全产业价值链,多项产品填补了国内空白,创造了中国机器人产业发展史上88项第一的突破,其中,由于移动机器人的综合性能在国际上处于领先地位,具有明显的竞争优势,已被多家国际知名企业列为重点采购目标;另外,特种机器人也已批量应用在国防重点领域。公司市值近250亿元,是国际上机器人产品线最全厂商之一,也是国内机器人产业的领导企业。

(二)上海新时达机器人有限公司

上海新时达机器人有限公司(以下简称新时达)成立于2014年,总部位于上海市。新时达是拥有自主知识产权和核心技术的高科技企业;目前员工人数2246人,其中研发人员763人,占总人数的33.97%;公司涉及机器人领域的产品主要有多关节工业机器人、SCARA机器人、机器人专用控制器、伺服驱动器及驱控一体机等。新时达机器人在多个应用领域实现了突破,已熟练掌握了多种机械加工工艺,在众多行业推动了示范应用,在相关领域积累了深厚的用户基础和良好的市场信誉,获得了客户广泛认可,已成为中国国产高品质机器人品牌的标杆。

作为国内工业机器人产业布局高度完备的企业,公司采取双轮驱动模式来经营工业机器人及其相关产品方面的业务,以内涵式发展和外延式收购相结合,发挥自身在机器人控制与驱动技术上自主研发的核心优势,同时通过资本并购等方式不断推进产业布局,2018年公司65.84%的利润来自机器人与运动控制类产品。新时达已在国内建立了“关键核心零部件—本体—工程应用—远程信息化”的智能制造业务完整产业链布局,形成了完善的产品基础、齐全的应用平台、自主掌握的机器人控制、驱动与本体设计核心技术等全方位优势。

(三)广东拓斯达科技股份有限公司

广东拓斯达科技股份有限公司(以下简称拓斯达)成立于2007年,总部位于广东东莞。拓斯达专注于成为系统集成、本体制造、软件开发和工业互联网四位一体的智能制造综合服务商;目前员工人数1718人,其中研发人员591人,占总人数的34.4%;公司的工业机器人产品涉及多个种类,如多关节机器人、平面机器人、直角坐标机器人。

拓斯达坚持“让工业制造更美好”的品牌主张,2016年提出打造软件研发、本体设计、集成方案、整厂自动化三位一体的机器人生态圈理念,整合上下游资源,与ABB签订战略合作协议,深入展开合作。2018年公司68.36%的利润来自工业机器人及自动化应用系统产品。拓斯达长期与清华大学、华中科技大学、华南理工大学等知名高校开展产学研合作。截至2018年6月30日,公司已获得授权专利123项,各类软件著作权23项。广东名牌产品2个,广东高新技术产品5项,多项产品通过欧洲CE认证。

(四)埃夫特智能装备股份有限公司

埃夫特智能装备股份有限公司(以下简称埃夫特)成立于2007年,总部位于安徽芜湖。埃夫特通过兼并引进和学习国际优秀工业机器人企业的先进技术和经验,已形成了机器人高端系统集成的全产业链协同发展的格局,成为目前国内工业机器人销售规模前列厂商。

作为专门从事工业机器人的高新技术企业,拥有管理和各类技术人才300余人,埃夫特现已设立上海为研发总部,并在意大利设立智能喷涂机器人研发中心和智能制造机器人应用研发中心;年均研发投入近2000万元,占营收近8%。埃夫特公司先后牵头承担了工信部、科技部、发改委等多个部委机器人项目,参与制定多项机器人相关国家标准。在2018年,埃夫特在加强国内布局的同时,持续开拓海外市场。海外市场方面,已超过7个国家和地区,如印度、南非等。同年,埃夫特集团旗下W.F.C集团中标通用汽车、大众汽车的焊装生产线项目,两个项目的自动化率均在90%以上,集成机器人数量将超过400台。

(五)东莞市李群自动化技术有限公司

东莞市李群自动化技术有限公司(以下简称李群自动化)由机器人专家学者联合创立于2011年,总部位于广东东莞。作为国家级高新技术企业,李群自动化专注于高端工业机器人研发、生产、销售与应用,致力于为客户提供创新的机器人产品、服务与整体解决方案。

李群自动化建有博士后创新实践基地,技术团队专注于机器人技术的研发,核心技术覆盖机器人控制、驱动、视觉等领域。公司2013年研发出全球首台驱控一体并联机器人;2015年独立设计并交付全国第一条全机器人自动化月饼包装生产线;2016年自主研发的SCARA机器人、Delta机器人荣获中国首批机器人产品质量认证;2017年成功推出新一代分布式驱控一体智能机器人控制器。目前公司生产的第一台机器人累计运行时长已超过40000小时。

李群自动化自成立以来,坚持创新发展,形成了“高品质机器人+开放性应用软件平台+个性化智能解决方案”的产品体系,为不同行业用户提供专业的自动化解决方案,促进先进技术与制造业相融合,践行“中国智造”,助力机器人行业新发展。

 

第三章 中国服务机器人产业发展报告

一、服务机器人发展现状

(一)服务机器人的定义及分类标准

IFR对于服务机器人的定义为:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类健康的服务工作,但不包括从事生产的设备。按照国标《机器人与机器人装备 词汇》(GB 12643-2013)和《机器人与机器人装置 词汇》(ISO 8373:2012)定义为:服务机器人是指除工业自动化应用外,能为人类或设备完成有用任务的机器人。

分类上看,IFR等国际机构按应用领域将服务机器人划分为专业服务机器人和个人/家用服务机器人两类。

按照国标《特种机器人分类、符号、标志》(GB/T 36321-2018)的分类,服务机器人分为个人/家用服务机器人、公共服务机器人和特种服务机器人三类。

本报告,按照国标进行分类和分析(见图3.1)。

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3.1 服务机器人的分类

(二)政策现状

自2006年2月国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,将智能服务机器人列入先进制造技术中的前沿技术开始,国家在服务机器人产业规划、专项申报、技术攻关、模式创新、应用创新、标准建设等方面陆续出台了相关政策,为我国服务机器人产业发展提供了强有力的支持和引导,对行业快速、健康发展具有重要的意义,我国近年关于服务机器人的政策文件如表3.1所示。

3.1 我国近年关于服务机器人的政策文件


部门

政策文件

相关内容

国务院

《中国制造2025》

重点发展高档数控机床和机器人

工信部

《“智能机器人”重点专项2017年度项目申报指南》

围绕智能机器人基础前沿技术、新一代机器人、关键共性技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人6个方向,启动42个项目,经费约6亿元

工信部、发改委、财政部

《机器人产业发展规划(2016—2020年)》

到2020年形成较为完善的机器人产业体系;服务机器人年销售收入超过300亿元

工信部、发改委、认监委

《促进机器人产业健康发展的若干意见》

推进服务机器人试点示范,推动服务机器人在助老助残、医疗康复、应急救援、公共服务等领域的应用示范

发改委

《智能机器人关键技术产业化实施方案》

聚焦市场潜力大、产业基础好、外溢效应明显的智能服务机器人领域持续发力,提升特种服务机器人、医疗康复机器人、公共服务机器人、个人服务机器人产品质量和综合竞争力

国务院

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》

将智能机器人列入前沿技术中的先进制造技术

国务院

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》

大力发展服务机器人、手术机器人和军用机器人

国务院

《“十三五”国家科技创新规划》

下一代机器人技术研究,工业机器人实现产业化、服务机器人实现产品化,特种机器人实现批量化应用

工信部

《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018—2020年)》

到2020年,智能家庭服务机器人、智能公共服务机器人实现批量生产及应用,医疗康复、助老助残、消防救灾等机器人实现样机生产

资料来源:中国政府网,http://www.gov.cn/。

(三)行业现状

1.新一代人工智能兴起,迎来PR(Personal Robot)时代

随着新一代信息技术的快速发展,“智能+产业”的深度融合,新一代人工智能技术迎来了高速发展时期,数据、算法和算力达到了新的高度。在此技术背景下,服务机器人的应用场景和服务模式不断拓展,带动市场规模高速增长。服务机器人的发展受以下因素驱动。

刚性需求驱使发展。机器人在未来的工作和生活中将承担越来越多的角色,起到更为重要的作用。据国际数据公司(International Data Corporation,IDC)预测,到2022年年底,全球1%的家庭将至少拥有1台消费机器人。这将推动人们对技术的态度发生转变,并提高工作场所对机器人的接受程度。

简单劳动力不足。随着劳动力价格日趋上涨,以及部分重复性、简单性劳动人类从事意愿较低,如清洁、陪伴、安保等工作,机器人凭借严谨的程序和高忠诚度,充分满足部分简单重复的岗位需求,使得服务机器人有了巨大的市场。

经济水平的提高。随着生活水平和经济水平的不断提升,人们可支配收入逐年增加,开始追求现代化高舒适度的生活,通过购买服务机器人解放劳动,获得更多的时间和更高的生活品质。

科技的不断发展。进入互联网时代,科学技术飞速发展,人工智能、信息化、人机交互以及芯片的发展水平不断提高,机器人能够实现的功能越来越丰富,能够应用的场景越来越丰富,机器人的交互越来越友好,服务更加智能化,能够提供更便捷、更安全、更精确的服务。

社会老龄化加剧。随着全球老龄化的加剧,养老服务、医疗保健、康复治疗以及陪伴陪护的需求也将更加明显。服务机器人能在手术、陪护、康复治疗等领域起到更加重要的作用,服务机器人在“银发经济”(指专门为老年人消费服务的经济形态)上有巨大的发展空间。

2.新兴应用持续涌现,各国政府相继展开战略布局

近年来,随着人口红利的日渐式微,以及制造业转型需求的不断释放,我国机器人产业迎来了快速崛起与发展。围绕着仿生结构、人工智能和人机协作的技术创新,当前国内机器人产品在生产、生活和特殊领域皆获得了广泛应用,同时企业布局与投资并购的活跃、政策引导和红利支持的不断,也推动着产业发展进入新一轮增长期。

如图3.2所示,服务机器人由自动化升级到了机器智能,并逐步迈向人工智能,主要遵循四个发展阶段:从替代低精度的重复劳动,到替代高精度的重复劳动,再到拥有高精度机械运动+高精度感官能力,最后实现高精度机械+感官能力+深度学习+类人脑判断的发展路径。

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3.2 服务机器人发展的三个层次和四个阶段

服务机器人整机性能持续提升,不断催生新兴市场,引起各国政府高度关注。美国提出了《美国机器人发展路线图——从互联网到机器人》,包括服务机器人在内的机器人保持全球的领先地位作为未来重点发展方向。日本提出了《机器人新战略》,涵盖灾害救援机器人、远程机器人等主要方向,计划至2020年实现12万亿日元规模。欧盟启动了全球最大民用机器人研发项目,计划到2020年投入28亿欧元,开发服务机器人产品迅速推向市场。

3.轻量级、柔性化、智能化趋势明显,技术与应用深度融合

目前涉及服务机器人的应用场景,越来越广泛,苛刻的生产、工作和生活环境对机器人的重量、体积和灵活度都提出了更高的要求。全球机器人基础与前沿技术研究进展较为突出,主要体现在新型材料、精准控制、智能传感器、微纳芯片、人机交互等多个方面。大量交叉学科的融合,促进服务机器人的创新发展。

纳米机器人、胶囊机器人、液态金属功能机器人相继问世,轻型化、柔性化的发展趋势将能满足家庭和个人对服务机器人日益增长的功能需求。在智能化方面,认知智能赋能服务机器人实现新的突破,目前正在从感知智能向认知智能加速迈进,数据、算力和算法处于新的高度,服务机器人在深度学习、自然语言理解、情感识别、表情识别、语义理解与认知推理、机器听觉、机器视觉和抗干扰感知识别等方面取得了显著的进步。例如,微软(亚洲)互联网工程院宣布,推出新一代的语音交互技术“全双工语音交互感官”(Full-duplex Voice Sense),并已完成产品化落地。全双工语音交互感官有四项核心技术:边听边想、节奏控制器、声音场景的理解、自然语言理解与生成模型。

在柔性化方面,耶鲁大学的研究人员设计了一种机器人皮肤(Omni Skins),它能够使用带有嵌入式传感器和执行器的弹性片将无生命物体转变为机器人。例如,当放置在可变形物体(如毛绒公仔)上时,皮肤可以根据物体的属性为物体设置动画并执行各种任务,比如运动、抓取和移动物体等,还可以使用一个以上的皮肤来完成更复杂的运动,包括同时压缩和弯曲。该机器人皮肤可以根据用户个人的需要设计不同使用方法。

4.应用下沉,服务机器人产业进一步向各行业深度渗透

随着技术的不断进步,应用场景的不断涌现,服务机器人产品类型更加丰富,加上人工智能、智能传感器、人机交互技术自主性不断提升,服务机器人正在逐步向应用阶段转化。目前,服务机器人市场教育的过渡期已经基本通过,产品更加容易被市场接受,产业由市场渗透率较高的扫地机器人、陪伴机器人等产品向更深层次、多行业延伸,服务领域和服务对象向纵深方向不断拓展,服务能力和服务水平逐渐加强。

在新形势下,服务机器人应用场景进入爆发式增长阶段,延伸到了各个领域,其作为传统行业走向智能化和信息化的载体,通过使用较为先进的新技术、新产品和新模式,创造出了新业态和新动能,提升了传统产业的生产效率,降低了运营成本。再通过深入挖掘需求,解决行业问题,引导产业升级,向社会输出了高层次、高水准、高附加值的生产与生活服务。尤其是随着现代服务业的兴起,服务机器人在四个重要的层次中都有了一定的行业应用。

第一层次是流通部门,包括交通运输业、邮电通信业、物资供销和仓储业,如AGV、客服机器人、迎宾机器人等。

第二个层次是生产和生活服务部门,包括金融业、保险业、居民服务业、旅游业和各类技术服务业等,如旅游讲解机器人、扫地机器人、擦窗机器人等。

第三个层次是提高科学文化水平和居民素质服务的部门,包括教育、文化、科研等,如编程机器人、教育机器人等。

第四个层次是社会公共需要服务的部门,包括国家机关、社会团体以及军队和警察等,如消防机器人、安防机器人等。

目前,服务机器人在公共场景的应用还处于拓展期,未涉及的领域还有很多。同时,在已落地的领域中发展也不够充分,存在技术、标准、价格、实用性和副作用等多方面的问题。

5.结合感知、仿生、智能化等技术,机器人适应性更强

技术发展带动机器人适应性的提升。相对较为传统的遥控式、固定编程式机器人,由于响应时间长、程序固定、人为操作不确定因素等问题,很难在使用过程中快速做出有效判断。而当前随着仿生与生物模型、生物传感等技术的不断进步,特种机器人已逐步实现“感知—决策—行为—反馈”的闭环工作流程,能够应对变得更为复杂与极端的工作环境和条件,其在部分特定的应用场景下,已初步具备自主能力。

在感知层面,研发者赋予了机器人类似于人类的感官感知,如听觉、视觉、嗅觉甚至情感判断等,尤其是在视觉的导航系统方面取得重要突破,拥有激光雷达导航技术的服务机器人不仅可以实现路径规划、避障,还可实现小于10毫米的高精度移动,具有定位精确、路径优化和智能判断的优点。与此同时,包括液态金属控制技术和基于肌电信号的控制技术在内的前沿科技将推动新型材料在机器人领域的使用和普及,刚柔耦合结构和仿生新材料的有机结合,也能够更好地帮助机器人开展力学设计验证、运动控制等,逐步打破传统的机械的多关节的模式,不断提升机器人对环境的适应能力。例如,哈尔滨工业大学焊接与连接国家重点实验室和微纳米技术研究中心的郭斌教授和贺强教授团队成功研制出世界首例具有变形和融合能力的液态金属游动纳米机器人,其研究成果以《可变形、可融合的棒状液态金属游动纳米机器》为题发表在国际期刊《美国化学会纳米》上。

当前,前沿的服务机器人已具备一定水平的自主思考和控制能力,通过综合运用视觉、压力、温度、湿度、气体分析等传感设备,进行内外部数据感知和交互,深入优化软硬件兼容和协作能力,不断获取自身数据以及人工提供数据样本进行自主训练,自身优化算法并提升算法水平。目前,特种服务机器人已能够完成自主定位、自主导航、避障、跟随、语音识别、语义识别、物品识别、场景感知识别、动作识别、行为预测等任务。随着仿生、感知技术的不断开发和应用,机器人对环境的适应性也将增强,未来将在军事、安防、建筑、交通运输、消防、空间探索等众多行业具有广阔的应用前景。

6.多巨头共同发力,产业整合加快

在市场和政策的推动下,中国机器人产业快速发展,更多的龙头企业加入机器人的行业。中国作为全球最大的机器人生产和应用市场,机器人产业整合持续推进,龙头企业纷纷布局。

2018年3月,猎豹集团在北京水立方发布了猎豹旗下5款机器人,包括接待机器人、零售机器人、儿童陪伴机器人以及AI音响,涉及多个应用领域。

2018年5月,科沃斯作为国内领先的家用机器人厂商,成功以“服务机器人第一股”顺利上市,对于服务机器人市场的企业来说,无疑是最好的鼓励。

2018年9月,顺德政府与碧桂园集团旗下公司广东博智林机器人公司签订协议,计划投入800亿元以推动机器人在建筑、社区、生活等方面的广泛应用,并计划打造集实验、研发、生产、教育为一体的“机器人谷”。

2018年9月,京东集团和新时达签订战略合作框架协议,双方将利用各自优势在智能物流行业进行战略合作,加速智能物流设备和服务类机器人的落地应用,重点应用在仓库分拣、搬运、存放,以及运输、快递等领域。

7.国内产业链相对完善,产业基础较好,市场等待进一步挖掘

服务机器人产业链上游是元器件厂商,包括芯片、舵机、激光雷达等,这些厂商是典型的技术驱动型,如果中下游出现快速爆发,则产能可能成为制约因素;中游包括语音提供商和图像提供商,这个板块相对独立,数据和算法是其核心竞争力,中游产品板块包括从设计、加工一直到营销,品牌、渠道和产能是其核心壁垒,如果做产品的公司能够通过操作系统建立起生态圈,将成为其重要壁垒,中游的语音图像板块和做产品的板块通过虚拟和实体向下游各个场景的消费和流通环节进行渗透,各个场景按照产业化的难易程度进行产品的迭代放量,成为中上游的强力引擎。得益于国内元器件、集成电路和IT行业的良好基础,服务机器人产业链相对完整,服务机器人产业链条如图3.3所示。

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3.3 服务机器人产业链条

当强大的消费需求驱动行业变革时,必然会带动技术的快速提升和成本的不断下降,服务机器人作为市场化产品,具备市场确定价格和价值的特点,通过需求驱动市场,并从具体的应用场景确定产品种类和应用水平。

决定服务机器人的需求强弱在于两点:使用频次高低、是否刚性需求。需求越强、使用频次越高的服务机器人,市场前景越广阔。目前产业化高频需求带动最成熟的是客服机器人和扫地机器人;刚性需求推动发展迅速的是陪护机器人和早教机器人;其他机器人由于频次和需求均表现不是很突出,所以在产业化中需求不明确。服务机器人需求和频率分析如图3.4所示。

