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2017年我国机器人行业发展现状、产业链及发展机会分析(图)
发布时间:2017-09-30 15:12
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        (一)机器人产业发展现状

        在全球范围内新一轮科技革命和产业变革的浪潮下,中国经济也在加速转型,推动传统产业升级,特别是随着“人工智能”技术手段的突破和渗透,搭载了智能技术的传统产业开始寻求新的发展方向。而作为中国经济第一支柱的制造业,同时受到经济增速放缓、竞争加剧、成本高企、需求减缓、环保政策高压等多重不利因素的影响,摆脱困境,重新洗牌是摆在制造业企业面前最为迫切的问题,为了提振制造业企业,国家在顶层设计上推出了《中国制造2025》发展规划,规划将创新定位于发展制造业的核心位置,鼓励关键技术自主研发,并大力推进信息化与工业化融合,将智能制造作为中国制造业的重点发展领域,从而成为推动经济增长的新引擎。

        截至目前,距离《中国制造2025》发布逾两年时间,规划中提及的智能制造装备和产品,包括:新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器、高档数控机床、工业机器人等,在部分领域国内企业已经从初涉逐渐走向产业化。特别是在机器人领域,根据国际机器人联合会(IFR)公布的数据,在2016 年,在电子、电气信息等技术进步的推动下,中国已经是全世界机器人增长最快,存量最大的市场,2016 年中国市场的销量增长了27%,达到8.7 万台。IFR 预测,从2018 年到2020 年,工业机器人每年的平均销量增长将保持在15%—20%之间。毫无疑问,未来几年,机器人产业在中国市场将一直保持高速增长。
图:年末中国工业机器人库存量(单位:万台)
        参考观研网相关发布的《2018-2023年中国工业机器人行业专项调研及投资战略咨询报告

        (二)机器人产业链分析

        1.机器人的介绍和分类

        智能装备和产品主要指工业自动化成套装备,包括机器人、主控机床、控制器、其他自动化辅助生产设备等。机器人按照应用领域的不同分为工业机器人、服务机器人、特种机器人。其中工业机器人在全球范围内技术发展的最为成熟,应用最为广泛,已经向更多的细分领域渗透和拓展。

        工业机器人最初雏形是机械手,机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件形状、尺寸、重量、材质和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,帮助手部完成规定的动作,如转动、摆动、移动或者复合运动等,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等称为机械手的自由度。自由度越多,机械手灵活性越大,一般来说,专用机械手有2—3 个自由度,通用机械手需有6 个自由度。控制系统是通过芯片控制程序对机械手每个自由度电机的控制,来完成手部抓取、搬运物件或操作工具等特定动作,同时接收传感器反馈的信息,形成稳定的闭环控制。机械手主要用作机床或其他机器的附加装置上,一般没有独立的装置,用于冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序之中。后期随着计算机和自动控制技术的进步,自动控制和伺服机构等技术发展迅速,通用性独立的工业用自动操作装置被研制出来,它可以按照预先编排的程序运行,由伺服系统驱动,独立执行工作。这种独立的工业用装置被成为工业机器人。

        工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体包括机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走装置。机械手成为了机器人一部分,在机器人的末端执行各项任务。同时由于人工智能技术和手段的运用,计算机程序将触觉、视觉等识别技术植入到机器人中,使其具有识别功能、学习功能,能够在较为复杂的环境下工作,即成为了智能型工业机器人。由于传感器、人工智能、大数据、物联网等技术的运用,机器人产业中涌现出新的制造模式和商业模式——服务型机器人出现了。相较于工业机器人,它与个人、家庭生活联系更为紧密,根据预测,2015-2018 年,个人及家庭用服务机器人全球销量将达到2,590万台,市场规模将达到122 亿美元。

