工业机器人的四项基础能力，五种关键零部件，六大标志性产品

中发智造说

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 

工业机器人的典型应用包括焊接、刷漆、组装、采集和放置（例如包装、码垛和SMT）、产品检测和测试等，具有高效性、持久性、高效率和准确性。 

工业机器人是先进制造业的关键支撑装备。大力发展工业机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设具有重要意义。 

发展工业机器人，要重点打造四种基本能力，五种关键零部件，六种标志性产品。

四项基础能力

一、机器人共性关键技术

在工业领域，共性关键技术大致可分为两类：

1.工业机器人关键技术：重点突破高性能工业机器人工业设计、运动控制、精确参数辨识补偿、协同作业与调度、示教/编程等关键技术。

2.新一代机器人技术：重点开展人工智能、机器人深度学习等基础前沿技术研究，突破机器人通用控制软件平台、人机共存、安全控制、高集成一体化关节、灵巧手等核心技术。

为加强共性关键技术研究，《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，针对智能制造和工业转型升级对工业机器人的需求，重点突破制约我国机器人发展的共性关键技术。积极跟踪机器人未来发展趋势，提早布局新一代机器人技术的研究。

二、机器人创新中心

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，充分利用和整合现有科技资源和研发力量，组建面向全行业的机器人创新中心，打造政产学研用紧密结合的协同创新载体。

重点围绕人工智能、感知与识别、机构与驱动、控制与交互等，开展基础和共性关键技术研究，深入开展高端制造业领域的前沿基础研究和应用基础研究，推进科技成果的转移扩散和商业化应用，强化国际交流与合作，培养机器人专业研发设计人才。

三、机器人产业标准

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，要发挥企业参与制修订标准的积极性，研究制订一批机器人国家标准、行业标准和团体标准，主要包括机器人用RV减速机通用技术条件等通用技术标准、机器人整机电磁兼容技术要求和试验方法等检测标准、工业机器人编程和操作图形用户接口等通信控制标准、设计平台标准和喷涂机器人系统应用规范等应用标准。

四、国家机器人检测与评定中心

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，建立并完善以国家机器人检测与评定中心为代表的机器人检验与认证机构，面向机器人整机及关键功能部件两方面内容开展检测与评定工作。

整机性能评价包括：安全、性能、环境适应性、噪音水平、电磁兼容性、可靠性及测控软件评价等；

功能部件检测评定包括：零件质量、零部件安全及性能、噪声、环境适应性、材质和接口等。

五种关键零部件

一、高精密减速器

精密减速器，在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置，通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮，啮合输出轴上的大齿轮，从而达到降低转速，增加转矩的目的。

没有减速器，机器人关节臂就不能正常运转。

精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度；根据用途可分为军用和民用；根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。

目前国际上具备大规模生产能力且产品性能可靠的RV减速器制造企业较少，全球绝大多数市场份额已被日本企业占据。国产减速器价格虽然便宜，供货期短，但产品性能与国外产品存在较大差距。因此，国产减速器大多只能供给中、低端机器人使用，无法满足高端机器人市场需求。

为此，《机器人发展规划》明确，通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性，探索寿命检测技术以及新型传动机理，发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。

二、高性能机器人专用伺服电机和驱动器

伺服电机作为控制系统中的执行元件，是影响机器人工作性能的主要因素之一。机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

目前，高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。国产伺服电机在以下方面仍需突破：

一是外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。

二是信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向优化，方便安装、调试、更换。

三是另一项核心技术——高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。

四是缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术等等。

五是伺服系统各部分产业协同不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以发挥。

伺服电机不仅直接关乎国内机器人企业的市场竞争力，长远来看，对于整个中国机器人产业的发展具有战略意义。为此《机器人发展规划》特别强调，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，降低功率损失，实现高功率密度。发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机。

三、高速高性能控制器

指挥机器人工作的是人类吗？不，是控制器。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。

控制器是发布命令的“决策机构”，是自动化工厂的大脑。掌握控制器的主导权，相当于控制了机器人的性能。在中国，四大家族的控制器市场占比为53%，其中，发那科占比16%，库卡占比14%，ABB机器人占比12%。而国产品牌控制器市场占比不及16%，可见在中国控制器领域，国产程度较低。

目前国产控制器市场主要存在以下问题：

1、国产控制器可控制的机器人类型齐全，但在操作精度、稳定性、响应速度、易用性等方面还有很大的进步空间。

2、机器人本体和零部件绑定效应强，一般成熟的机器人企业都能实现本体和核心零部件的自主研发和掌控，因此，国产单纯做控制器的企业难以突围。

3、国产控制器性价比高，这个既是优势也是劣势，优势是可占领对机器人精度要求不高的中低端市场和新兴领域；劣势主要表现在对于高端市场，道阻且长。

为此，《机器人发展规划》特别强调，通过高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术的发展，提高高速变负载应用过程中的运动精度，改善动态性能。发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术，提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。

四、传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将其按一定规律转换成电信号或者其他可供测量的信号输出，以满足信息传输、处理、储存、显示、记录、控制等要求。

工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的准确认识，这种认识正是通过传感器实现的。

由于行业起步晚、竞争压力大，我国传感器发展依然面临三大困境。

首先是关键技术尚未突破。传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识，突破起来十分困难，目前，在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下，我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