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3.4 服务机器人需求与频率分析

服务机器人需求场景根据市场化程度,可分为三类:需求升级类、需求满足类和需求探索类。原有需求升级是市场已经相对成熟,大众接受程度较高,需求比较明确,如扫地机器人、早教机器人等。现有需求满足是根据市场规则决定,由于机器人采购成本低于人工成本而选择服务机器人,或者机器人相对人工存在较大优势的领域,包括智能客服和康复机器人等。未知需求探索是站在未来的角度进行思考,以未来的生活方式、社会和经济条件来挖掘潜在的需求,如管家机器人等。整体来看,服务机器人市场个别领域已经全面打开,部分机器人应用成熟且范围较广,整体市场的需求存量较大,亟待深入挖掘。

8.行业投资活力持续,金融市场热度不减

2018年服务机器人领域投资热度不减,服务机器人及其上下游仍是投资热点,行业投资热情持续升温。据不完全统计,2018服务机器人领域企业投融资超过80次。2018年中国服务机器人产业主要的融资项目见表3.2。

3.2 2018年中国服务机器人产业重要融资企业

时间

被投企业

投资金额

投资内容

1月10日

进化动力

3亿元

北极光创投、菜鸟网络、中科创达等单位参与了投资

2月9日

臻迪科技

1.5亿元

水下机器人获得定增1.5亿元,由圣康控股增加。

2月28日

蓝胖子机器人

完成数千万美元A+轮融资

4月9日

艾瑞思机器人

旷视科技全资收购艾瑞思机器人

5月10日

优必选

8.2亿美元

投资方包括腾讯、工商银行、海尔、民生证券等单位

6月20日

寒武纪

25亿美元

B轮融资,国投、国新、阿里巴巴、联想参与了投资

6月20日

思必驰

5亿元

D轮融资,元禾控股、中国民生投资集团领投

6月29日

图灵机器人

3.5亿元

B+轮融资,威盛电子、江南化工、前海梧桐等单位参与了投资

7月11日

深之蓝

2.5亿元

B轮+Pre-B轮融资,由源星资本、山水投资、广东旅控集团朗玛峰等创投参与了投资

7月16日

天智航医疗科技

4亿元

获投新三板定增融资,本轮融资资本方分别为先进制造产业投资基金,京津冀产业协同发展投资基金

11月21日

Geek++(极智嘉)

1.5亿美元

B轮融资

11月22日

快仓机器人

C轮融资,联创永宣、海富产业基金

资料来源:笔者根据公开资料整理。

9.医疗机器人领域持续发力,寻求应用突破

据IFR数据,2018年中国医疗机器人在我国服务机器人行业的占比约20.32%。除政策利好外,融资浪潮兴起,医疗机器人产业伫立在投资风口,众多医疗科技巨头纷纷布局医疗机器人。随着资本热潮的袭来,更多企业有了资金加持,产业将以更快速度发展。从最新的融资事件汇总来看,以华志医疗和安翰光电为代表的先进医疗机器人企业分别得到了两轮融资,投资布局医疗健康以及硬件领域。

医疗机器人领域,形成了良好的产业链生态,在医疗知识层级各种医疗知识被充分运用,利用图像识别、姿态识别、三维重建等相关技术让知识有了技术依托,同时在数据层的发展较为快速,以各种渠道来源的医疗基础数据被采集,形成了全球最大的医疗大数据资源池,为应用层提供了良好的科学基础。医疗机器人产业链如图3.5所示。

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3.5 医疗机器人产业链

相比全球,我国医疗机器人发展起步较晚,2014年,我国开始出现机器人外科手术热潮,在政策利好、老龄化加剧、资本助力和产业化发展提速等综合因素影响下,中国医疗机器人市场高速发展。

据IFR数据,截止到2018年底,我国医疗机器人市场规模达到了5.1亿美元,随着国内技术的提升及智慧医疗和数字医疗的发展,预计至2020年,国内医疗机器人市场规模将达到10亿美元。

如图3.6所示,2018年在我国医疗机器人市场中,康复机器人占比最大,为41%;辅助机器人、手术机器人占比相差不大,分别为17%、16%。

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3.6 2018年中国医疗机器人类型及占比

作为机器人技术与医工技术结合的产物,康复机器人已经被广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面,并受到市场欢迎。而且随着康复医疗产业规模不断扩大,康复机器人市场将显著受益,未来发展潜力巨大。

近年来,中国企业在医疗机器人技术领域的投入及取得成果显著。一些医疗机器人的代表企业旗下的手术机器人已经进入研发阶段或临床试验阶段。作为我国工业技术高校的哈尔滨工业大学已经成为中国医疗机器人创业者的摇篮,国内有36家医疗机器人的代表性企业中有超过28%的公司创始人曾在哈尔滨工业大学就读。良好的科研基础和研发实力使得医疗机器人行业实现真正的突破。

10.教育机器人B端市场良好,C端市场启动缓慢

教育机器人是以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人,其具有可根据用户需求自由拆卸/设计/组合模块部件、编写程序的特点,教育机器人的人机交互界面/材质/造型设计等充分适用于用户心理及生理发展特征,其对于促进中小学信息技术课程体系进步与机器人教学普及发展有着重要作用,能够有效提高学生的信息技术能力和在数字时代的竞争力,具有较大的教育价值和良好的市场前景。

相关数据显示,截至2017年底,已有超过200家机器人企业进驻编程教育赛道之中,近一半企业涉及机器人教育。同时在2018年,机器人教育的融资金额达到了6亿至7亿元,国内市场发展相对火爆,由于行业发展仍在初期阶段,这些企业的融资轮次多集中在A轮或A轮以前,目前仅有寓乐湾和Makeblock两家公司进入了C轮。

而在消费市场之上,目前全国已有约8000家机器人培训机构,致力于编程机器人的课程培训和教育,此外国内不少中小学也相继开展了编程相关课程,积极组织学生参与机器人竞赛,编程教育的消费需求也快速增长。

不管是供给端的入驻与加码还是需求端的释放与爆发,都离不开政策的积极鼓励。从2015年教育部文件开始提出跨学科学习科学、技术、工程和数学教育(Science,Technology,Engineering,Mathematics,STEM)教育概念,到2017年国务院发布《新一代人工智能发展规划》,提出推广编程教育。正是有了政策的支持和引导,才有了编程机器人的崛起与爆发。在政策的作用下,国内以能力风暴、优必选、小米、寒武纪等为代表的一批企业,迎来了发力期,他们将生产的编程机器人产品与中小学、课外培训机构等合作,快速打开了市场销路,并带动了编程教育形式和内容的持续升级。

但由于当前编程教育的产品销路普遍为学校或培训机构,市场消费主要集中在企业端,业界认为市场真正的爆发点还未到来,他们一致认为,企业端虽然为当前市场发展提供了帮助,可市场终归拥有规模天花板,未来面向消费端的市场将拥有更大潜力。

目前在消费端的表现上,我国发展基本还属于空白。相关数据显示,我国少儿编程教育的渗透率仅为0.96%,美国却已接近45%,两者由于消费端市场影响的不同,发展成熟度上差距明显。

编程机器人在C端的应用问题主要表现在:其一是受企业技术水平影响,国内产品价格过高,难以进入消费端;其二是编程机器人属于新兴事物,大部分消费群体还没有成熟的认知度和消费理念,进入消费端缺少人群需求支撑;其三是编程机器人使用复杂且枯燥,普通家长无法帮助到孩子学习,实用性门槛过高阻碍了消费端的应用。

实际上,消费端市场的难以启动,一方面与企业自身定位和技术实力有关,另一方面与供需双方价值信息传递的不到位有关。未来,如何降低产品使用门槛,如何降低产品价格,以及如何寓教于乐、加强父母与孩子的认同感,将是从业者需要考虑的重要问题。

因为面向不同的市场群体,企业发展的要求也有所不同,比如企业端的产品由于供学校、竞赛和培训机构使用,需要更加专业、严肃与详细,技术水平需求更高;消费端则更注重教育娱乐化、实用简易性以及价格的低廉。其次是要借助创新,积极推动产品玩法的深化。现阶段产品内容和玩法过于单一,新鲜感过后消费者将充满枯燥感,这对于消费端市场开发极度不利。未来将消费群体的需求意见结合到产品研发之上,同时通过创新竞赛来普及认知度和增加可玩性,将是良好的发展闭环。

目前,国内一线城市机器人培训机构已经基本部署完成并且已经开始向二线城市渗透,三、四线城市仍然是蓝海市场。

11.无人机及水下机器人等领域产品技术领跑全球,部分关键核心技术得到突破

我国政府高度重视特种服务机器人技术研究与开发,在政策引导、龙头企业及研究机构的带动下,部分特种服务机器人技术达到世界先进水平。

我国自主深海水下机器人取得突破。通过国家863计划、深海关键技术与装备、特殊服役环境下作业机器人关键技术等重点专项的支持,深海水下机器人开展了大规模的航次适用,下潜深度屡次刷新国际纪录,在深海资源调查当中发挥了重要的作用。我国先后攻克了深海高精度导航、动力定位、自主控制技术、深水数据链通信技术等多项核心技术,使深海水下机器人成为我国建设海洋强国的有力抓手之一。例如,中国科学院沈阳自动化所自主研制的“海星6000”有缆遥控水下机器人最大下潜深度突破6000米,并完成水下海底航行观察、生物调查、海底特征表层沉积聚成物获取、泥样和水样采集、模拟黑匣子搜索打捞、标示物放置等科研考察任务,创我国有缆遥控水下机器人(ROV)最大下潜深度纪录。

我国搜救/排爆机器人等产品研制取得新进展,并在某些领域取得一定优势。我国搜救机器人、排爆机器人和消防机器人的应用相对成熟,突破了高精度定位导航、自主避障、室内精准定位等技术。例如,中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的消防搜救机器人,可应用在严苛工况,具有耐高温、高防水、高机动性、抗干扰、攀爬楼梯的功能,能够精准地对现场情况进行侦查,协助被救人员规划撤离路线并实施救援。

打造无人机生态系统,拓展无人机行业应用布局。现阶段,大疆、亿航、极飞、昊翔等国内优秀无人机企业在国际家用市场取得了较为丰硕的成果,并逐渐布局应用在测绘、巡检、农业、物流、交通、旅游等垂直行业,龙头企业已着手打造无人机生态系统,定制化研发满足不同行业的无人机产品,拓展市场布局。例如,我国无人机领军企业大疆,发布了MG-1S农业植保系列无人机和经纬M600无人机,以拓展大疆无人机在安防、农业、渔业、林业、农业等领域的应用。

(四)技术现状

服务机器人产业链主要包括核心零部件、软件与操作系统以及整机制造与应用服务。

1.核心零部件实现初步突破,取得阶段性成果

核心零部件及技术主要包括导航定位技术、传感交互技术、芯片、减速器以及一些其他零部件,国外厂商在核心零部件领域占据先发优势,国内企业在AI芯片、激光雷达传感器新兴技术领域寻求突破,目前已取得阶段性成果。

随着核心零部件的国产化进度加强,部分产品成本有一定的降低。以激光雷达为例,部分产品价格已降低至百元级别,打破了我国激光雷达长期被国外垄断的现象。

2.智能传感器面世,应用拥有更大纵深空间

作为信息技术基础之一的传感器,如今已经融入了我们的生产与生活之中,传感器的存在和发展,让服务机器人有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。传感器作为仪器仪表行业的重要组成部分,应用的领域也非常广阔,传感器的核心元件包括热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件十大类。

随着市场的需要,多种类型和用途的传感器也都被研发出来,且传感器朝着精度高、体积更小、测量范围更宽、价格要求更低发展。

从国际到国内市场来看,目前智能传感器的发展都处于快速上升态势,未来一段时间内将是市场发展的主流,让其成为各国经济发展的先导性、战略性产业之一。其中,传感器在机器人产业中的应用受到了以美国和日本为主的大部分国家的关注,在这些先进国家的带动作用下,全球掀起了一股“智能传感器”发展的热潮。机器人为传感器的发展提供了良好落地场景和更高要求。随着机器人产业的发展壮大,一方面传感器应用需求迎来快速增长,传感器的研发生产获得进一步加快;另一方面,机器人给传感器的升级带来了功能、种类和技术方面的新要求,促进着传感器产业的转型与升级。

3.人工智能引领国内服务机器人综合水平的提高,人机进行多模化交互

国内企业在人工智能的技术浪潮中保持了国际领先地位,语音/图像识别、语义理解、云计算、大数据等技术加速了服务机器人的发展,主要企业有科大讯飞、阿里云、华为等。在软件与操作系统中主要是技术模块、系统集成、导航以及语音服务等。系统集成以及技术支持主要是在云计算、大数据、人工智能等方面加速服务机器人智能化进程。

强调与人的良好交互性是家用服务机器人的显著特征。为了实现自然、高效的人机交互,家用服务机器人的设计者引入了多种新型的人机交互方式。根据所采用的交互通道的不同,可以把目前应用到家用服务机器人上的人机交互方式分为五大类:基于视觉、基于听觉、基于触觉、基于嗅觉以及其他(见表3.3)。值得注意的是,家用服务机器人与用户之间的交互正呈现出多模化的趋势,即机器人与用户同时利用多种而不是单一的交互通道进行交互。

3.3 机器人交互通道

交互通道

示例

基于视觉

手势识别

表情识别

身体运动识别(跌倒、跑动、跳动等)

人的检测、锁定与跟随

图像显示(显示机器人表情或用户需求信息)

物体识别(物体种类、性质、体积等)

基于听觉

语音识别

语义理解

非语音识别(如哭泣、笑声、尖叫、开门声、走路声等)

语音输出、文字朗读、歌曲播放、铃声提醒等

基于触觉

触屏

触摸感应(传感器、机器人皮肤等)

基于嗅觉

危险气体检测(PM2.5、一氧化碳、氮化物、硫化物等)

其他

脑电波感应交互等

资料来源:笔者根据公开资料整理。


4.成熟市场反向推动技术革新

与国外市场相比,我国个人/家用服务机器人市场普及率较低,关键核心技术与国外相比还存在一定差距,仍处于市场探索阶段。在扫地机器人方面,我国已经实现产业化和规模量产,科沃斯、小米等已经成为该领域龙头企业。其中,科沃斯以48.8%的高份额统领着扫地机器人市场,同时科沃斯也是中国服务机器人第一股,市场竞争力较强。

扫地机器人市场的成熟,用户的需求和市场的反馈进一步推动企业升级和探索,从应用端推动供给端的技术革新。

5.5G技术初步探索,取得良好测试效果

随着5G时代的来临,大多数人认为5G的噱头主要是在网速上。然而,5G基于数据收集、存储、处理等优势上,已成为机器学习、人工智能等高新技术中最关键的技术之一。5G的主要两大功能是低时延、云智能,这两大功能将决定机器人业务分布的部署情况,尤其是户外工作的机器人。

随着华为、中兴等国产厂家相继发布5G,5G将是完成机器人低延迟,甚至即时通信的颠覆性技术。从长远的角度来说,5G将成为机器人与研究人员的主要交流方式之一,而5G将给机器人产业带来效率和精度的大幅度提升。

以AGV移动机器人举例:首先是高效性,5G网络将是4G网络运行速率的20倍,将会大大改善AGV接收信息等端对端的时延性问题;其次是牢靠性,目前的AGV在工作调度时,基本是依赖WiFi,其存在信号易被干扰等问题,而5G凭借信号稳定性将大幅提高AGV的连接可靠性;最后是柔性和多端口,5G可以连接上万台设备,其传输间隔可达10千米,AGV能通过5G获取更多的数据进行分析,然后得出更加可靠的结果。

(五)标准现状

截止到2018年12月,国家共发布机器人相关标准规范95项,服务机器人相关标准49项,占比为51.8%,具体标准详情如表3.4所示。

3.4 服务机器人领域部分国家标准及通用标准

序号

标准名称

标准号/计划号

对应国际标准号

1

信息技术设备 安全 第一部分:通用要求

GB 4943.1-2011

IEC 60950-1:2005

2

机械电气安全 机械电气设备第一部分:通用技术条件

GB 5226.1-2008

IEC60204-1:2005

3

机械安全 设计通则 风险评估与风险减少

GB/T 15706-2012

ISO 12100:2010

4

电磁兼容通用标准 居住、商业和轻工业环境中的抗干扰度实验

GB/T 17799.1-2017

IEC 61000-6-1:2005

5

电磁兼容通用标准 工业环境的抗干扰度实验

GB/T 17799.2-2003

IEC 61000-6-2:1999

6

电磁兼容通用标准 居住、商业和轻工业环境中的发射

GB/T 17799.3-2012

IEC 61000-6-3:2011

7

电磁兼容通用标准 工业环境中的发射

GB/T 17799.4-2012

IEC 61000-6-3:2011

8

电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全 第3部分:软件要求

GB/T 20438.3-2006

IEC 61508-3:1998

9

自动引导车 通用技术条件

GB/T 20721-2006

10

石油天然气工业 水下生产系统的设计和操作 第8部分:水下生产系统的水下机器人(ROV)接口

GB/T 21412.8-2010

11

电气设备安全设计导则

GB/T 25295-2010

12

机器人通信总线协议

GB/T 29825-2013

13

自动导引车(AGV)设计通则

GB/T 30029-2013

14

自动导引车(AGV)术语

GB/T 30030-2013

15

机器人用谐波齿轮减速器

GB/T 30819-2014

16

机器人控制器开放式通信接口规范

GB/T 32197-2015

17

服务机器人模块化设计总则

GB/T 33261-2016

18

机器人软件功能组件设计规范

GB/T 33263-2016

19

面向多核处理器的机器人实时操作系统应用框架

GB/T 33264-2016

20

教育机器人的安全要求

GB/T 33265-2016

21

模块化机器人高速通用通信总线性能

GB/T 33266-2016

22

机器人仿真开发环境接口

GB/T 33267-2016

23

智能传感器 第3部分:术语

GB/T 33905.3-2017

24

智能传感器 第4部分:性能评定方法

GB/T 33905.4-2017

25

物联网总体技术 智能传感器接口规范

GB/T 34668-2017

26

物联网总体技术 智能传感器特性与分类

GB/T 34069-2017

27

物联网总体技术 智能传感器可靠性设计方法与评审

GB/T 34071-2017

28

家用干式清洁机器人性能测试方法

GB/T 34454-2017

29

电动平衡车通用技术条件

GB/T 34667-2017

30

电动平衡车安全要求及测试方法

GB/T 34668-2017

31

可靠性试验 第1部分:试验条件和统计检验原理

GB/T 5080.1-2012

IEC 660300-2-5:2001

32

信息技术词汇第28部分:人工智能基本概念与专家系统

GB/T25271.28-2006

ISO/IEC 2382-28:1995

33

信息技术 词汇 第29部分:人工智能语音识别与合成

GB/T25271.29-2006

ISO/IEC 2382-29:1999

34

信息技术 词汇 第31部分:人工智能机器学习

GB/T 5271.34-2006

ISO/IEC 2382-31:1997

35

信息技术 词汇 第34部分:人工智能神经网络

GB/T25271.34-2006

ISO/IEC 2328-34:1999

36

系统可靠性分析技术 失效模式和影响分析(FMEA)

GB/T 7826-2015

IEC 60812:2006

37

机器人设计平台系统集成体系结构

GB/T 35116-2017

38

机器人设计平台集成数据交换规范

GB/T 35127-2017

39

机器人模块化机构类功能构建通用规范

GB/T 35114-2017

40

机器人与机器人装备 协作机器人

GB/T 36008-2018

ISO/TS 15066:2016

41

机器人与机器人装备 个人助理机器人的安全要求

GB/T 36530-2018

ISO 13482:2014

42

锄草机器人通用技术条件

GB/T 36007-2018

43

锄草机器人性能规范及其试验方法

GB/T 36012-2018

44

锄草机器人安全要求

GB/T 36013-2018

45

特种机器人 分类、符号、标志

GB/T 36321-2018

46

特种机器人术语

GB/T 36239-2018

47

控制与通信网络 Safety-over-EtherCAT规范

GB/T 36006-2018

48

智能客服语义库技术要求

GB/T 36339-2018

49

信息技术 智能语音交互系统 第3部分:智能客服

GB/T 36464.3-2018

资料来源:原国家标准化管理委员会。


国标立项17项,其中服务机器人立项标准11项,占比64.7%,包括AGV、特种服务机器人等领域,具体标准详情如表3.5所示。

表3.5 服务机器人国家标准立项情况

标准名称

立项时间

自动导引车(AGV)在危险生产环境应用的安全规范

2017年

地面废墟搜救机器人通用技术条件

2017年

服务机器人功能安全评估方法

2017年

服务机器人电磁兼容通用标准抗扰度要求和限值

2017年

服务机器人电磁兼容通用标准发射要求和限值

2017年

机器人噪声试验方法和限值

2017年

服务机器人机械安全评估与测试方法

2018年

服务机器人电气安全测试方法

2018年

电力机器人术语

2018年

电动平衡车电磁兼容通用标准发射和抗扰度要求

2018年

医疗服务机器人自治程度指导与说明

2018年

资料来源:国家机器人标准化总体组。


二、服务机器人的市场规模

(一)全球服务机器人市场规模保持快速增长

IFR数据显示,2018年全球服务机器人市场销售额为130亿美元(见图3.7),其中,家用服务机器人、公共服务机器人、特种机器人市场规模分别为44.8亿美元、22.3亿美元和62.9亿美元(包含医疗机器人25.4亿美元),特种机器人市场销售额占比最高。

图片关键词

3.7 2013~2018年全球服务机器人销售额及增长率

(二)中国服务机器人发展增速高于全球增速

据IFR数据,2018年我国服务机器人市场销售额为25.1亿美元(见图3.8),其中,家用服务机器人、公共服务机器人和特种机器人市场规模分别为8.9亿美元、4.4亿美元和11.8亿美元(包含医疗机器人5.1亿美元),特种机器人市场增速相对领先。

图片关键词

3.8 2013~2018年中国服务机器人销售额及增长率

三、服务机器人的现存问题及对策建议

(一)服务机器人产业发展“小散弱”

前瞻产业研究院数据显示,2017年中国机器人企业注册数量增长率较2016年减少15个百分点。一方面受经济下行压力大的影响;另一方面,标志着机器人产业市场发展逐渐回归理性,开始由高速发展向高质量方向发展。2018年国产机器人整体销量增速回落,在经济贸易全球化的今天,中国开放的力度越来越大,国内外竞争也会随之加剧,在市场角逐的过程中机器人产业总体正在走向成熟。

截止到2018年12月,国内服务机器人厂家有3000余家,拥有全球最大的服务机器人生产和应用市场。随着国家发布一系列支持服务机器人产业发展的政策后,国内服务机器人企业追求热点、一拥而上,产业的发展缺乏整体引导且违背了市场一般发展规律,最后导致机器人产品类型的严重雷同,政府在产业发展方面的政策导向在业界的解读中,政策红利是业界最为关注的话题,即公共资源与补贴,部分企业以政策红利生存,也终将因政策红利的结束而消亡。

从服务机器人产业整体上来看,服务机器人制造企业整体体量较小,产品线的丰富程度相对于国外发达国家较弱,企业分布相对较为分散,产品应用场景相对较少,产品技术水平相对较低,产品同质化严重。

韩国产业通商资源部和光云大学联合发布的《机器人产业竞争力调查》资料显示,在服务机器人领域中国凭借价格竞争力迅速崛起,这也正说明了产业的附加值相对较低。由于标准规范不够完善,产品检验验证和对质量的把控不足,企业对设计和研发的不重视等多方面原因,大部分服务机器人产品缺少行业竞争力,在细分领域的研究程度不足,技术空心化、应用低端化、市场边缘化。整体上来看,中国在服务机器人中高端领域落后于日本、美国、德国和韩国。

(二)仍存在技术壁垒,需要打破长期依赖进口的局面

随着社会智能化程度的不断提高,服务机器人的应用场景日益多样,工作环境日益复杂,与人类的协作互动更为频繁,且逐步从单一任务向多任务的功能阶段过渡,由普通控制向复杂控制演变,由单模式识别向多模式识别进步,由自动化向智能化发展,服务机器人整体上对环境和事物识别、感知、反应能力的要求也不断提高。

从服务机器人的核心组成部分上来看,有底层的硬件:芯片、传感器(包括激光雷达)、存储器、电池模组、电源模组等。技术支撑系统:操作系统[机器人操作系统ROS(Robot Operating System)、Linux、安卓、图灵机器人等]、体感技术、接口及协议、人机界面、语音识别、模糊控制、图像识别、语义分析等。在操作系统的生态内形成各种机器人应用开发,如基于机器人操作系统的管理控制APP、机器人可选择性功能APP等。

整个服务机器人的产品核心建立在三大核心技术模块:芯片技术、感知技术及人工智能。

1.芯片技术:补齐通用芯片短板,寻求AI芯片重点突破

目前,服务机器人芯片分为通用芯片和AI芯片。大部分服务机器人使用通用芯片。通用芯片是中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)三种芯片的统称。三种通用芯片各具特点,CPU具有较高的主频和数据调取能力,核处理数较小,且运算能力弱。GPU核处理数最多,擅长浮点计算和并行计算。FPGA具有较强的并行计算能力和数据调取能力,而且功耗低,但造价相对较高。现阶段大部分的通用芯片被国外芯片厂商垄断,如英特尔、亚马逊、高通等企业。受中美贸易摩擦影响,研发自主可控的通用芯片,掌握核心芯片技术,对于国家和个人的信息安全有着重要意义。

在AI芯片方面,中国具有一定的后发优势,中国拥有全球最多数量的人工智能专利,同时拥有一批高素质高水准的人工智能科研人员。如何利用人工智能的后发优势提升AI芯片的研发与应用是目前较为紧要的工作。目前,寒武纪、百度、地平线机器人等企业和研究机构研发出了基于深度神经网络的专用AI芯片,将在未来广泛应用在智能机器人、智能驾驶等领域。未来用户对体验要求会越来越高,复杂场景应用会越来越多,AI芯片的应用空间广阔,重点突破AI芯片技术和研发生产能力对于布局未来国内及国外市场至关重要,AI芯片将成为下阶段体现和提升服务机器人性能与水平的最重要的核心。

2.感知技术:感知融合是趋势,广度和精度有待突破

感知技术是机器人探知外界环境和人机互动的基础,通过激光雷达、温湿度传感器、超声波传感器、距离传感器、毫米波雷达、陀螺仪、摄像头、GPS等,相当于人的眼、耳、鼻等感官。传感器各具特征,各自有所侧重,一般在复杂系统中组合使用,各传感器较大的体积以及传感器之间的互相干扰,为传感器的融合、数据之间的互联互通互相验证和测算制造了麻烦。

同时,目前已知的传感器类型有近2万种,测量的广度和精度各不相同,随着人们对机器人的功能要求逐渐提高,机器人感知精度和适应性需要做进一步突破,例如部分特种机器人、手术机器人对于精度要求极高,要求传感器具有更高的精度和灵敏度。部分搜救机器人在搜救任务中需要提升更大的搜救范围,对传感器的要求也更加严苛。在价格方面,传感器的价格仍有很大的改善空间,尤其是在服务机器人常用的激光雷达方面,需要进一步提高国产化率,降低行业价格。目前,国内研发生产激光雷达的公司主要有:巨星科技(包括华达科捷和欧镭激光)、北醒光子、镭神智能和思岚科技。

3.人工智能:进一步增强交互和运控能力

AI技术包含交互和运动控制两大内容。在AI交互方面,正在利用AI技术使服务机器人像人类一样思考,模拟人类的思维模式。在机器人接收外界信息后,能够以与人类智能相似的方式理解语义并且能够模仿人类的思维模式做出反应,以存储、训练为基础进行深度学习,建立机器人的自我意识,与用户进行语音、人机界面等形式进行交流,消除人机交互带来的机械感。机器人能够通过感知系统了解周围环境情况,识别交流对象,并且建立一个相对开放的交流场景,增强机器人感知、收集外界信息和个性化处理的能力。

目前智能机器人领域的人机交互技术主要包括图像识别、语音识别、语义理解、体感及手势交互等。语音识别相对成熟,但语义理解技术目前尚不成熟,中文在断字、消歧方面存在一定难度。自然语言处理(Natural Language Processing,NLP),词法和句法基本解决,语义目前仅是浅层处理。图像识别方面,以旷视、商汤、云从科技为代表的机器视觉公司,能够在检测、识别、分析、3D结构识别技术等方面做到较高准确率,但是在视觉信息深度挖掘和信息反馈方面仍需进一步突破。另外,需要加强手势和体感交互,手势和体感是未来人机交互的重点内容之一,体感技术主要通过3D视觉设备感知人体的动作、运动轨迹和环境信息,如何降低操控和人机交流的复杂程度是体感和手势交互的重点。

运动管控方面,复杂机器人的运动控制,一直阻挡机器人产业发展,亟须突破。运动控制需要掌握即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)技术,SLAM包括感知、定位和建图三个核心要素,能够实现即时定位与地图构建,机器人在自身位置不确定的条件下,使用激光雷达等传感设备在完全未知环境中不断获取数据进行建模,以机器人为中心创建虚拟地图,同时能够利用创建的虚拟地图进行自主定位导航。自主定位导航的应用范围较为广泛,主要包括安全巡逻、现场救援、智能仓储、餐厅送餐、指引引导、病床看护等。对机器人的运控而言,对应的技术问题是建立环境地图,标记机器人在地图中的当前坐标,目标点与地图坐标的匹配,自主导航算法、实时定位和环境检测。

(三)人才短缺

根据工信部、教育部和人社部的预测,机器人产业的人才需求缺口到2020年会达到300万,而到2025年会达到450万,供求比例仅为1:10。在我国机器人市场以20%~30%的年均增长率快速壮大、服务机器人企业数量增长迅猛、服务机器人生产与应用与日俱增的情况下,产业发展所需的人才供给已经出现短缺,且缺口正在不断扩大。服务机器人产业需要大批具有软硬件开发、产品设计、行业应用、运行维护的高素质复合型人才。服务机器人开发和生产性企业,也需要大批具有前沿知识储备,同时对用户需求和应用场景有深入了解,并经验丰富的市场营销人才。

专业人才缺乏问题按照机器设计、制造、应用、维护等方面的细分,人才缺乏并不能笼统地概括,需要进一步明确国内产业所缺乏的人才类型。目前按照工作岗位和内容划分,机器人制造人才、机器人设计和系统软件开发、机器人应用与维修人才较为缺乏。生产制造人才的缺失导致机器人三大核心部件瓶颈难以突破;系统集成人才的不足导致工业机器人产业改造缓慢,发展迟迟难以成熟;应用人才的匮乏导致服务机器人操作、使用、布置、维修和应用受到限制,服务机器人用量增长困难。

总而言之,三类人才的短缺、人才的不匹配,以及人才质量的不高,是制约我国服务机器人进一步发展的主要问题。这些问题如果得不到重视和有效解决,将极有可能致使产业发展面临畸形甚至提前萎缩的风险,甚至对产业发展带来毁灭性打击。

未来三大主体需发力,面对人才问题带来的严峻发展形势和未来影响,我国需要发挥政府、企业和高校三大主体的力量,通过产学研用政金的有机结合,共同推动人才矛盾的有效解决。

从政府方面来看,要对人才问题给予高度的重视和关注,并将人才问题的解决上升到政策层面上来,通过政策对人才培养的鼓励、支持和引导,为产业人才发展指明方向,为产业人才培养保驾护航。

从企业方面来看,要加强与国内高校、科研机构和国外企业合作,通过人才引进和联合培养增强人才队伍建设实力。

高校方面要紧跟国内外发展趋势,响应市场发展需求和国家政策号召,与企业进行融合交流,加快深化相关专业开设,按照未来需求,定向培养三类不同人才,同时形成培养与实践相结合,让高校人才在企业实践中获得技能的检验和提升。

在未来的人才发展战略当中,只要我国能在人才引进、高校教育以及校企合作人才培养等方面加以重视,形成成熟体系,我国服务机器人产业发展就将获得更为坚实的人才力量支撑,从而取得更进一步的快速发展。

四、服务机器人的发展趋势及市场机会

目前,我国个人/家用服务机器人、公共服务机器人及特种服务机器人的市场规模快速扩大,机器人市场需求不断被挖掘,技术、应用及产品呈现以下发展趋势。

(一)技术及应用发展趋势

1.储备基础前沿技术,抢占新一代机器人技术制高点

基础前沿技术是指具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术,是未来技术更新换代和产业发展的重要基础。储备基础前沿技术,有助于推动机器人新技术发展,为我国新一代机器人的发展奠定基础,抢占国际制高点。为此,智能机器人重点专项在基础前沿技术层次,重点关注新型材料、仿生结构、新型驱动、智能传感器、智能控制、深度学习、神经学习、智能机器人学习与认知、人机交互、人机协作等重大基础前沿技术等;建立协作、人体行为增强等新一代机器人验证平台,布局研究机器人人型机构设计理论与技术、机器人智能发育理论、方法与验证等,具体如表3.6所示。

3.6 基础前沿技术层次项目及研究内容

项目名称

研究内容

机器人新型机构设计理论与技术

面向仿生飞行、游动、跳跃等仿生机器人前沿技术,研究机器人新型机构的设计理论与技术,实现与新型材料、驱动、传感器技术的高度融合,研究新结构与控制技术,研制相应仿生机器人实验样机

机器人智能发育理论、方法与验证

利用机器学习、人工智能与脑科学的研究成果,研究基于模仿学习、自主学习的机器人知识获取与增长机制及实现方法

人机智能交互与生机电一体化机器人技术

研究神经信号的时频空高分辨率测量、解码与神经控制技术,脑电、肌电、视觉、触/力觉信息的融合方法,行为意图识别与理解、人机交互控制及生机电系统功能集成等技术

人机协作型移动作业机器人

研究高集成度多指灵巧手机构设计、触/力觉感知与多指协调控制等技术;研究基于视觉传感器的环境感知、臂-手协调控制、移动臂自标定、作业对象识别与定位、反应式行为规划与控制等技术;研制高负重比轻型机械臂、多指灵巧手及移动平台集成系统,面向典型应用开展试验验证;研究人的行为意图理解与人机互助协作技术

助力型外骨骼机器人

研究助力外骨骼机器人的人机相容性设计、关节变刚度驱动、人体运动感知、人机耦合协同控制,以及高功率密度动力源、系统轻量化等关键技术,研制负重移动型外骨骼,以及作业增强型外骨骼机器人,面向典型需求开展试验验证

资料来源:笔者根据公开资料整理。

2.突破服务机器人关键技术与装备,赋能产业升级

虽然我国目前为全球第一大机器人市场,但是必须承认,目前我国机器人技术及产业的发展仍处在低水平重复阶段。大部分国产机器人只具备简单的功能,只能应用在对机器人要求较低的领域,尚不能满足复杂环境下自主作业的发展需求。因此,我国应在高端研发领域开展具有全球领先能力的、具备世界先进水平的服务机器人产品与系统,通过项目实施推进我国服务机器人产业的中高端化进程并实现服务机器人关键技术的突破,具体项目及研究内容如表3.7所示。


3.7 关键技术与装备项目及研究内容

项目名称

研究内容

室外无轨导航重载AGV研究

高速、大负载、高精度室外无轨自主移动AGV设计与优化技术;研究室外复杂环境无轨安全导航技术;研究室外多AGV高效规划、调度、管理与监控技术。开展室外无轨导航AGV典型应用场景应用验证

智能护理机器人

面向卧床老人进餐/吃药等物品递送和远程监护等需求,开展机器人机构设计、物品自动检测与识别、机器人灵巧作业、远程监控等关键技术,研发保姆型护理机器人及相关智能家居系统。面向失能老人移乘搬运需求,研制移乘搬运护理机器人,开展应用验证

截瘫患者助行机器人

面向下肢截瘫患者,研究兼顾运动相容性与穿戴舒适性的助行机构设计、协调控制和安全性保障等关键技术,研制截瘫患者助行机器人,实现截瘫患者自主起、在不同路面行走、上下楼梯以及上下坡等功能

服务机器人云服务平台

建立基于互联网的开源共享云端数据库,研究服务机器人环境、目标、交互等海量数据的获取与云端存储技术,以及自主推理与规划、自主学习等数据挖掘技术,构建机器人云服务平台,提供环境感知建模、目标识别理解、智能交互等云服务

核电站机器人检修智能作业系统

面向核电站运行维护,确保核电站安全运行的需求,研制传热管检修定位机器人、核燃料组件破损泄露监测机器人、核燃料组件检测机器人、核燃料组件骨架修复机器人,实现核燃料棒包壳破损的定量检测、核燃料组件关键指标检测,以及核燃料组件骨架的更换,并开展应用验证

面向盾构施工的机器人智能作业系统

研究集成环与撑紧功能为一体的安装机器人机构设计、局部塌方与破碎围岩快速支护、隧道底部积渣清理等技术,研制敞开式硬岩据进机钢拱架安装机器,开展应用验证

眼科手术机器人系统

面向精准安全的眼科手术治疗,重点突破眼科机器人灵巧机构与新型手术器械设计、多源传感信息融合与导航、高精度自适应控制、安全性保障等技术,研制眼科机器人手术系统

经输尿管肾内介入诊疗机器人系统

面向软性输尿管镜体内精确操控,重点突破软性输尿管镜体高精度操控机构设计、基于内窥镜图像的辅助定位导引、力反馈操控等技术,研制经输尿管肾内介入诊疗机器人系统

口腔及喉部微创手术机器人系统

面向口腔、喉部软硬组织微创手术,研制喉部微创手术机器人系统。重点突破三维实时图像监控下机器人精准切除、精确制备种植手术以及患者突发吞咽动作时机器人敏捷反应及应急保护技术等

微创膝关节置换手术机器人系统

面向微创膝关节置换手术,开展机器人机构设计、基于多模医学影像信息的空间映射建模、具备力反馈功能的机器人操控技术;研制微创全膝关节置换手术机器人系统,实现手术器械高精度动态跟踪、精准微创关节置换操作

实时导航穿刺手术机器人

面向经皮穿刺消融、活检等诊疗需求,开展软组织交形建模、生理运动补偿、生物组织选择性消融、穿刺手术路径规划、实时导航与靶点跟踪等关键技术研究:构建CT影像引导下的手术导航及精准定位单元;研制实时导航穿刺手术机器人系统

脑卒中康复机器人系统

面向脑卒中肢体功能障碍患者,研究上、下肢康复机器人的构型综合与尺度优化方法,个性化康复训练范式,以生理信号为基础的多模态康复训练技术,以及功能电刺激技术等;研制具有自适应功能的上肢康复机器人,建立脑卒中康复规范,实现协同康复训练