其次是产业化能力不足。国内传感器产品不配套且不成系列，重复生产、恶性竞争多发，使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重，只能长期依赖国外进口。

再次是资源不集中。目前我国传感器企业有1600余家，但大都以小微企业为主，盈利能力不强，缺乏技术引领的龙头企业，最终导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面都变现出分散的状态，资源得不到有效集中，产业发展也迟迟无法走向成熟。

为此，《机器人发展规划》特别强调重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉等传感器，满足机器人产业的应用需求。

五、末端执行器

末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘（关节）具有一定功能的工具。这可能包含机器人抓手，机器人工具快换装置，机器人碰撞传感器，机器人旋转连接器，机器人压力工具，顺从装置，机器人喷涂枪，机器人毛刺清理工具，机器人弧焊焊枪，机器人电焊焊枪等等。机器人末端执行器通常被认为是机器人的外围设备，机器人的附件，机器人工具，手臂末端工具（EOA）。

随着工业机器人快速发展，末端执行器也获得了庞大的应用与发展空间。为此，《机器人发展规划》特别强调，要重点开发抓取与操作功能的多指灵巧手和具有快换功能的夹持器等末端执行器，满足机器人产业的应用需求。

六大标志性机器人

中国制造业想要实现智能制造，不仅需要开发、应用多种多样的工业机器人，更要加快发展以全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人为代表的六大标志性工业机器人，推进工业机器人向中高端迈进。

1.全自主编程智能工业机器人

根据《机器人产业发展规划》的相关规定，满足智能制造及先进制造业发展的全自主编程工业机器人，自由度要在6以上，适应工件尺寸范围在1m*1m*0.3m以上。该类工业机器人需要具备智能工艺专家系统，自动获取信息，生成作业程序（全过程非示教，自动编程时间小于1秒），以满足喷涂、抛光、打磨等复杂的作业要求。

2.弧焊机器人

弧焊机器人即用于自动弧焊的工业机器人，其组成原理与点焊机器人基本相同，主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。弧焊机器人通常由机器人本体、控制系统、示教器、焊接电源、焊枪、焊接夹具、安全防护设施等多个部分组成。

在向中高端升级的过程中，弧焊机器人要广泛应用焊缝轨迹电弧跟踪、高压接触感知、焊缝坡口宽度电弧跟踪等多种关键技术，集中研发6自由度多关节机器人，达到中厚板弧焊机器人额定负载≥10kg，薄板弧焊机器人额定负载6kg等技术指标。

3.人机协作机器人

人机协作机器人是与人类在共同工作空间中有近距离互动的机器人，是当下工业机器人领域的发展重点。以往大部分的工业机器人是自动作业或是在有限的导引下作业，不需要考虑和人类近距离互动。而随着工业4.0越来越近，人与机器携手合作、发挥各自的专长，也就越来越必要，越来越迫切了。

面向未来智造趋势的人机协作机器人，应是6自由度以上的多关节机器人，自重负载比小于4，重复定位精度±0.05mm，力控精度<5N，碰撞安全监测响应时间<0.3s，选配本体感应皮肤的整臂安全感应距离<1cm，防护等级IP54。应适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业（如电子、医药、精密仪器等），同时满足更多工业生产中的操作需要。

4.重载AGV

AGV即无人搬运车(Automated Guided vehicle)的简称。通过装备自动化导引装置，AGV可以沿规定路径行驶，并完成物料搬运与安全保护，可代替叉车及拖车等传统搬运设备，实现少人化乃至无人化操作。

AGV机器人具有极高的工作效率，不仅大大降低了人工成本，也极大地减少了工作中的意外事故，因此在工业领域异常火热，也是未来智能制造领域必不可少的搬运装备。

在促进工业机器人迈向中高端领域的过程中，重载机器人是一大标志性产品。根据《机器人发展规划》，重载AGV的指标有以下几项——

驱动方式：全轮驱动；最大负载能力40000Kg；最大速度：直线20m/min；转弯半径：2m；辅助磁导航精度：±10mm；防碰装置：激光防碰；举升装置：车体自举升；举升行程：最大100mm。

5.双臂机器人

随着现代制造业不断向智能制造方向迈进，单臂机器人的局限性越来越明显，不能完成的工作任务、不能适应工作场景越来越多。在此情况下，双臂机器人应运而生。双臂双动力器人模仿了人体双臂的协作原理、具备双臂分别操作功能。双臂甚至多臂协作机器人，完美适应并有效促进了智能制造，实现了机器与人的完美协同、共存共享。

根据《机器人产业发展规划》，双臂机器人的核心指标包括以下几个方面——

每个单臂6自由度以上，关节转动速度≥±180°/s，双臂平均功耗<500W，拥有双臂碰撞检测的路径规划功能，集成双目视觉定位误差<1mm，2指/3指柔性手爪行程≥50mm，抓取力≥30N，重复定位精度±0.05mm，适用于3C电子等行业的零件组装产线。

6.真空（洁净）机器人

真空（洁净）机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。研发真空机器人的关键技术包括真空环境下传动润滑、直驱控制、动态偏差检测与校正及碰撞检测与保护等。

真空机械手通用性强、用量大、受限制、难进口，是制约半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件，当下已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。

根据相关政策标准，符合我国智能制造确实的真空机器人，应满足真空最大负载15kg，洁净最大负载210kg，重复定位精度±0.05～0.1mm等核心指标。 

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