资料来源:笔者根据公开资料整理。

3.开展示范应用,以点带面深化规模化应用

示范应用对于新兴产业的发展具有先行先试作用,针对当前我国智能机器人产业技术水平落后于机器人强国、国内市场以外资品牌为主导的现状,需要重点扶持一批示范应用,形成“以点带面,产生示范带动效应,从而推动我国智能机器人产业技术与产品的产业化和规模化应用。创新服务机器人服务领域和商业模式,培育服务机器人新兴产业;深化特种机器人工程化应用”的目标,围绕目标,在康复机器人领域布局了面向老人生活照料、情感陪护与安全监控的服务机器人示范应用、医疗与康复机器人示范应用项目,具体包括面向敬老院的老人辅助机器人系统典型示范应用、面向边远地区的远程骨创手术机器人示范应用、颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人示范应用、微创血管介入手术机器人示范应用四个项目,具体项目及研究内容如表3.8所示。

3.8 服务机器人示范应用项目及研究内容

项目名称

研究内容

面向敬老院的老人辅助机器人系统典型示范应用

围绕老年人照护需求,重点研究助行、助浴、情感陪护、安全监护等方面辅助机器人安全性、可靠性和实用性等关键技术,形成助老机器人系列产品;研究网络化监控和助老机器人系统集成等技术;依托敬老院建立助老机器人集成应用系统,开展典型示范应用

面向边远地区的远程骨创手术机器人示范应用

研发面向边远地区的远程骨创伤手术机器人产品,实现骨创伤疾病的远程诊断、个性化手术方案设计、骨折的精准复位和固定操作、远程康复服务

颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人示范应用

研制颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人产品,实现活检、放射性粒子植入、射频消融等穿刺类手术

微创血管介入手术机器人示范应用

研制微创血管介入手术机器人产品,实现自主和半自主高精度血管介入手术

资料来源:笔者根据公开资料整理。


4.人机交互更多元化、人性化,注重用户体验

新一代服务机器人与用户之间的交互更加便捷和准确,更加注重人机交互体验,呈现出多模式、多形态、多层次交互融合的发展趋势,机器人能够识别人的肢体语言、表情、语气、语义等内容,根据多层次的内容进行分析并进行交互。

用户可以给机器人下达相对复杂、模糊的指令,机器人对此进行判断,给出更为准确的反馈。机器人甚至可以提供主动的沟通,通过自动检测到用户的需求,主动为用户提供相应的帮助和必要的信息。用户也可以给机器人下达相对基础的指令,让机器人执行一系列复杂的操作,例如让机器人完全跟随用户的动作,实现人性化的交互效果。

另外,用户和服务机器人之间交流变得更加多元化,可以跟机器人进行多维的交流,如通过App交流、互联网软件、远程操作指令等信息传输技术实现远程交互。同时用户可以跟家用服务机器人的交互将更加定制化,用户可以根据自己的操作习惯,通过语音、手势等更为自然且直观的方式与机器人进行交互,机器人对人想要表达的意思理解得更为准确和深刻,机器人对人的反馈也更多元化和定制化。

5.机器人融入环境,交互更加智能化

新一代的服务机器人通过配备更为广泛而多样的传感设备,集成更多的功能,未来有可能成为家庭智慧物联控制的中枢大脑。随着物联网的持续推进,机器人能够自由地管控物联网设备,对环境中物体进行更准确地识别,对环境状态进行更精确的判断,保障人们生活的安全和舒适度。在未来不仅仅只是机器人本身的不断进化和发展,同时在整合家庭和社会的各个环节的配合上也在不断完善。通过机器人的集中控制统一进行调度指挥,另外环境也将成为机器人的多个感知的延伸,不同的子系统形成了机器人的控制节点,形成了一个以机器人为中心的环境生态。家用服务机器人将拥有最高的控制权限,能够对环境中的物体进行更精细的控制和操作,从而为用户提供更多的细致化服务;特种服务机器人会拥有较为智能的越障能力、精确定位和三维导航等能力,可靠性和自主控制能力增强。在未来,服务机器人与人类会形成一个紧密的有机智能体,最终实现人机无缝互联。

6.资源利用云端化、网络化

随着云计算、大数据技术的不断成熟,机器人能够有效利用互联网资源,网络资源相当于机器人一个外置的在线数据库和算力池,其中包含不断更新和升级的数据资源、算力、信息源和应用程序,与互联网相结合的机器人能够独立自主的申请访问资源、应用程序,能够更加有效的利用这工具、方法和应用。服务机器人作为一个智能终端和操作的独立载体,本身具备感知、决策和操作等功能,形成了独立的闭环,而通过互联网将能够为其赋能更多功能和可能性,在较大程度上延伸家用服务机器人的感知、决策和操作能力。因此,互联网与机器人紧密的结合,实现资源的互联互通,将是家用服务机器人一个重要的发展方向。

7.发展更为标准化、模块化和体系化

建立立足国内、适用全球的不同类别的服务机器人设计、开发、生产、应用和维保的标准,有利于加快同类服务机器人的发展进程,缩短先进技术转化为产品的周期,利于产品质量的管控,能够有效提高生产水平并降低成本,推动家用服务机器人的高质量发展。未来需设计并构建服务机器人的模块化体系架构,实现服务机器人功能易选择、易搭配、易维护的模块化生产方式。另外在通信协议、不同操作系统的衔接等方面,标准化、体系化的工作对于建立共享互联的产业形态有重要意义。

(二)重点领域的机器人发展趋势

1.救援机器人

救援机器人在灭火和抢险救援中发挥着越来越重要的作用,现阶段消防机器人主要由国内企业主导,机器人的销售环节严重依赖渠道,整体市场格局尚未确定。

近年来重大火灾频发,政策鼓励消防投入、鼓励消防机器人使用,随着政策驱动,消防机器人市场将迎来爆发增长,消防机器人预期拥有150亿元空间。

救援机器人应用场景较为复杂,功能和环境要求较为严苛,技术集成度相对较高,硬件方面涵盖了机器人的材料、控制器、传感器、移动技术、远程通信等部件,软件包括自主路径规划、自主避障能力、分析判断能力在内的多项核心技术。当前救援机器人的技术还无法完全满足复杂灾难现场救援任务的要求,目前大部分还只是作为辅助应用。以消防机器人、水下救援机器人、核事故救援机器人、地震机器人、矿山救援机器人为主的救援机器人的行业市场和门槛逐步开放,技术平台的提升方向也较为明确和清晰。

目前,机器人在复杂环境下的移动能力、故障解除能力、自检修能力等是制约救援机器人发展的因素。救援机器人的技术发展方向为救援任务协同化、救援功能集成化、救援行为自主化、救援装备轻量化。

2.军用机器人

世界各国均把军用机器人作为加强军事力量主要发展方向,俄罗斯军方制定《2025年先进军用机器人技术装备研发专项综合计划》,宣称2025年机器人装备将占整个武器和军事技术装备的30%以上;我国《“十三五”规划纲要》中提出要大力发展军用机器人,我国年武器装备采购费用约3000亿元,按10%比例计算,未来军用机器人每年有超过300亿元的市场空间。

现阶段世界范围内军用机器人占据特种机器人总量的75%,在未来这一比例还将上升,到2022年以前,销售额增长率将保持在18%~20%之间。

未来军用机器人技术发展方向为:智能化(利用人工智能技术提高机器人自主战斗能力)、通用化(多功能机器人)、体系化(陆、海、空各种类机器人之间、机器人与人之间构成网络整体)。

未来军用机器人的发展,一是将采用先进人工智能,发展更高级的智能机器人,具有自主的伪装、反侦察、自主调整作战位置等功能。二是要突破对目标的精准识别和锁定能力,拥有较强的抗干扰能力,能够快速、精准地认清目标的性质、目标的数量、目标的周边环境、目标之间的相互关系以及目标地理上的精确位置,拥有较强的识别能力和语义理解能力,能够对战场上物体性质、物体特性、环境情况、文字识别、语音内容等信息模式进行自动识别,同时可以在自主和计算机控制进行同步,能使人和机器人之间进行语言交流与通信。三是将采用更先进的传感器,通过提升传感器的测量范围和测量精度,不断提高机器人对环境的多元化感知能力和机动的反应能力。四是机器人结构更加灵活,灵活的结构具备更强的适应能力,适应复杂多面的战场环境,以柔性结构和刚性结构有机结合将形成良好的耦合工作系统,机器人的战场灵活度有望大大提升。五是功能更加丰富,使机器人向着模块化发展,具有多种用途,提升机器人价值,集成多种功能为一体,以提高基础机器人的质量,减少专用机器人数量,并使各构成部分标准化、通用化。在未来战场上,将可能出现大批军用机器人等智能型武器,它们能够实现侦查、攻击和救援于一体,拥有记忆、分析和综合服务能力,同时能够在复杂多变的战场环境中,不断改进算法,适应战场环境。通过发挥机器人指令执行错误率较低和较高的适应性、稳定性和精准度,相对于人类,它们在战场上具有天然优势。目前,各国军用机器人已经有了较多的研究储备,并且一部分国家的军用机器人已经服役。

3.医疗机器人

随着人口老龄化日趋严重,医疗资源供需缺口不断加大,另外,伴随着人类越来越追求高品质的生活,医疗机器人将在未来的医疗工作中承担越来越重要的角色,这为提高医疗效率、解决医疗资源供需不平衡提供了有效的路径。

手术机器人主要包括腹腔镜、骨科、神经外科等类型;康复机器人主要包括康复系统和外骨骼等类型;医疗服务机器人主要包括医疗问诊、医院物流、影像定位等类型。

随着技术进步和经济水平的提高,高端医疗需求增加。医用机器人采用MEMS传感技术、新型材料及智能算法,实现更小、更智能、更精细的发展,能提供更高品质的医疗服务。

未来医疗机器人的需求最为刚性且持续存在,因此对全品类医疗机器人长期看好。单孔手术和靶向机器人的趋势显现,随着国产化进程的推进,应用的成熟和成本的下降,市场将迎来爆发式增长。

4.重载自动导引车(AGV)

在未来,随着新兴行业(如电商、快递、现代仓储、医疗等)市场需求持续释放,将会大批量采用AGV及AGC产品。在汽车、家电、烟草行业等制造领域市场需求稳定增长的同时,物流领域自动化仓储改造尤其是智能仓储的建设需求旺盛,也促进了AGV销量的快速增长。

从技术发展角度看,未来重载AGV将不断挑战更大的单车载荷能力,甚至将发展出500吨级的型号,并将对多车编组运行方式进行深入探索,以满足对特殊外形尺寸、特大载荷等应用的需求。同时,对每一个市场细分领域的需求将做深做足,研发和量产出满足特定需求的细分型号,提高自主研发技术的占比,也将是未来国内AGV企业的发展必由之路。其中大功率电机、减速器、运动控制器等核心器件的设计和制造,将是打破进口垄断、降低采购成本从而提高国产产品竞争力的有效手段。重载AGV不断创新的背后,反映的是AGV在重型搬运领域取得的优异成绩,从而得到越来越多的用户青睐。港口、机场、飞机制造、铁路机车检修及制造、造纸印刷等这些重型作业,原来主要由集装箱、龙门吊、重卡和大量的人力来完成,通过技术创新,在引入重载AGV进行替换后,大大提高了工作效率,保障了人们的安全,也为物流企业节约了大量的人力成本和风险管控成本,促使重型作业整体迈入协同化、智能化的工作模式。在重载AGV这个细分领域需要更加关注的是机器人作业的安全性和稳定性,同时由于对载重要求较高,相对于功率要求、运动性能和精准控制技术方面比小型的AGV要有更高的要求,重载AGV的技术突破将成为未来的一个发展方向。

5.石油化工机器人

随着全球油气勘探开发的难度日益加大,机器人在石油化工领域的应用将更加深入和广泛,机器人将从勘探开发、炼化加工、现场巡检、机械修理再到加油等多个方向在石油化工领域渗透。将人们从高危险、高重复率的工作环境中解脱出来。

服务机器人在石油化工相关领域应用尚处于探索阶段,用户对智能机器人存在更高更细化的需求,当前情况下石油化工机器人水平及相关配套技术还存在巨大的提升空间。

在未来,石油化工机器人将重点在高危环境作业机器人、油气储层探测机器人、钻井机器人、巡逻检测机器人、海洋机器人、管道机器人等重点领域进行行业应用突破。

石油化工机器人在技术层面和集成层面需要进行重点突破,由于石油化工行业的易燃易爆、高寒高温、深海、沼泽、强腐蚀、震动等环境条件和工作条件,对机器人的可靠性、耐腐蚀性、位置识别、越障能力和灵敏度等方面提出了更高的要求。下一步要重点研究和突破伺服电机、自主控制系统和智能传感器等方面的关键技术和关键装备。人才方面,需要重点培养石油化工和机器人行业的复合型人才,具备良好的基础理论知识的应用和运维水平。

6.电力机器人

目前电力行业的机器人主要有:电力巡检机器人、电缆管道巡检机器人、智能客服机器人、电力铁塔攀爬机器人、电力系统架空线巡检机器人、架空线巡检三机械臂机器人等。

电力系统的构成主要有发电厂、输电配电系统和用电终端。各个环节使用的机器人不尽相同,例如,输电方式分为架空输电线和地下输电线,一是要承受线路自身在运行中所产生的压力,二是会受外界各种环境因素的影响。地下输电线路大部分使用的是电力电缆,一般埋设在地下管廊,地下线缆需要定期进行巡检,巡检的工作量较大,且地下工况存在许多不安全因素,人员检测成本相对较大,引入电力巡检机器人技术能够提升电力系统巡检的工作效率,降低巡检工作人员的危险。

不同的工作要选用不同类型的机器人,电力系统机器人因为工作的环境比较特殊,电磁辐射较大,运行环境较为复杂,部分环节需带电作业,因此电力机器人必须具备较好的实用性,能够根据环境的多样性,在设计初期考虑充分。

在未来,电力机器人将在室内轨道巡检机器人、智能绝缘金属封闭开关设备检修机器人、电缆隧道检测机器人、配网带电作业机器人、超高压架空输电线路带电作业机器人等方面重点应用。在发电厂、输电线、变电所、配电系统的运维方面,机器人将承担更多工作,有效降低人因的电力故障,尤其是在变电及输电系统的巡检和修护中将得到广泛使用并且能够率先形成试点示范,三维导航、无轨导航、电力系统故障智能识别等将成为未来技术热点。

7.教育机器人

教育机器人可以在教学活动中扮演导师、工具或者同伴的角色,其中儿童教育机器人、编程机器人发展较为成熟,课堂机器人助教和机器人教师尚处于概念性阶段。

我国的机器人教育主要包括机器人竞赛和机器人教学,机器人可以成为学生综合能力提升和创新实践能力发展的重要促进工具。

儿童娱乐教育机器人和家庭教育机器人将在智能算法、定制化教学、学习训练、情感识别等方面进行技术演进。在未来的研究过程中,将聚焦人工智能在具体教育行业中的应用开发,整合教育机器人与教学环境,使教育机器人与课堂有机结合,协助教师完成繁重的教学工作,提升教学质量,进一步促进教育公平和教学资源的均衡。

8.软体机器人

软体机器人是一种利用柔软材料制作的机器人,能够适应较复杂的环境,提供更安全更自然的人机交互。软体机器人具有许多优点,比如,与刚体机器人相比,软体机器人能轻易实现弯折、扭曲等动作。另外,软体机器人可以通过3D打印进行个人化的定制、其柔软度足以让其进入狭小空间或在特殊的环境中进行作业,作为夹爪抓取物体时能够抓取不规则物体和光滑物体且不伤及物体等。

目前,软体机器人仍是一门新兴的学科,各国的高等院校、科研机构均在这一领域展开了深入的研究,已经涌现出了一系列具有广阔前景的新技术、新产品,其中以哈佛大学最为突出,我国也有诸多实力雄厚的技术团队,如北京航空航天大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学等高校的研究团队已经在国际重要期刊会议上发表了众多高质量的学术论文,在行业内有着重要的影响力。中国在软体机器人领域有着极好的学术基础,为将来推进产业化打下了坚实的基础。

但目前,高昂的生产成本成为制约软体机器人新技术普及的最大制约因素,为了产品的产业化落地,软体机器人将朝着廉价与大规模化生产的方向发展,以医疗康复、养老陪护、陪伴教育、勘探救援等领域为切入点,在服务机器人产业内产生颠覆式影响。

(三)前沿技术发展趋势

1.脑机接口技术

脑机接口技术是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术,机器人应用脑机接口,可通过对神经系统电活动和特征信号的收集、识别及转化,转化成为机器人的操作指令。人就可以直接通过脑来表达想法或操纵机器人,而不需要语言或动作,是人与机器人沟通方式的重大创新,直接提升沟通和操作效率。

未来脑机接口技术将主要应用在严重残疾患者康复、灾害救援和娱乐体验等多个领域,能够通过建立一种神经界面,将大脑皮层神经活动翻译成可操纵辅助装置的控制信号,该控制信号与机器人进行互联互通,执行人脑的指令,从而恢复瘫痪者的运动能力和独立生活能力。

脑机接口技术分为两种形式:侵入式与非侵入式。考虑到消费者的接受能力,目前消费级设备主要采用非侵入式。非侵入式脑机接口不需要将电极植入皮肤,所以安全性和易用性更强,在消费者领域的落地可能性也更高。但目前这种形式仍存在收集到的信号准确性不高、信息量较小等问题。

随着生物信号测量和生机接口技术的进步,肌肉功能电刺激系统、植入式人工视觉系统、人工听觉系统等更先进的脑机接口装置将会在未来的机器人领域投入更加广阔的使用。但是由于该技术自带的科技壁垒、高昂的开发成本和潜在的危险性都限制了其应用前景。

2.类人脑的控制与决策技术

目前,机器人已越来越多地被投入生产生活环节中,执行人类赋予的工作任务,但随着社会观念、科学技术的不断发展,人类对机器人的工作能力有了更高的要求,如独立面对复杂多变环境、完成智能化应对处理等,但现有机器人技术水平并不能满足以上需求。

人类复杂的行为模式,依赖于大脑的识别、判断与反应,而脑信息的存储与处理是通过神经突触这一基本单元来实现的,而人脑中亿万个突触的可塑性使得人脑具备强大的记忆学习能力,反之,对机器人而言,未来有望在丰富传感器信息的作用下,具备强大的学习能力,能够提取可靠有效信息,具体分为监督学习和无监督学习两种。其中,监督学习主要集中在对机器人模仿学习和从示教中学习的研究,利用具有人工标签的样本集合训练出合理的模型参数,进行人工训练,从而产生相应的控制决策机制。无监督学习则主要集中在构建复杂神经网络和深度学习的研究,在缺少先前经验和知识体系的情况下从无标签的样本集合中进行机器人的深度学习,找出最优的控制规律,即通过一定的训练,可完成相应特征的提取,建立传感器信息、机器人运动和动作反馈、执行的闭环关系。

因此,随着AI芯片的应用,类人脑的机器人控制与决策系统将成为未来的重点发展方向之一。

3.面向软体结构的新材料交叉创新与应用

传统机器人以刚性结构为主,但灵活度有限、适应性较差,随着仿生技术、3D打印技术、智能皮肤、可编程材料和新型智能材料的发展,采用软材料或柔性材料加工而成的软体机器人相继出现,具有可连续变形的特点,在复杂易碎物品抓取、人机交互和小空间作业方面具有巨大优势。

目前,在仿生机构方面,一类是以传统气动、线缆驱动为主的研究,一类是通过外界物理场的作用产生形变来实现复杂三维运动的研究。在驱动方式方面,气压、液压控制都具有较好的应用前景,编程及智能材料可在电场、热场、磁场作用和编程下变形,实现驱动本体一体化设计,可以用来做医疗服务机器人、穿戴机器人和机器人玩具等。

4.基于云计算、大数据的机器人网络决策机制

云机器人是将云计算与机器人学相结合,其中,云计算是指基于互联网的计算方式,共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给网络终端。云机器人拥有实时抓取信息的功能,并实现信息分享,其优势在于存储、计算和学习能力,会使得机器人之间的资源共享更为快速、便捷,减少开发人员的重复工作时间。目前,众多科技巨头(如微软、谷歌、百度等)纷纷投入相关研究中,并提出各自的云机器人服务平台。

综合整体发展趋势来看,新一代机器人将具备智能化、网络化、人机融合等特征,可通过类人脑、仿生、智能感知、柔顺控制、机器学习等相关技术,使得机器人更像“人”,不仅拥有执行任务的智能水平,还可与人进行情感方面的交流,也可通过多种传感器设备采集各种类型数据,完成数据的实时处理与反馈,实现信息的共享,不断拓展应用场景。同时,随着国家战略的推进和市场整体的发展,服务机器人产业逐步规模化、体系化,为市场迎来重大发展机遇。

五、服务机器人重点企业分析

(一)科沃斯机器人股份有限公司

1.企业简介

科沃斯机器人创立于1998年3月11日,主营家庭服务机器人,2018年5月28日,科沃斯机器人股份有限公司上市,正式登陆上交所。科沃斯机器人研发了地面清洁机器人“地宝”、自动擦窗机器人“窗宝”、空气净化机器人“沁宝”、机器人管家“亲宝”,专业从事家庭服务机器人的研发、设计、制造和销售。

2008年,科沃斯正式推出“地宝”系列扫地机器人,2013年,科沃斯发布的“地宝9系”产品,后者采用激光直接成型(Laser Direct Structuring,LDS)技术,搭载SLAM算法涉足LDS技术。也正是得益于这项技术,扫地机器人迎来了自身的蜕变,可以更好地进行扫描绘图和执行清扫任务,随后,科沃斯推出了自主研发的Smart Navi全局规划系统,如今,该系统已经成为该领域的头号解决方案之一。

2.竞争力优势

(1)拥有较大的国内市场份额,品牌优势明显。

科沃斯招股书显示,在国内家庭服务机器人市场,科沃斯机器人在扫地、擦窗等清洁机器人领域拥有显著的品牌与市场优势。根据中怡康的监测数据,2015~2017年,“Ecovacs科沃斯”品牌家庭服务机器人在扫地机器人细分产品市场牢牢占据了国内第一品牌的位置,在线上线下渠道的市场份额,始终处于国内市场占有率第一的地位。

(2)海外销售数据良好。

亚太市场份额第一,欧洲地区排名第二,北美市场布局顺利。以德国市场为例,公司从2016年正式进入德国市场,市场占有率逐月增长,并在2017年6月实现了德国市场占有率第一。

(3)掌握核心技术,引领行业发展。

2013年,“地宝9系”诞生,搭载LDS雷达测距系统和SLAM算法,能够通过激光雷达技术实现全屋巡航建图,并根据建立的家庭地图进行“弓”字形规划式清扫,为地面清洁机器人带来革命性突破。

持续在物联网技术、视频识别技术、激光雷达技术、图像识别等多方面进行研发投入。

(二)深圳市优必选科技股份有限公司

1.企业简介

优必选成立于2012年,是一家集人工智能和服务机器人研发、平台软件开发运用及产品销售为一体的全球性高科技企业。2018年,优必选估值50亿美元,成为全球估值最高的AI创企。

优必选拥有教育娱乐机器人Alpha、智能平台级机器人Alpha 2、STEM教育智能编程机器人Jimu Robot、商用类人形机器人Cruzr机器人、便携式智能机器人悟空机器人、智能巡检机器人ATRIS机器人、大型仿人服务机器人Walker等。

2.竞争力优势

(1)市场灵活度较高,品牌知名度高。

优必选产品线较为广泛,包括陪伴机器人、服务机器人、教育机器人、人形机器人、语音机器人等,合作渠道灵活,具有良好的IP打造和包装能力,先后与包括曼城足球俱乐部、亚马逊、腾讯、迪士尼、漫威在内的多家单位合作推出定制化产品。

(2)掌握部分核心技术,成本控制良好。

优必选通过研发,掌握专业伺服舵机制造和技术,同时自主研发人工智能相关技术以及机器人操作系统ROSA等,有效地控制了机器人制造成本。

(三)上海快仓智能科技有限公司

1.企业简介

上海快仓智能科技有限公司成立于2014年,致力于打造下一代无人驾驶机器人及机器人集群操作系统,产品具有多重避障、混合导航、多主体协同、自适应环境等功能,可应用于电商、医药等物流仓储领域,目前已合作客户有菜鸟、唯品会、百世物流、国药等企业。

2.竞争力优势

快仓智能注重技术研发和行业积累,其智能仓储机器人系统解决方案柔性高、适应性强,具备持续学习能力和性能优化能力。截至2018年底,快仓机器人产量已超2000台,累计出货量达到4000台,业务覆盖国内50个城市,也逐步向东南亚、欧洲、美国等地区进军。

(四)北京天智航医疗科技股份有限公司

1.企业简介

天智航成立于2005年,注册资本3.76亿元,专业从事骨科手术机器人的研发、生产和临床应用,是国内首家、全球第五家取得医疗服务机器人注册许可证的企业,是中国机器人TOP10成员企业、北京市G20成员企业、医疗服务机器人北京市工程实验室依托单位、中国生物医学工程学会医用机器人分会副主任委员单位、北京智能机器人产业联盟副理事长单位、中关村医疗器械产业联盟理事长单位。天智航主要产品为天玑骨科手术机器人。

2.竞争力优势

天智航专注单一领域,产学研医紧密结合,联合北京积水潭医院、北京航空航天大学等单位建立“产学研医”协同创新模式,研发出拥有完全自主知识产权的骨科手术机器人,为临床手术提供精准解决方案。

(五)中信重工开诚智能装备有限公司

1.企业简介

中信重工开诚智能是中信集团下属中信重工(股票代码:601608)的控股子公司。公司创始于1991年,前身为唐山开诚电控设备集团有限公司,2015年加入中信重工,是国内知名的集研发、生产、销售、服务于一体的智能装备制造企业。公司拥有特种机器人、矿山智能装备两大产业80余种产品,应用覆盖消防、应急救援、反恐、矿山、石油石化、电力、海工作业、铁路、市政建设、军民融合等众多领域。

中信重工开诚智能主营产品为消防灭火侦查机器人、防爆消防高倍数泡沫灭火侦察机器人、防爆巡检机器人、铁路列检机器人、排爆机器人、管廊检测机器人、水下机器人等。

2.竞争力优势

中信重工开诚智能自主研发能力较强,拥有危险环境特种机器人国家地方联合工程研究中心、国家企业技术中心及院士工作站,拥有210项授权专利、50项软件著作权,并主持、参与编写多项国家及行业标准,多项核心技术具备先发优势。

第四章 中国机器人产业核心零部件发展报告

一、核心零部件的发展现状

(一)减速器:应用依赖进口,技术难点亟待突破

1.减速器定义、功能及分类

减速器是一种动力传达机构,可通过齿轮的速度转换器将电机回转数减速到所需要的回转数,同时获得较大转矩。

精密减速器是一种相对精密的机械,能达到降低转速、增加转矩的目的。精密减速器能使伺服电机在一个适当的速度下运转,并且可以精确地将转速降到工业机器人各部位所需要的速度,既可提高机械体刚性,也可输出更大力矩。相对于通用减速器来说,机器人关节减速器要求具备的特点有体积小、功率大、质量轻、传动链短和易于控制等。

目前精密减速器国际市场主流产品主要有谐波减速器(柔轮传动)、RV减速器(二级传动)、摆线减速器(一级传动),国际主流机器人制造企业大部分均使用上述产品。

2.技术及产业发展现状

由于以上类型减速器结构设计合理、工作可靠性好,使用寿命长,现有技术指标已满足当前应用的市场需求。日本减速器企业又针对减速器结构、材料、加工制造工艺、润滑降噪以及检测修正等方面进行了改进,特别是纳博特斯克和哈默纳科2家企业,其减速器产品凭借在材料和制造、工艺方面的绝对优势,在全球市场拥有市场话语权。全球精密减速器市场企业格局如图1所示。

图片关键词

4.1 全球精密减速器市场企业格局(市场份额)

工业机器人市场的发展带来了机器人减速器市场需求的增长,其中,减速器的成本占机器人总成本的1/3左右,减速器的优劣决定着机器人最终的性能效果。但从全球的市场竞争格局来看,截至2018年,日本企业把控了80%以上的市场份额,可谓机器人减速器领域的绝对霸主,其中仅纳博特斯克一家公司的市场份额就已经达到了60%。全球主要减速器企业发展现状如表4.1所示。

4.1 全球领先减速器企业发展情况

减速器类型

企业

国家

发展情况

RV减速器

纳博特斯克

日本

2017年产能84万台,预计至2019年达106万台,2020年产能可增至120万台

住友

日本

产品主要在日本本土及中国上海生产,在广州有组装基地,2017年出货量达3万台

谐波减速器

哈默纳科

日本

主导谐波减速器国际市场,2017年中国市场出货量增长80%

新宝

日本

产品主要在日本生产,2015年进入中国市场

摆线减速器

SPINEA

斯洛伐克

全球唯一把摆线结构做到谐波尺寸的减速器厂家,进入中国市场后推广力度小,主要应用于高端机床

资料来源:笔者根据公开资料整理。


我国减速器的研究起步较晚,技术不成熟,所以国内机器人装配的减速器基本被国外的企业所垄断,特别是日本的哈默纳科和纳博特斯克两家公司,它们生产的减速器占国际市场总额的75%,包括ABB、KUKA等国际知名机器人厂商均在使用它们的产品。国内机器人企业向这些减速器的国际巨头购买相关产品时,又面临着严重的产品溢价。这无疑增加了国产机器人的研发成本,削弱了国产机器人的市场竞争力。

随着工业机器人在中国应用的快速增长,一系列相关鼓励、扶持政策的出台,推动着我国机器人产业的发展。与日本机器人领域龙头企业几十年的积累相比,中国机器人用减速器尚无法自给自足,过于依赖进口,行业面临的一些技术难点亟待突破。国内有超过4500家工业机器人相关企业,其中研究减速器的企业100家左右。

我国在减速器技术方面相对落后,仅凭某个企业的力量很难快速改变此困局,需要多家企业共同发展。目前,国内包括南通振康、秦川机床、双环传动、武汉精华、正上科技、中大力德等重点企业,不断加大技术研发投入,以期突破现有减速器技术壁垒。国内减速器重点企业的发展情况如表4.2所示。

4.2 国内减速器重点企业发展情况

企业名称

减速器发展情况

上海机电

2013年与纳博特斯克合资,处于中期生产阶段,目前设计产能20万台/年

双环传动

2015年11月发布减速器产品,2018年实现年产能6万台减速器

秦川机床

2013年7月与博世力士乐合作,2015年11月发布减速器产品,计划投资1.94亿元进行9万套工业机器人关节减速器技术改造项目

南通振康

2010年研制开发用于工业机器人传动核心部件RV减速装置,已面向市场投放近3000台RV减速器,拥有超过100家机器人制造商客户

绿的谐波

生产的谐波减速器,特别是在对减速器有高精度、低转速等特殊要求的工业机器人尽显技术优势,在谐波传动领域拥有12项国家发明专利和19项国家实用新型专利

中技克美

我国第一个专业从事谐波传动技术设计开发生产销售服务的高技术事业公司

中大力德

自2006年8月设立以来,公司一直从事减速器、减速电机的生产和销售,并不断结合市场需求,借鉴国内外先进经验,加大研发投入,相继推出微型无刷直流减速电机、精密行星减速器、滚筒电机、RV减速器等新产品,实现产品结构升级

巨轮股份

巨轮股份的RV减速器成功进行了产品验证,其工业机器人产品也进入小批量生产测试阶段,随着项目的投产以及前期技术储备完善,将为公司的转型奠定基础

百利天星

2015年,百利天星开始加快机器人精密减速器的布局脚步,公司成立了有28名研发人员参与的各部门协同攻关的研发部,并设立机器人配套减速器专用装配车间,为其提供技术、生产、质量等各方面的保障

资料来源:中国机器人网(http://www.robotschina.com/),方正证券研究所。


随着国产工业机器人销量不断上升,国产减速器企业获得了源源不断的发展助力,国产减速器伴随着工业机器人开始崛起之路。高工产研机器人研究所披露的数据显示,在RV减速器方面,出货量排名前十的企业中,共有5家中资企业;其中南通振康表现最好,位列第三,排在日本企业纳博特斯克和住友之后。在谐波减速器方面,出货量排名前十的企业中,共有8家中资企业,其中苏州绿的表现最好,出货量仅次于日本巨头哈默纳科。多家中资企业进入全球减速器销量TOP10,意味着国产减速器逐渐赢得市场空间,并开始实现市场放量。

2018年,国内减速器企业多次获得大额订单,表明其产品逐步得到国内工业机器人厂商的认可。2018年1月,埃夫特、上海欢颜分别从南通振康购买了3000台和15000台RV减速器;3月,双环传动与埃夫特签署了战略合作协议,埃夫特将在双环传动采购10000台RV减速器;2018年5月,伯朗特与中大力德签订截至当时最大的RV减速器战略框架合同,约定在2019年12月前采购不低于30000台RV减速器。国内主要减速器企业订单来源如表4.3所示。

4.3 国内主要减速器企业订单来源

日期

厂商

购买方

购买数量(台)

购买减速器类型

2018年1月

南通振康

埃夫特

3000

RV减速器

2018年1月

南通振康

上海欢颜

15000

RV减速器

2018年3月

双环传动

埃夫特

10000

RV减速器

2018年5月

中大力德

伯朗特

30000

RV减速器

资料来源:笔者根据公开资料整理。


由于减速器技术壁垒较高,仅有7家上市公司专注减速器研发,目前能够量产并规模出货的有4家,即上海机电、中大力德、双环传动、秦川机床。国内工业机器人减速器上市公司经营发展状况如表4.4所示。

4.4 国内工业机器人减速器上市公司经营发展状况

公司

发展现状

2018营收

(亿元)

减速器收入

(亿元)

毛利率

(%)

上海机电

与日本纳博成立两家合资公司做减速器,一家是代理销售(2010年成立,51%持股,收入1.32亿元),一家是工厂制造(2016年成立,33%持股,收入1.47亿元)

103.08

2.79

20

中大力德

主业为减速电机和减速器,2014年RV减速器取得突破,目前为工业机器人减速器第一梯队,RV减速器已经批量供货(与伯朗特共签订8万台订单),谐波减速器正在研发中

2.78

0.4

29.91

双环传动

主业是齿轮,2013年起研发RV减速器,2018年量产供货,2018年和埃夫特签订1万台订单,自2018年3月起,每月保持两千多台出货量

16

0.5

21.4

秦川机床

数控机床业务切入机器人,2013年7月开始自主研发减速器,目前产能1200台/月,2018年底新产线投产后目标产能2000台/月

16.51

0.3

17.3

大族激光

主业为激光设备,并购+研发切入机器人全产业链。2016年成立大族精密传动研发谐波减速器,已开发100多种减速器,正在推广应用

51.07

未量产

39.45

巨轮智能

传统主业轮胎模具、液压式硫化机,2009年起自主研发工业机器人零部件及本体,2016年RV减速器小批量生产,目前仍未量产贡献收入

6.63

未量产

36.99

韶能股份

能源(电力)、生态植物纤维制品、精密制造三大业务板块,2016年基于汽车减速器积累开始研发工业机器人RV减速器,持续受到政府补助(350万/年),目前还未量产

16.63

未量产

23.61

资料来源:笔者根据公开资料整理。


(二)控制器:需求逐年增加,竞争优势有待加强

1.控制器定义及分类

机器人控制器一般指机器人运动控制器,是一种以机械运动为主要的生产方式,以电机为主要被控对象的快速、高精度的控制装置。

按照系统的组成形式可分为如下三种:

(1)以单片机作为核心处理器的运动控制器;

(2)以“微处理器+专用运动控制芯片”为架构的运动控制器;

(3)以“PC+运动控制器”为架构的运动控制器。

2.技术发展现状

控制器相当于机器人的大脑,包括硬件和软件两部分。硬件部分国产品牌已经掌握相关技术,基本可以满足市场需求;软件部分,国产品牌在稳定性、响应速度、易用性等方面与发达国家相比还有差距。另外,控制器由于其“神经中枢”的地位,成熟机器人厂商一般自行开发,以保证稳定性和维护技术体系。

机器人实现灵活精确的动作,就需要更高的自由度,进而需要更多的关节数量,随之对应更多的电机数量,就需要一套系统的控制方法,从而对控制的性能提出更高的要求。

随着技术和应用经验的积累,国内企业机器人控制器产品已经开始逐渐成熟,能够满足部分领域的应用要求,但不得不承认,作为机器人的核心控制系统,国产与外资依然有不小的差距,体现在机器人整体的性能上,如易用性、协调性、稳定性等方面。机器人控制器发展有如下特点。

(1)硬件构架多样化。

为了保证系统具有足够的计算与存储能力,目前机器人控制器多采用计算能力较强的Intel系列、ARM系列、DSP系列、FPGA系列、PowerPC系列等芯片组成。如表4.5所示,主流控制器硬件平台一般采用Intel系列、ARM系列以及两种及以上类型处理器组成的多核异构架构。国内外机器人主流控制器架构比较如表5所示。

4.5 国内外机器人主流控制器架构比较


厂家

产品型号

控制器架构

核数

特点

倍福

CX2040

Intel Core i7 CPU

4

倍福控制器主要分为X86 CPU和ARM CPU,X86主频从500MHz至2.1GHz不等,ARM结构从ARM9到ARM Cortex A8,主频从266MHz到1GHz不等

CX5020

Intel Atom CPU Z530

1

CX9020

ARM Cortex A8 CPU

1

贝加莱

X20CP3586

Intel Atom CPU E680T

1

贝加莱产品系列细分较多,展示了各细分领域的高端性能产品,高复杂度依然采用X86结构

X20CP1382-RT

X86 Vx86EX

1

X20CP0484

ARM Cortex A9 CPU

1

X90CP174.48-00

ARM Cortex A9 CPU

1

BEKA

D3-DU 36X/X

Intel Core i3 CPU

2

BEKA 控制器CP系列和驱动器DU系列都采用X86处理器

D3-DU 33X/X

Intel Atom CPU

1

CP 530

Intel Core i7 CPU

4

欧姆龙

NX701

Intel Core i7 CPU

4

欧姆龙控制器主要分为NX和NJ两大系列,均采用X86处理器

NJ501

Intel Atom CPU

1

固高

GHN系列

ARM Cortex A5 CPU+DSP

1

采用ARM+DSP构架

GTS-VB系列

DSP+FPGA

控制卡主要以ARM或者DPS+FPGA结构,控制器基本采用X86 CPU +DSP+FPGA结构

GUC-T系列

X86 CPU +DSP+FPGA

哈工大机器人集团

HRG IRC-E系列

ARM Cortex A15 CPU+DSP+PRU

6

采用ARM+ DSP+ PRU多核异构构架的机器人控制器,搭载实时控制系统;支持EtherCAT和CANopen等高速总线传输;支持ROS及多传感器融合;融合运动规划算法和柔顺性混合控制算法

HRG IRC-M系列

Intel Core i7 CPU

2

IRC-M系列采用X86处理器,支持EtherCAT通信

资料来源:笔者根据公开资料整理。

第一,基于X86平台。国内外主流控制器厂商陆续推出了基于X86平台的控制器产品,国外品牌如倍福CX20、CX50系列,BEKA D3、CP系列,贝加莱X20CP1382系列,欧姆龙NX、NJ系列,均采用X86系列,国内品牌固高GUC-T系列采用X86+DSP+FPGA多核异构平台,机器人厂商哈工大机器人集团推出面向智能机器人HRG IRC-M系列的通用控制器采用X86系列处理器。

第二,基于ARM多核异构平台。倍福CX90、X20CP0系列控制器采用ARM架构,固高GHN系列运动控制卡采用ARM+DSP的架构,GTS-VB系列通用运动控制卡采用DSP+FPGA架构,哈工大机器人集团HRG IRC-E系列智能控制器采用双A15 CPU+双DSP+双PRU的多核异构平台。

(2)软件系统相比国外差异明显。

第一,操作系统。现有机器人操作系统主要可以分为如下类型,一是以VxWorks、μC/OS-Ⅱ、DSP/BIOS等为代表的实时操作系统RTOS(Real Time Operating System),二是以Windows CE、Android、Linux为代表的非实时操作系统,三是以机器人操作系统ROS(Robot Operating System)为代表的机器人操作系统。

RTOS的实时性通常较好、支持内核裁剪,但是对国际领先的ROS组件和通信标准的支持非常弱,且现有RTOS不能充分利用云计算、大数据、人工智能、机器学习等技术对机器人节点功能、性能进行提升。现有以Windows CE、Linux或Android为代表的机器人操作系统不适合应用在对实时性要求较高的机器人,在Windows CE、Linux或Android中,仅仅Linux的衍生系统Ubuntu、Debian等可以较好地支持ROS,其他操作系统暂时不支持ROS,不能充分利用ROS支持的众多机器人特性库。

以ROS为代表的机器人操作系统在处理实时任务、高可靠的节点间数据/消息传输等方面存在明显不足。ROS运行需要占用较多的硬件资源,所以ROS不适合运行在配置较低的MPU,同时,ROS裁剪非常困难,其对多种主流硬件体系结构以及智能硬件加速芯片的支持完全依赖底层操作系统,因此需要进一步研究具有强实时、可裁剪微核心、高兼容、统一组件标准、动态配置的特性,并且能够兼容不同厂商的机器人操作系统和支持云智能开放服务的机器人操作系统。

国内的机器人操作系统HRG AIRT-ROS采用Turing OS提供了多模态交互方式,运用了思维强化引擎、情感计算引擎以及自学习引擎。国内外主流的机器人操作系统及其主要特点如表4.6所示。

4.6 国内外主流的机器人操作系统及其主要特点

机器人操作系统

类型

公司机构

特点

Linux+ROS

平台

美国OSRF

开源主流,逐步成为行业标准

Android

系统

美国谷歌

开源,应用广泛,存在安全漏洞

Player,Stage,Gazebo

平台

美国南加州大学

开源,逐步成为行业标准

Windows CE

系统

美国微软

模块化及可伸缩性、实时性能好

VxWorks

系统

美国风河

实时性

μC/OS-Ⅱ

系统

Jean J.Labrosse

实时性

FreeRTOS

Amazon

开源,实时性,多平台支持

Linux+ROS 2.0

平台

德国 OpenSource

实时性

DSP/BIOS

系统

美国TI

实时性

OROCOS

平台

欧洲机器人组织

实时性

YAPR

平台

瑞士Cyberbotics

开源、分布式、跨平台

OpenRTM-aist

平台

日本工业科学所

平台无关

IRobot aware

平台

美国iRobot

商用、可扩展、可移植

Turing OS

系统

中国图灵机器人

自主学习引擎

UROS

系统

中国康力优蓝

兼容Windows和Android

ROOBO

平台

中国ROOBO

人工智能引擎

Yun OS

系统

中国阿里巴巴

大数据、云概念机器人操作系统

Sylix OS

系统

中国翼辉

实时性

HRG AIRT-ROS

系统

哈工大机器人集团

双核双系统,实时性、智能性操作系统

资料来源:笔者根据公开资料整理。

第二,二次开发平台。机器人控制系统主流二次开发平台(如TwinCAT、Codesys、MATLAB、Labview、iManifold等)均为国外厂商开发,国内市场一直空缺。

(3)核心算法研究和工艺包开发日臻成熟。

机器人核心算法包括构型解算、导航规划、轨迹规划、速度规划、插补算法、正逆向运动学算法、动力学、控制算法参数自整定、抑震算法、转矩波动补偿、SLAM导航等。控制器是机器人的“大脑”,核心算法作为控制器的软核,影响机器人运行的稳定性和精确性。底层核心算法的差距,拖慢了整个系统的响应速度和稳定精度。

3.产业发展现状

控制器需求逐年增加,国产占比有望不断提高。

控制器一般由机器人厂家自主研发。目前国内主流机器人厂家都根据自有机器人定制开发对应的控制器。因此,从机器人的市场占比即可看出控制器的占比,国产控制器在机器人行业的竞争中还处于相对落后的地位。

随着国际化进程的推进,国内涌现出了一批高水平的控制器厂家,这些厂家的兴起有利于控制技术和高水准应用的推广。这类企业以固高科技、卡诺普、众为兴等为代表,都拥有自主研发的控制器,并在多种机器人系统上有应用。

经过多年的发展,国内控制器与国外控制器水平的差距在核心零部件中是最小的,并且还在不断迫近。表4.7为国内外重点机器人厂家的控制器代表产品。 

4.7 国内外重点机器人控制器企业及产品

国内企业

主要控制器系列

国外企业

主要控制器系列

广州数控

GSK-RC

KUKA

KRC4

埃斯顿

ESMotion、MC系列、FLEX6-Nano

ABB

IRC5、OmniCore

沈阳新松

SIASUN-GRC、SIRC 2.0

Beckhoff

CX系列

汇川技术

IRCB300、IMC系列

川崎

C系列/D系列

华中数控

CCR

安川

DX系列/MA系列/MP系列

众为兴

ADT-RCA4E/ADT-TS3100

发那科

R-J3/R-J3iB/R-J3iC

固高科技

GUC系列

科玛

C4G

英威腾

MTC系列

史陶比尔

CS8

研华

RC2000

爱普生

RC系列

卡诺普

CRP-S40/80/100/400

KEBA

Kemotion

资料来源:笔者根据公开资料整理。

(三)伺服系统:政策持续推动,国产有望替代进口

1.伺服系统定义和分类

(1)伺服系统。

伺服系统是当代工业生产过程中所用到的各种自动化设备中的一个十分重要的核心部件,主要通过测量反馈以及先进的控制算法等手段,实现对控制对象在位置、速度以及转矩等运动指标上的精确控制。一般来看,典型的伺服系统又可以分为伺服控制器、驱动器、伺服电机以及测量电机位置信息的传感器等,其中位置传感器主要是但不局限于编码器。

伺服系统通常按照其功率大小的不同而分为不同的产品等级,主要分为小型、中型、大型三类。其中,通常把额定功率小于1千瓦的伺服系统称为小型伺服系统,主要应用于工业机器人、3C制造行业等对设备的功率要求较低的场景中;大型伺服系统的额定功率普遍大于7.5千瓦,应用在重型驱动机械设备当中;介于两者之间的伺服系统叫作中型伺服系统,常用于铣床、注塑机等设备当中。伺服系统的分类如表8所示。

除了上述分类方法,还可以按照实现伺服功能原理的不同,将伺服系统划分为电气伺服系统、气动伺服系统和液压伺服系统三种。其中,电气伺服系统得益于数字电子技术的发展,以其明显的技术优势获得了最广泛的应用。伺服系统的分类如图4.2所示。

4.8 伺服系统的分类


产品结构

功率范围

子类

特点

应用行业

小型伺服

<1千瓦

交流同步、直流

速度、力矩、角度精确控制

机器人、电子制造设备、小型机床、雕刻机

中型伺服

1~7.5千瓦

直流使用逐步减少

铣床、注塑机、包装机、钻孔机

大型伺服

>7.5千瓦

交流异步

精度要求一般,功率要求大

大型机械、大型数控机床、全电注塑机

资料来源:前瞻产业研究院。

图片关键词

4.2 伺服系统的分类

(2)伺服电机。

伺服电机在自动化控制系统中往往与终端执行机构相连,因此也被称为执行电机。伺服电机在伺服系统中作为执行元件,其作用是将伺服控制器的脉冲信号和数量转化为电机转动的角位移和角速度。伺服电机分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类,与普通电机相比,其主要特点是,通常搭配反馈装置一起使用,实现精准控制。伺服电机的分类如图4.3所示。

图片关键词

4.3 伺服电机的分类

不同类型伺服电机呈现出不同的特点,这里对比交流永磁伺服电动机、交流异步伺服电动机、直流伺服电动机三种伺服电机之间的相似与不同。不同类型伺服电机的特点如表4.9所示。

表4.9 不同类型伺服电机的特点


类型

交流永磁伺服电动机

交流异步伺服电动机

直流伺服电动机

电机结构

比较简单

简单

复杂

最大转矩约束

永磁体去磁

无特殊要求

火花/永磁体去磁

发热情况

只有定子线圈发热

定转子均发热

转子发热

高速化

比较容易

容易

困难

大容量化

稍微困难

容易

困难

制动

容易

困难

容易

控制方法

稍复杂

复杂

简单

环境适应性

受火花限制

维护性

不需要维护

不需要维护

较麻烦

资料来源:笔者根据公开资料整理。


(3)编码器。

编码器是一种用于运动控制的传感器,它利用光电、电磁、电容或电感等感应原理,检测物体的机械位置及其变化,并将此信息转换为电信号后输出,作为运动控制的反馈,传递给各种运动控制装置。编码器分类如图4.4所示。

图片关键词

4.4 编码器分类

2.技术发展现状

我国的伺服系统开发应用在很长的一段时间之内还处于空白状态,直到20世纪70年代,国防和军工技术领域率先应用这一新锐的技术,对伺服系统的研究与应用开始萌芽,并在80年代开始逐渐渗透到高端的民用工业当中。2005年以后,制造强国等战略的部署有效推动了制造技术的提升,伺服系统因此也获得了长足的发展,尤其是在高端制造领域,伺服系统发挥了不可替代的作用。也是在这一阶段,国内的伺服品牌开始崛起,并逐步获得市场认可。2010年以后,随着国内伺服厂家技术的不断完善、发展与成熟,国内的伺服品牌正在逐渐地抢占进口伺服产品的市场份额。目前,国产的伺服品牌已经在机器人、3C制造以及纺织机械等领域获得了大范围的应用。现代化电力电子技术、微处理器技术、电机调速理论和人工智能技术的应用与研究使得伺服技术进一步提升。

3.产业发展现状

目前,欧美品牌和日系品牌几乎占据了绝大部分伺服市场份额,其中各自特点和优势也非常明显。欧美品牌依靠高性能特点,主攻高端设备和自动化生产线,产品定价较高;日系品牌依靠高可靠性和性价比占据全球一半的伺服市场份额;国产品牌正在提升产品性能和稳定性,逐步实现进口替代,市场占有率为15%左右。

同时,国家政策重点关注以伺服系统为代表的核心零部件研发进程,自2013年发布《产业结构调整目录》以来,政策面不断向好,国内伺服系统厂商发展得到了有利的发展支持与市场认可。2015年,国务院发布的《中国制造2025》中提到,为了应对新技术革命冲击,推动传统制造业向高端制造业跨越式发展,突出强调要加快突破伺服电机及驱动器等关键零部件的技术瓶颈,实现从上游伺服技术到下游行业应用的国家扶持全覆盖。2016年,工信部等发布《机器人产业发展规划(2016—2020年)》,明确指出关键零部件如伺服电机及驱动器等的市场占有率要达到50%以上。工业机器人政策相关内容如表4.10所示。

4.10 工业机器人政策

工业机器人政策

具体内容

详细计划

发展目标

自主机器人品牌产量

10万台

六轴以上工业机器人年产量

5万台以上

培养国际竞争力的龙头企业

3家以上

技术水平显著提升

工业机器人平均无故障时间

8万小时

关键零部件突破

六轴及以上工业机器人应用

市场占有率50%以上

集成应用显著成效

工业机器人应用密度

150以上

大力发展机器人关键零部件

高精密减速器

高速率,低重量,免维护

专用伺服电机和驱动器

提高效率,实现高功率密度

高性能控制器

提高高速变负载的运动精度

资料来源:笔者根据公开资料整理。


智能制造成为世界各国制造业发展的必然趋势,也是我国实现从制造大国转变为制造强国的重要抓手。关键环节数字化是推动工业生产自动化的必要环节,在这一环节中,伺服系统是最重要的组成部分之一。

同时,智能制造也离不开工业机器人,工业机器人关节的驱动依赖伺服系统。伺服系统的精度、可靠性、稳定性、安全因素等是推动工业机器人实现工业生产自动化的核心因素,决定了工业机器人能否在智能制造中承担重任。

(四)传感器:工业智能化的重要部件

传感器是一种重要的检测装置,能够根据被测量的信息,通过一定规律的信号变换,将其转换成所需的电信号或其他形式的信息,并完成输出,以满足信息在采集、传输、存储、显示、记录和控制等工业智能化过程中的要求。

机器人常用到的传感器有视觉传感器和力传感器。视觉传感器主要用于机器人分拣、搬运、检测等场景,力传感器主要用于开发打磨、拖动示教、人机交互等功能。

1.视觉传感器

(1)视觉传感器定义及功能。

视觉传感器在机器视觉系统中,是提取环境特征的重要信息源,是机器视觉的核心部分。视觉传感器的重要构成主要是一个或者两个图像传感器,在视觉传感器工作时,有时还要配备光投射器或者其他辅助设备以保证视觉传感器的最佳工作状态。

视觉传感器作为机器视觉系统重要的信息源,其主要功能是获得环境信息的最原始图像,以供给机器视觉系统处理。图像传感器可以使用激光扫描器或者CCD摄像机,也可以是3D相机等。机器视觉系统通过视觉传感器采集目标物体图像,获得原始的图像数据,然后对图像进行去噪等预处理,提高图像质量,突出图像特征,然后图像分析系统通过合适的算法对图像中像素分部特征进行分析,以得到目标的特征,进而输出图像分析的结果。

(2)技术及产业发展现状。

近年来,随着智能化要求的提高,对3D相机的研究和应用开始普及。根据摄像头成像原理的不同,3D相机分为结构光(Structured-light)、双目视觉(Stereo)、飞行时间法(TOF)等类型。3D相机能够捕捉到物体的深度信息,能够搭配机器人进行无序、不规则物体的分拣搬运操作。3D相机技术门槛较高,主流的品牌有photoneo、ensenso、realsense等。

近年来,受到国内汽车、电子制造等行业发展和自动化应用需求的驱动,以机器视觉在内的自动化产品市场高速增长,国内有关大专院校、研究所和企业纷纷在图像和机器视觉技术领域进行了业务布局和技术探索,并开展工业现场的应用,大大拓宽了机器视觉的市场领域。

2.力传感器

(1)力传感器定义及功能。

力传感器是机器人力感知的关键部件,广泛应用于仿生、医疗、打磨、装配、抓取及人机共融等领域中。其中,在工业机器人应用领域中,一般使用单轴力传感器、三轴力传感器和六轴力传感器三种。协作机器人则一般使用关节扭矩传感器和六轴力传感器。

(2)技术及产业发展现状。

单轴力传感器和单轴扭矩传感器在市场上已有很多产品,但并未针对机器人应用做特殊设计,因此,在易用性、耐用性方面有待提高,宇立(SRI)在该领域有较多产品,特别是协作机器人关节扭矩传感器。而三轴力传感器、六轴力传感器技术门槛较高,全球仅有几家公司生产,如ATI、宇立(SRI)、OPTOFORCE等。

目前,机器人力传感器销量不大,最大的制约因素在于,对于大部分应用而言,机器人力控技术成本太高。

二、核心零部件的市场规模

(一)减速器:全球垄断难以突破,国内市场不断扩大

从市场销售数量上来看,RV减速器和谐波减速器占比为6:4,目前世界范围内RV减速器企业主要包括纳博特斯克和住友,其中纳博特斯克占据90%以上的RV减速器市场份额;谐波减速器则主要由哈默纳科垄断。

在国产机器人核心零部件中,减速器成本占比最高,平均达到整机成本的36%。以安川电机ES165千克为例,6台精密减速器的总价值在2.08万元左右,占整机成本的12%;同类型的国内产品,6台精密减速器的成本在9.1万元左右,占整机成本的31%。

新增的工业机器人需求必然能带动减速器产业的快速发展,同时,减速器本身有额定的使用寿命,磨损不可避免,需要定期更换。因而,当前保有的工业机器人维修保养亦会产生大量的减速器市场需求。

综上所述,伴随着我国工业机器人需求的高速增长,国内减速器市场容量不断扩大。根据中国报告网测算,中国减速器市场规模如表4.11所示。

4.11 2015~2018年中国机器人减速器市场规模

年份

2015

2016

2017

2018

国内RV减速器需求(万台)

18.18

22.92

34.54

44.9

国内RV减速器市场均价(万元/台)

0.8

0.7

0.6

0.55

国内RV减速器市场规模(亿元)

14.55

16.05

20.73

24.70

国内谐波减速器需求(万台)

14.52

18.31

27.6

35.87

国内谐波减速器市场均价(万元/台)

0.7

0.65

0.6

0.55

国内谐波减速器市场规模(亿元)

10.17

11.90

16.56

19.73

减速器需求合计(万台)

32.7

41.23

62.14

80.77

减速器市场规模合计(亿元)

24.72

27.95

37.29

44.43

资料来源:中国报告网,http://tuozi.chinabaogao.com/it/031332435R018.html,2018年3月13日。


与此同时,基于产品性能提升的前提,本土减速器厂商市场渠道逐步打开,众多零部件厂商市场认知度不断提升,纷纷与本体企业签订产品购销合同,以和外资品牌抢夺市场份额。2014~2018年,国产减速器销量逐步增加,市场份额占比呈上升趋势,国产机器人减速器占比由11.36%提升至28.24%。2014~2018年中国工业机器人用精密减速器市场份额分布如图4.5所示。

图片关键词

4.5 2014~2018年中国工业机器人用精密减速器市场份额分布

(二)控制器:国外厂商占据主导,国内厂商机会较大

在智能制造浪潮的推动下,控制系统作为工业自动化的“心脏”得以迅速发展,2014~2018年中国工业机器人控制系统市场规模如图6所示,据统计,在2014~2018年的五年中,国内工业机器人控制器的市场规模从5.45亿元增加至11.54亿元,占控制器总市场规模的比重从10.57%提高到15.28%。机器人控制器市场将成为国内外各大控制器厂商重点的布局方向。

图片关键词

4.6 2014~2018年中国工业机器人控制系统市场规模

机器人核心零部件共占工业机器人成本约72%,其中控制器作为工业机器人上游生产制造核心零部件占比12%,未来工业机器人市场持续扩张将使控制器需求规模进一步扩大,而工业机器人应用控制器在我国控制系统总市场的占比也逐年增长。

目前,在国产控制器厂商技术水平不断进步的情况下,机器人控制器国产替代将为本土品牌供应商带来生机。工业机器人控制器的全球市场格局如图4.7所示。

图片关键词

4.7 2018年工业机器人控制器的全球市场格局

(三)伺服系统:产品性能逐渐提升,市场替代空间巨大

2018年伺服系统前三大应用行业分别为机床、工业机器人和电子设备制造,合计占总规模比重的44%(见图8)。随着中国智能制造产业升级,伺服系统产品迎来重要发展机遇。2018年伺服系统下游应用领域占比情况如图4.8所示。

图片关键词

4.8 2018年伺服系统下游应用领域占比

随着机床、纺织机械、包装机械等下游行业由粗放式发展转向追求高品质发展,我国伺服系统应用行业范围不断扩大,使得产品性能逐渐提升,市场规模也在逐步扩大。总体来说,下游产业应用广泛,具有百亿级空间。

1.工业机器人行业

机器人的关节驱动离不开伺服系统。我国工业机器人对伺服系统的需求规模逐年增加,且工业机器人领域用途的伺服系统占伺服系统总市场的比重逐年增长。

机器人对伺服系统的要求非常高,伺服系统必须满足快速响应、高启动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽的市场需求,同时,还要适应机器人形体,做到体积小,重量轻,还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的考验,实现高可靠性和稳定性。工业机器人使用的较多的是交流伺服系统。

如图4.9所示,从2014年到2018年,我国工业机器人伺服系统的市场规模从9.96亿元增长到21.50亿元,占伺服系统总市场规模的比重从17.54%增长至30.97%。

图片关键词

4.9 2014~2018年中国交流伺服系统市场规模及变化趋势

2.机床行业

目前,我国数控机床市场得到快速增长,然而机床数控化率仍然低于30%,并且在高端数控机床领域,有80%以上的设备需要从欧美、日韩进口。基于数控机床的重要地位,同时,为了加快国产数控机床发展步伐,《中国制造2025》中明确提出将数控机床列为“加快突破的战略必争领域”,要加强前瞻部署和关键技术突破,以提高国际分工层次及话语权。而伺服系统是数控机床的重要组成部分,数控机床对伺服系统需求拉动市场规模如表4.12所示。


4.12 2015~2018年数控机床对伺服系统需求拉动市场规模

年份

2015

2016

2017

2018

数控机床增加量(万台)

27.6

44.0

46.5

49.6

YoY(%)

-15

59

6

7

数控化率(%)

28

29

30

31

高端数控伺服规模(亿元)

44.6

46.5

49.0

中端数控伺服规模(亿元)

42.2

43.4

45.0

低端数控伺服规模(亿元)

20.2

20.0

20.0

伺服系统市场规模(亿元)

26.8

28.5

28.5

资料来源:中国产业信息网、中项网、东方证券研究所。

如图4.10所示,国产的伺服系统正在逐步被市场接受,正在以不可小觑的速度持续上升,2018年国产伺服产品市场占有率已达到22.34%,未来,替代进口的步伐将会加快。

图片关键词

4.10 2014~2018年国内伺服系统市场份额

2018年中国伺服系统重点企业市场份额如图11所示。

图片关键词

4.11 2018年中国伺服系统重点企业市场份额

(四)传感器:全球行业“寡头”主导,市场规模相对较小

1.视觉传感器

在3C、汽车制造等行业智能化需求的驱动下,全球视觉传感器市场规模不断增长。市场研究公司Market Sandmarkets发布最新的《视觉传感器全球市场报告》中指出,视觉传感器2018年的市场规模为25亿美元,并有望在2023年增长到45亿美元。

目前,全球机器视觉行业呈现“寡头”主导局面,美国康耐视、日本基恩士两大巨头几乎垄断了全球50%以上的市场份额。其中,康耐视公司2018年销售收入约为8.06亿美元,相比2017年的7.48亿美元增长约7.8%,其机器视觉及工业读码产品在消费电子、汽车、物流等行业的销售收入占比分别为40%、25%、10%,典型应用主要包括检测缺陷、监控生产线、引导装配机器人以及跟踪、分类和识别零件等。基恩士公司2018财年(截止到2018年3月20日)销售收入为49.7亿美元,同比增长27.7%;净利润为19.9亿美元,同比增长37.5%。

相比发达国家,我国机器视觉起步较晚,市场规模不大。近年来,随着智能制造产业发展的需求、国家政策的大力扶持,我国机器视觉行业迎来了快速发展,行业专利数量不断增加。市场的快速增长也促成了一批从事视觉传感器研发生产及应用的企业,如海康威视、大恒图像、创科视觉等企业。

与美国康耐视、日本基恩士等大企业相比,我国机器视觉公司规模较小。据相关统计数据显示,目前国内机器视觉企业有近400家,主要分布在粤港澳大湾区、长三角及环渤海地区,涵盖从光源、工业相机、工业镜头、图像采集卡以及智能相机等所有机器视觉产业链产品。若除去公司中非视觉业务收入,中国机器视觉TOP20公司营收占中国整体市场规模37%左右。

2.力传感器

英国巴克莱银行预测,2025年协作机器人全球销量将从2018年的5.8万台快速增至70万台,若协作机器人力传感器应用比例按20%计算,2025年力传感器的用量超过14万台,平均按1万元/台计算,市场总规模超过14亿元人民币。

三、核心零部件的现存问题及对策建议

(一)减速器:竞争优势尚不明朗,提高质量规范升级

1.现存问题

同国外减速器行业相比,中国减速器行业整体新产品开发能力弱、工艺创新较低,尤其是大规模生产下,产品的稳定性和国外企业仍有差距,但是国内龙头企业也在逐渐形成突破,目前来看谐波减速器的发展进度最快。

与先进工业国家相比,国内传动基础件行业仍存在一些差距,它们不仅影响着产品的竞争力,也不利于行业的可持续发展。当前行业发展面临的比较突出的问题表现在下述几个方面。

(1)产品生产质量参差不齐,整体可靠性有待提高。行业生产企业技术水平、设备条件及管理水平存在较大差异。

(2)缺乏知名品牌,影响产品市场拓展。我国目前缺乏有国际影响力的传动基础件产品,将会限制产品在国际市场上的推广。

(3)国外主流减速器厂家的货期偏长,国外减速器在国内销售价格偏高,导致中国的机器人产品竞争力降低。因此,机器人厂家急需性能稳定、价格合理、供货周期短的供应商。而且,国内减速器起步晚、发展慢,产品质量差异大,机器人厂家在选择国产品牌时,存在很大的忧虑,亟须提供可以对减速器进行合理有效的评价方法及检测平台。

(4)我国机器人用减速器的寿命、性能、噪声控制等都难以达标,可靠性和质量也与国外存在较大差距。国内减速器专家何卫东曾表示,国内研制的RV减速器从整体性能、寿命、传动精度等方面都存在着不足之处,其主要原因是缺乏对零部件制造误差、装配、弹性变形及间隙等因素对RV减速器动态传动精度影响规律的研究。国内现阶段,无论是关于减速器的核心部件的设计理论、加工制造工艺方法、高端数控加工装备,还是对产品的检测方法、检测设备、检测标准,都与国外存在明显的差距与不足。随着对机器人用精密减速器的需求不断增长,高质量减速器的设计、制造以及产业化迫在眉睫。

2.对策建议

从行业发展战略的角度,必须对减速器市场发展问题进行积极的应对,使国产减速器尽快走上健康的发展道路。具体对策建议如下。

(1)调整产业结构,加速推进产业升级。提高行业集中度,形成一大批上规模企业;通过自主知识产权产品设计开发,形成一批牵头企业,提升整体市场竞争力。

(2)为减速器厂家提供寿命评估的方法与规范,并提供检测平台。通过寿命检测与分析,可以在整机性能检测、研发及制造反馈方面有着重要的作用。减速器的寿命评价体现在多个指标上,对于不同的应用目标,使用不同的指标标准。利用性能衰减规律与研发制造参数的关系,对研发及制造的关键技术或者参数提出改进方案。

(3)建立减速器检测机构,面向众多减速器厂家,作为行业第三方评价机构,进行先进、可靠、真实、统一的检测和评价。哈工大机器人(合肥)检验检测中心以精密检测装置为依托,形成精密检测及装配能力,为精密传动生产及应用行业提供优质产品、检测服务及解决方案。

(4)扩大产能成为当前减速器企业的首要任务。面对激增的工业机器人销量,其带来了更加庞大的减速器需求,基于近年来的技术成熟进步,具有先发优势和有可能规模化量产的减速器企业将在行业内更具市场竞争力。目前国内的减速器行业仍然处于发展过程中,国内尚无减速器企业获得绝对的竞争优势和垄断地位,但随着国内减速器需求的不断扩大,主要国外减速器厂商已出现了延长供货期的迹象,本土企业如能根据市场需求扩大产能,那么具有先发优势的厂商且有可能量产及规模化的企业将可能具备更强的市场竞争力。

(二)控制器:开放智能有待提高,新兴科技融合创新

1.现存问题

(1)开放性差。由于缺乏平台基础,国产厂家制造的控制器多为封闭结构。机器人供应商一般都拥有不同的各自独立的机器人软件开发环境和机器人编程语言,如ABB的RAPID编程语言、库卡的KRL、安川的INFORM、川崎的AS、发那科的Karel等。由于不同生产厂商所使用软件不同,并且国外企业领先的机器人整体技术及市场中普遍采用的自产自用模式,机器人和控制器形成绑定关系。

(2)兼容性差。软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件体系结构及操作系统,难以在不同的操作系统和硬件平台间移植。由于结构的封闭性,难以根据需要对系统进行扩展,如增加传感器模块、IO模块等。由于各机器人厂家采用的通信方式不同,如CAN总线、RS485总线、EtherCAT总线等,由于通信方式的不同,限制了不同厂家机器人间的协作。

(3)智能性差。传统的机器人控制器多由多轴数控平台发展而来,缺少感知、远程控制以及自主决定等能力。随着人工智能和大数据技术的高速发展,特别是在系统控制方面,传统控制器远不能满足需求。

2.对策建议

(1)提高控制器的智能化。机器人控制器的一个重要发展趋势就是控制系统的智能化,未来机器人的智能化主要表现为机器人融合了视觉、触觉等多传感器的感知功能,具备一定的学习能力和强大的人机交互能力,此外,为了进一步提高自动化和智能化程度,应该能够任意组建多机器人之间的通信网络,达到多机器人协调控制的目标。机器人软件开发方面,应该增强机器人智能控制系统的数据挖掘能力和感知能力,推动系统智能化技术革新;机器人系统硬件方面,应该改进硬件的体系结构和优化系统硬件的处理运算能力,推出更加强大可靠的智能化机器人控制器。

(2)推动控制器体系结构的开放性。机器人的功能正在不断地强化,在控制器模块化、标准化的前提下,提高机器人的自主能力和性能,推动机器人控制系统的开放性,进而促进机器人行业发展。

(3)充分发挥新兴科技作用。目前,几乎所有的控制器都没有网络功能,利用互联网可以使机器人成为网络终端或者节点,以采集分析数据、远程交互,实现万物互联。数据处理和融合可以在云端完成,减轻控制器本身的压力,还可以实现多台机器人的联动和远程监控。

(三)伺服系统:高端产品亟须突破,品质创新重中之重

1.现存问题

(1)伺服驱动器。目前伺服驱动器存在的问题主要概述为以下三点。

第一,核心技术存在差距。集中在伺服控制DSP芯片、MOSFET功率器件等基本全依赖进口,总线标准Ether CAT、Powerlink等基本是国外标准,自适应增益参数等先进控制算法很少应用到伺服驱动器产品上面。

第二,基本性能水准不高。精度、可靠性、稳定性、性能、过载能力、动态响应等与国外伺服驱动器产品还存在明显差距,有待提升,缺乏对安全功能的重视,国外伺服产品安全功能已经从传统的故障诊断和保护向下一代预测性维护技术发展,国内需要及时跟进。

第三,国内伺服驱动器企业及伺服产品偏向集中单个行业,缺乏全功率段系统选型方案。日系品牌具有全功率段伺服驱动器和伺服电机型号齐全的特点,十分方便用户选型和应用,国产伺服比较集中针对单个行业的应用,功率不全,缺乏通用型号。

(2)电机本体。与国际伺服电机相比,我国的伺服电机存在一定的差距。主要表现如下。

第一,大功率产品缺乏。我国伺服电机行业早期模仿日本产品,因而以中小功率为主,功率多在3千瓦以内,5.5~15千瓦的中大功率伺服缺乏,导致某些需要大功率伺服电机和驱动配套的系统无法提供。

第二,小型化不够。小功率产品往往追求精细化,目前松下A6和安川的Σ7电机短小精致,国内伺服电机普遍偏长,小型化不够。

第三,信号接插件不稳定。国产信号接插件不够稳定,随着接插件的小型化、高密度化趋势,未来需要不断提高接插件的可靠性。

(3)编码器。编码器被广泛应用于需要精准确定位置及速度的场合,如机床、机器人、电机反馈系统以及测量和控制设备等。

目前编码器存在问题概括为如下几点。

第一,质量不够精致。整体工业基础薄弱,编码器在生产过程中尺寸、材质、整体塑形等技术难点亟待突破,质量难以达到中高端的门槛要求。虽然编码器行业企业逐渐增多,但多数集中在低端产业,中高端的编码器很少有国产,严重制约高端伺服驱动器的发展。

第二,高精度编码器缺乏。工业机器人需要用多圈的绝对编码器,目前该类产品严重依赖进口,是制约我国高档伺服系统发展的重要瓶颈。

第三,人才的极度缺乏。行业参与者太少,基础研究不够,缺乏对制定行业标准的参与。

2.对策建议

(1)加强基础研究。核心技术是需要累积才能突破的,提高生产工艺技术,进一步提高伺服驱动器和伺服电机的可靠性和稳定性,让企业能够应对市场和行业的要求,在保证满足市场需求的情况下,加大研发投入,形成良性循环。

(2)国家制定伺服系统数字化标准。想要从根本上提高国内伺服产品竞争力,需要掌握行业标准的话语权,增强在国际组织中的实际规则参与和制定权。总线驱动已经是行业大势所趋,国家层面应该尽快完善相关标准,规范伺服市场,降低企业成本,与国际接轨。

(3)开展高性能伺服驱动装置及电机的性能测评和改进技术研究。针对目前高性能伺服产品的缺乏,支持企业展开相关技术攻关研究,认清下一代伺服驱动技术发展方向和路线,尽快突破技术壁垒,打开市场及行业应用,提升企业产品在国内外的竞争力。

(4)加强行业规范。国内伺服行业协会应该加强业内沟通,完善产业链上下游关键环节,加强伺服驱动的检测平台建设,提升伺服检测水平;以人才为导向,加大对高端编码器研发投入,引导相关企业搭建人才队伍,坚持自主创新,构建发展平台和动力。

(5)企业本身要重视品牌建设。企业健全产品线,提高品牌知名度和影响力,增强核心竞争力,与上下游企业紧密接触,形成长期稳定、深层次的合作。

(四)传感器:整体技术含量较低,自主原创集成智能

1.现存问题

全球传感器市场主要由国外的几家龙头公司主导,虽然我国的传感器产业链已经涵盖材料、元器件、系统到应用的完整链条,并在接口、通信、网络等方面取得较大进展,但在迅速的发展之中,也暴露了一些问题:企业规模小、产品质量差、创新能力弱,很多企业只是代理国外产品或进行组装,无真正核心技术。受限于企业规模和技术积累等原因,生产和工艺的不稳定也导致稳定性差。模仿开发的产品在性能方面也不尽如人意。而一些研发相对突出的领域,却没有与产业有效结合,不能形成工业级产品。现存问题如下。

(1)核心制造工艺滞后于国外。由于在传感器核心制造工艺技术上的严重滞后,导致高端传感器产品难以突破。虽然国内传感器产业有完整的产品覆盖面,但是缺乏竞争力。核心制造工艺的研发在短期内难以突破,需要产业界不断摸索和积累。

(2)生产能力落后,产品质量差。经过多年开发,国内传感器产业虽然在不断完善和升级,研制一批新材料和新产品,但产品规格不全,产品质量差等问题没有得到根本解决。缺乏高性能产品也限制了传感器应用领域和产业的发展。在技术方面,由于国内传感器工艺和设备相对落后、生产和管理不规范、检测手段落后等,造成主要性能指标和使用寿命上和国外都有差距。

(3)人才资源匮乏,产业发展不足。传感器行业是技术密集型行业,对人才需求较高。传感器技术发展不仅需要高水平的学术科研队伍,还需要产学研的结合和科研成果的转化。目前人才的相对缺乏导致行业技术更新速度慢,产业发展后劲不足。

2.对策建议

(1)加强核心技术攻关,以提高微电子工艺为基础,以集成化、智能化和网络化技术为依托,以弹性元件、光学元件、专用电路等为重点对象,加强制造工艺和新型传感器的开发,发展具有自主知识产权的原创性技术和产品。

(2)提高产业化能力,以增加品种、提高质量和经济效益为主要目标,加速产业化,使主导产品达到和接近国外同类产品的先进水平。

(3)高端传感器产品亟须国产化。当前我国传感器产品远远满足不了国内市场需求,尤其是高精尖产品严重短缺,传感器高端产品主要依赖进口。而传感器又是国家基础产业升级、重大装备和工程开发所需,通常被国外采取限制,如要打破此困局,高端传感器产品国产化势在必行。

四、核心零部件的发展趋势及市场机会

(一)减速器:市场需求不断增大,发展态势一片向好

目前,国内生产工业机器人减速器的企业数量逐渐增多,且技术逐步成熟,能够实现量产的企业也在逐年增加。可以说,在精密减速器国产化道路上中国减速器企业进步明显。中国主要机器人减速器企业产能情况如表4.13所示。

4.13 中国主要机器人减速器企业产能情况

单位:万台,%

企业名称

主要产品

产销情况

2016年

2017年

2018年

机器人应用占比

苏州绿的谐波传动科技有限公司

谐波

产能

10

15

20

55

产量

7

10

15

销量

5

9

14

北京宏远皓轩谐波传动科技有限公司

谐波

产能

1

3

3

40

产量

0.5

1

1.5

销量

0.5

1

1.5

浙江来福谐波传动股份有限公司

谐波

产能

2

2

6

50

产量

0.2

1

3

销量

0.2

1

1.8

北京中技克美谐波传动有限责任公司

谐波

产能

2

2

2

5

产量

0.7

0.8

1

销量

0.7

0.8

1

昊志机电股份有限公司

谐波

产能

2

2

2

60

产量

0

0

0.1

销量

0

0

0.1

上海机电股份有限公司

RV

产能

10

10

10

70

产量

5

7

8

销量

4.5

6

7

南通振康焊接机电有限公司

RV

产能

1

3

3

80

产量

0.9

1.5

2.5

销量

0.9

1.5

2

秦川机床工具集团股份公司

RV

产能

1.5

1.5

2.2

60

产量

0.8

1.1

1.8

销量

0.3

0.8

1.1

武汉市精华减速器制造有限公司

RV

产能

1

3

3

40

产量

0.2

0.3

0.4

销量

0.2

0.3

0.4

资料来源:高工产研机器人研究所。


1.发展趋势

工业机器人的高涨需求为减速器行业的发展提供了源源不断的动力,国产减速器作为工业机器人三大核心零部件之一,随着工业机器人市场的不断扩大,减速器领域也在不断成长,我国工业机器人减速器价格有望随着市场需求的增长呈现下降趋势。

随着技术的不断提升,国产减速器智能化水平将在国家政府引导下健康发展,实现性能提升、核心技术的突破,以更好地满足机器人不同应用场景的市场需求。

2.市场机会

减速器作为机器人核心零部件之一,其价格水平对机器人本体市场影响较大,而在谐波减速器方面,国产产品价格极具优势,来福谐波减速器的市场价格较哈默纳科低50%以上,绿的谐波减速器市场价格较哈默纳科、新宝等日本企业低40%~50%,综合来看,国产谐波减速器凭借较大的成本优势有望争夺更多的市场份额。

(二)控制器:人工智能持续推动,智能控制蓄势待发

1.发展趋势

(1)市场需求将持续增长。近年来,由于国家的产业化战略的发布,中国的机器人市场需求高速增长,而随着人工智能技术的快速发展,人机交互层次也逐渐加深,未来机器人不仅能按部就班地完成程序设定的指令,还将拥有自主学习的能力以及与人共同作业的能力。在此情况下,无论在工业领域还是在服务领域,机器人的应用将更加广泛,机器人控制器的需求也将和机器人同步快速增长。

(2)通用化、标准化、模块化。随着机器人控制技术的发展,开发通用化、标准化以及模块化控制器,由通用语言模块化编制形成的专用工业语言,各个层次对用户开放是当前工业机器人控制器的一个发展方向。控制器的开放式模块化优势:各模块相互独立的控制系统设计方案,能够使用户在较大范围内根据自己的独特要求进行“私人定制式”的系统配置方式,如机器人轴数、I/O点数等,具有更大的灵活性;便于用户进行二次开发,下游生产商或用户可在开放式环境下用不同的编程语言开发人机界面和某些特殊机器人的专属控制功能;对第三方应用软件、各种操作平台兼容性强;可有效地降低成本。

(3)高速高精度。随着制造业对机器人要求的提高,开发高精度工业机器人是必然的发展结果,特别在运动规划精度和实时性精度方面,硬件和软件两个方面都受到了制约。硬件随着微电子工艺的发展,可以满足越来越高速高精度的数据通信;软件方面制约主要在于控制算法、操作系统以及通信协议。

(4)控制器控制系统的智能化。人工智能是国产机器人发展的重要机会。在传统机器人领域,准确、稳定、可靠是关键,国产品牌在该领域发展不及国外。在适应协作和智能制造需求的领域,在机器人控制系统的柔性,与人和环境的协作,在智能制造过程的不同层级辅助做决策等能力上,国内外机器人品牌供应商的起点相近。随着新一代信息技术、新材料、新型传感以及人工智能技术的发展,机器人控制系统的智能化程度将越来越高,向具备人机共融、自主学习、灵活作业适应复杂环境等方向发展,人机交互将日渐加深。特别是随着人工智能技术与机器人技术的深度融合,通过智能控制器,机器人将具有更深层次的思维、学习和决策能力,能完成更加复杂和更加具有创造力的工作。

2.市场机会

(1)中国工业机器人控制器行业还未形成明显的竞争格局,特别是新兴领域。国外主流机器人厂商主要致力于传统的电子、汽车领域,国产机器人厂商一直致力于拓展下游领域,如食品饮料、医疗、物流等新兴行业,这些新兴行业机器人需求多样化,在工业机器人未普及的情况下强调定制,精度要求不高,且由于价值量较低、订单规模不大,外资品牌难以全面顾及,国产品牌占据主导优势。

(2)与第三方合作、外延并购,提升中国机器人企业控制器的质量。目前中国工业机器人企业尚未真正掌握控制器这一核心零部件技术,未来可能有两种趋势。

第一,采用第三方供应商的控制器。工业机器人本体企业通过引进第三方的控制器,实现机器人控制技术提升,提升自身的竞争力,比如哈工大机器人集团的智能控制器。

第二,外延并购。比如埃斯顿先后收购英国Trio,控股德国M.A.i.公司,入股美国Barrett、意大利Euclid等公司,并在米兰建立欧洲研发中心,在品牌和技术上初步完成国际化布局,提升自主技术实力并开拓市场。

(3)政策助力,加速机器人产业成长。机器人是抢占智能社会发展先机的重要战略领域。机器人市场的整体水平提高将带动机器人用智能控制器市场扩大和发展,为机器人用控制器市场带来更宽广的商机。《中国制造2025》和“互联网+”的顶层发展战略,将有力促进机器人控制器等核心零部件新兴市场的成长。

(三)伺服系统:信息运营加速融合,驱控一体大势所趋

1.驱控一体化

将伺服驱动、运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中,能够节省系统空间、成本和复杂度;由于节省了总线通信的数据传输耗时,并克服带宽限制,使得运动控制和伺服驱动算法软件上能够深度反馈耦合,进一步提升系统整体控制性能。

驱动控制一体化中的各项功能高度集成于单个CPU处理器,包括运动控制、伺服驱动、系统管理、人机交互和示教等功能。“驱控一体化”的核心在于软件,在于上层机器人控制与关节控制的深度整合,其优势表现如下。

(1)性能和控制。深度合理的优化控制策略,更深度、更合理的前馈控制架构,适应时变非线性的机器人关节控制;响应速度快、精度高。

(2)体积。相较于传统机器人较大的落地式控制柜,“驱控一体”能够将控制柜的体积缩小到台式机大小,从而节省空间。整个装置结构紧凑、接线减少、可靠性增加、操作更简易。

(3)价格。在体积减小的基础上,共用母线,多个驱动器整合在一个控制板上,成本可以降低20%~30%。

2.基于宽禁带器件的高频化电机驱动系统的开发

宽禁带半导体器件SiC/GaN等近年来发展迅速,具有高频、高温、高效、高功率密度、小体积低成本、高稳定等特点,应用到电力电子系统,可使得高频化电机驱动系统研究开发成为趋势。

3.提升伺服系统产品可靠性和一致性关键技术

伺服驱动器的安全性能逐渐得到重视和开发,要保证电机和伺服驱动器在各种复杂工况下得到安全保障。

4.智能化伺服驱动系统的研究

随着人工智能(AI)的迅速发展和广泛应用,AI技术有望使用到伺服控制与驱动技术中。AI技术与传统的伺服驱动算法结合,形成新的智能驱动算法,包括智能参数自整定、智能控制、智能自适应振动抑制等。

5.网络化发展

实时工业以太网的发展推动了伺服驱动器总线网络化的发展。Ether CAT、Profi Net等实时工业以太网应用到伺服驱动器里面,为高性能运动控制、实时数据传输提供了保障,而下一代工业以太网TSN(时间敏感型网络)技术的发展,不仅能够进一步解决数据传输实时性和数量容量大负载的问题,而且解决了总线复杂性问题,加速信息技术(IT)与运营技术(OT)的融合。

(四)传感器:通信接口日趋丰富,智能程度逐步提高

1.视觉传感器

视觉传感器发展至今,早已不是单一的应用产品,已逐渐成为生产制造各个阶段的必要部分。在视觉传感器行业,新标准和新技术正在以前所未有的速度发展。

(1)人工智能(AI)技术将在机器视觉行业中得到深度应用。AI技术的运用,将使机器视觉具有超越现有解决方案的能力,胜任更具有挑战性的应用,使机器思考得更像人类。它可以帮助机器人完成缺陷探测、零件定位、分类等任务中诸多艰巨挑战。例如哈工大机器人集团开发的机器人视觉分拣系统利用人工智能结合视觉,让机器人能够识别不同种类的零食和日用品并分拣放到合适位置。

(2)基于嵌入式的智能相机的使用。随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,一些机器视觉厂商将视觉处理算法置入相机中,方便用户使用。用户不再需要自己开发视觉算法,可以直接使用智能相机集成到机器人系统中。但是受到嵌入式性能限制,智能相机只能运行基础的视觉算法,满足简单的应用。基于工控机和工业相机开发的视觉系统依然是主流。

(3)非工业应用或将成为机器视觉增长的关键因素。无人驾驶汽车、无人机、服务机器人等非工业用途正在迅速普及,并且通常要求机器视觉的功能不同于工业应用。例如,亚马逊正在其公司总部进行无人商店的测试,顾客利用机器视觉相机、传感器和射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)标签,完成购物。当顾客离开商店时,购物费用将从客户的亚马逊账户中被自动扣除,这就使得不再发生排队结账的情况。阿里巴巴、京东等也都在部署这样的无人超市。

2.力传感器

随着机器人智能化程度的提高,配备力传感器的机器人将越来越多。总体呈现以下趋势。

(1)集成度越来越高。力传感器可与机器人本体、数据采集系统、减速器等设备集成。

(2)通信接口日趋丰富。力传感器有模拟电压量输出、以太网通信、Ether Cat通信、CAN总线通信、串口通信、485通信等接口。随着Ether Cat通信的普及,延时已不是力控应用的制约因素。

(3)成本越来越低。以ATI为代表的力传感器公司价格高企,很大程度上制约了机器人力控技术的发展和应用。2010年以来,宇立(SRI)把汽车行业成熟的力传感器技术引入机器人产业,采用以量换价的思路,大幅降低了机器人力控的应用成本。

五、核心零部件重点企业分析

(一)减速器重点企业

1.苏州绿的谐波传动科技有限公司

苏州绿的谐波传动科技有限公司成立于2011年。总部位于江苏吴中,是一家专业从事精密谐波传动装置的研发、设计和生产的高新技术企业。

苏州绿的从2003年开始从事机器人用精密谐波减速器研发,技术力量雄厚,拥有研发人员30余名,并拥有自己的研发中心,其标准的减速器产品有6大系列,共100多个型号。

2018年苏州绿的减速器出货量超14万台,同比增长近45%。为迎合机器人市场需求,2017年苏州绿的已开始建设50万台的精密谐波减速器生产基地,截至目前,其产能20万台左右,预计2019年下半年开始生产。

苏州绿的拥有价格、货期、售后服务等优势,在中国市场上,该公司产品已被国内主流本体厂商采用,代表客户有新松、配天、遨博、珞石科技、新时达、广数、埃斯顿等,其谐波减速器已对哈默纳科造成较大冲击;在立足国内市场的同时,苏州绿的亦积极开拓欧洲及以色列、韩国、美国等海外市场,2018年国外市场占其销售总额近20%。

2.南通振康焊接机电有限公司

南通振康焊接机电有限公司成立于1993年,总部位于江苏海门,以电焊机送丝机起家,系国内较早涉足机器人用RV减速器的厂商,目前正从RV减速器生产向机器人整机制造转型。在减速器研发投入方面,2013~2018年,减速器项目(省级科技产业化项目)已投入8000多万元,获此领域专利数量25项。目前,南通振康“ZKRV”品牌减速器RV-E、RV-C、RD三个系列共10种规格。

总投资1.26亿元的南通振康机器人产业园项目一期建设已于2017年5月顺利投产,产能3万台RV减速器,二期尚在规划。届时,南通振康的RV减速器产能达10万台、焊接机器人2万台,年销售规模20亿元。截至目前,南通振康有“ZKRV”品牌减速器RV-E、RV-C、RD三个系列共10种规格,已被埃夫特、凯尔达、欢颜、新松、佳士科技、华数等300多家机器人本体和集成商部分采用。

3.江苏哈工联合精密传动有限公司

江苏哈工联合精密传动有限公司成立于2014年,总部位于江苏扬州,隶属于哈工大机器人集团(HRG),是一家专业从事精密减速器及其衍生产品的研发、设计、生产和销售的高科技企业,其产品广泛应用于机器人、高端装备、国防军事、航空航天等领域。

(二)控制器重点企业

1.卡诺普自动化控制技术有限公司

卡诺普自动化控制技术有限公司成立于2010年,总部位于四川成都,集工业机器人控制系统研发、生产、销售于一体,并提供工业机器人解决方案,连续多年成为国内应用范围最广、销售量最大的国产工业机器人控制系统生产商。

卡诺普专注于机器人控制系统的研究,系典型的技术驱动型公司,且拥有完善的机器人控制器设计流程、生产设备和检验设施,取得国家双软认证,拥有各类专利17项,并在行业内连续4年获得“恰佩克奖”机器人控制器类的至高奖项。

卡诺普建立研发基地,注重扩大产能。据了解,2017年11月,卡诺普在成都郫都区投资1亿元,建立机器人控制器、伺服系统、传感系统、机器人整机研发生产基地,届时可实现年产3万套机器人控制器、1万台机器人智能传感器及3000台机器人整机。

2.固高科技(深圳)有限公司

固高科技(深圳)有限公司成立于1999年,总部位于广东深圳,专注于运动控制技术、伺服驱动技术、机器视觉技术和机械优化设计四个方向的核心技术研究,通过深入的国内外合作、产学研相结合、积极培育系统集成商等创新的商业模式,将固高科技的运控技术及产品广泛应用于微电子、机器人、数控机床、电子加工和检测、印刷、包装及生产自动化等工业控制领域。

迄今,固高科技为近60个行业、1700余家客户和200多家系统集成商累计完成运动控制系统部署50余万套。

3.华数机器人有限公司

华数机器人有限公司成立于1994年,总部位于湖北武汉,系首批国家级“创新型企业”,率先在国内研发并使用工业机器人“云平台”的企业。华数机器人已设立8家机器人子公司(佛山、重庆、深圳、东莞、宁波、苏州、泉州、常州),研发涉及本体及核心零部件(控制器、示教器、伺服驱动等),并拥有全面的3C领域打磨解决方案。

截至目前,华数机器人已推出五大系列30余种关节机器人整机产品,具备年产1万台工业机器人的能力,2018年,其工业机器人销量超1600台。

(三)伺服系统重点企业

1.清能德创电气技术(北京)有限公司

清能德创电气技术(北京)有限公司成立于2012年,总部位于北京,是一家国内领先的高新技术企业。清能德创以电力电子技术为核心,为电气传动和能源领域的客户提供产品和解决方案。

清能德创通过提供具有先进控制技术的系列产品推动行业发展和产业升级。目前公司推出的高性能伺服驱动等产品,广泛适用于工业机器人、数控机床、纺织机械、包装机械、印刷机械、塑料机械等装备制造行业。

2.汇川技术股份有限公司

深圳市汇川技术股份有限公司成立于2003年,总部位于深圳,是一家专注于工业自动化和新能源相关产品研发、生产和销售,定位服务于中高端设备制造商的技术公司。汇川技术经过十几年发展,公司已经从单一的变频器供应商发展成机电液综合产品及解决方案的科技企业。汇川技术的主要产品涵盖了服务于智能装备和工业机器人领域的工业自动化产品,包括各种变频器、伺服系统、控制系统、工业视觉系统、传感器等核心部件及电气解决方案,还涉及新能源汽车领域动力总成核心部件和服务于设备后服务市场的工业互联网解决方案等。

汇川技术以工业自动化技术为基础,为市场客户提供整体解决方案,其凭仗变频器和伺服起家,于2013年业务扩展到控制器范畴,2014年汇川技术推出了基于EtherCAT总线的IMC100机器人控制器和IS620N总线型相对值的机器人专用伺服系统,目前服务的市场包括小型六轴、小型SCARA和并联机器人等新兴使用范畴。

3.埃斯顿自动化股份有限公司

埃斯顿自动化股份有限公司成立于1993年,总部位于江苏南京,是我国高端智能装备核心控制功能部件的领军企业,并依靠自身核心零部件优势进入工业机器人产业,在全球拥有7家海外分支机构,业务遍及60多个国家和地区,成为国内少数具有机器人关键自主技术和核心零部件的企业之一。埃斯顿目前拥有两大业务模块:智能装备核心部件是基础业务,包括数控系统、电液伺服系统、交流伺服系统和运动控制解决方案;工业机器人及智能制造系统是新兴业务,包括机器人本体、机器人标准化工作站和智能制造系统。凭借多年来在技术研发上的深耕细作,埃斯顿在伺服系统、减速器及机器人本体领域已与国际一流水平相差无几,成为国产机器人企业的主力军。

(四)传感器重点企业

1.杭州海康威视数字技术股份有限公司

杭州海康威视数字技术股份有限公司成立于2001年,总部位于杭州,是以视频为核心的智能物联网解决方案和大数据服务提供商,全球员工超34000人,其中,研发及技术人员占比约47%,研发投入占企业销售额的8.99%。

海康威视下属杭州海康机器人技术有限公司,布局移动机器人、机器视觉产品和算法平台,在机器视觉方面,聚焦工业视觉传感应用,重点研发底层算法软件和硬件技术,其机器视觉产品和算法平台,可广泛应用于3C、电子半导体等自动化各领域,实现定位引导、测量、缺陷检测、OCR识别等应用。

2.北京大恒图像视觉有限公司

北京大恒图像视觉有限公司成立于1991年,总部位于北京,是中国科学院下属企业,主要业务是视觉部件的研发、生产、销售及视觉部件代理业务。

大恒图像研发人员超过200名,拥有自主研发中心,拥有相机、采集卡、图像处理软件、镜头、3D视觉产品等多个系列视觉传感器产品,提供涵盖印刷、包装、电子、交通、安防、冶金、纺织、食品药品、航空航天、医疗科研等各领域的机器视觉解决方案。根据年报显示,大恒图像2018年度机器视觉组团实现销售收入9.21亿元,较2017年度8.82亿元增长4.42%;实现净利润5415.13万元,较2017年度5111.94万元增长5.93%。

3.南宁宇立仪器有限公司

南宁宇立仪器有限公司成立于2007年,总部位于南宁。2007年,原美国FTSS(现Humanetics ATD)总工黄约博士回国创立宇立仪器(Sunrise Instruments,SRI)。宇立是ABB机器人全球供应商,与KUKA、YASKAWA、FOXCONN等国际领先的机器人企业都有深入的合作,积累了大量机器人力控技术的应用经验。

宇立现有六轴力传感器200多个型号,协作机器人关节扭矩传感器50多个型号,力的量程范围从20牛至300千牛,扭矩量程从0.5牛米至540牛米,精度是满量程的0.5%,已累计销售3000多套,客户数量200多家,遍布全球数十个国家。宇立获得国际专利1项,国内发明专利4项,已经建立了六维力传感器标定系统,并于2015年获得了中国合格评定国家认可委员会CNAS认证。


第五章 中国机器人产业系统集成发展报告

一、 系统集成的发展现状

(一)系统集成总体发展概况

工业机器人系统集成应用处于机器人产业链的下游,主要负责工业机器人软件系统开发和硬件集成,为终端客户提供应用解决方案,是工业机器人自动化应用的重要环节,工业机器人产业链构成如图5.1所示。

图片关键词

5.1 工业机器人产业链构成

工业机器人系统集成可分为焊接、喷涂、搬运、码垛、装配等,具体来看,各领域的代表企业见表5.1。

5.1 系统集成行业分类及典型企业

系统集成

细分类别

典型企业

焊接集成

点焊、弧焊、激光焊、等离子焊

奥托、德梅柯、瑞松等

喷涂集成

喷漆、喷雾、喷粉

远荣、泰达、拔山等

搬运码垛

搬运、码垛、上下料

沃迪、万世德、宝佳等

抛光打磨

去毛刺、打磨、抛光

利迅达、埃华路、罗庚等

组装装配

汽车总装、组装、装配

博众、科瑞、利元亨等