        目前我国服务机器人需求领域包括:养老、监护等社会需求;国防、公共安全、救援抢险、科学考查等国家重大需求;在智能家居、教育、保洁等个人及家庭消费需求。服务机器人的重点在于服务,基于特殊场景应用的服务及AI 的建设是重点,各行业AI 化将是未来的发展方向。特种机器人是应用于特殊领域的机器人,主要应用于军用、深海勘探作业等,目前水下机器人、军用机器人、空中机器人等领域实战经验最为丰富,特别是空中机器人,又称为无人机,目前已经产业化,而且可以扩展至民用领域,未来该细分领域具备更大的发展前景和更宽阔的发展空间。
图:智能装备的分类

        2.机器人的产业链

        和其他行业一样,机器人产业链也分为上游、中游和下游。上游是核心零部件的生产,包括控制器、伺服系统、减速器;中游是机器人本体的生产,即机器人的支撑基础和执行机构,包括机械传动系统和机体结构;下游是机器人的系统集成和行业应用,即机器人控制软件、机器人本体、机器人应用软件、机器人周边设备结合起来,成为系统,应用于各场景之中,实现机器人的终端应用,如焊接,打磨,上下料 、搬运、机加工等工业自动化流程。
图:.机器人产业链条

        3.机器人工作原理

        机器人的控制通常由一台或者多台微机来实现,有时候会采用上、下两级微机共同完成控制,主机负责管理系统、通讯、按照运动学和动力学逻辑进行计算,并向下级微机发送指令信息。机器人的各个关节作为下级从机,分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。控制器对机器人控制的速度、精准度是通过驱动系统完成的,即通过伺服电机完成。伺服电机可以将所收到的信号和命令转换成转速和转矩以驱动机器人,使机器人在命令的范围内以指定的速度活动,是一种间接变速装置。减速器的作用于匹配原动机和工作机或执行机构之间转速和传递转矩。使用它的目的是降低转速,增加转矩。减速器一般用于低转速大扭矩的传动设备,把电动机、内燃机或其它高速运转的动力,通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。主要应用在机器人关节上,可以让机器人的关节更加柔性、多变、灵活。

        机器人本体是通过技术将零部件和机身本体以及传动系统联接起来,即将工业机器人支柱、手臂、底座等部件与控制器、伺服系统、减速器等零部件生产加工组装起来。工业机器人本体包括:传动部、机身及行走机构、臂部、腕部、手部等关键部位。一般情况下,机器人本体投入使用时是无法单独运作的,需要经过系统集成以及行业应用后才能实现终端客户的需求,即焊接、涂装、总装各个组成部分,并根据客户所处的行业,提出行业解决方案,将软件系统与机器人整体连接,使机器人按照软件程序的指令操作,以满足不同客户的需求。

        (三)国内机器人产业的市场机会分析
        从产业链条各关键环节看国内机器人产业发展现状

        从机器人产业链条上看,机器人核心零部件、本体、系统集成及行业应用是创造利润的重要环节。目前国产工业机器人成本主要由控制器、伺服系统、减速器、机器人本体等组成部分的影响,其中控制器、伺服系统、减速器等成本占比超过60%,特别是减速器,其成本占比在31%—38%。目前国外机器人的成本在15-20 万之间,而国内的机器人的成本在30 万左右,比国外机器人成本高了近一倍,主要原因在于核心零部件成本居高不下,特别是减速器和伺服系统。而且从市场结构中看出,这两大关键零部件基本依靠进口,被日本、美国、德国等国家的大型公司垄断,外资市场份额超过80%。

        由于受成本高,需求量小等因素的制约,国内工业机器人难以形成规模化生产,大部分国内企业依靠从国外进口关键部件,对机器人各组成部分进行焊接、喷涂、组装等,主要聚集于产业链的中下游。然而在高难度焊接和集成领域,国外企业依然占据主导地位,市场占有率依然超过80%。在多关节机器人领域,国外企业占90%的市场份额,六轴以上工业机器人外国品牌,国外企业占85%的市场份额。而国产机器人装备却主要集中在搬运、码垛、上下料等低端工业领域,而且由于近年来行业的快速增长,大量重复建设,已经积累了产能过剩的风险。

        国内机器人产业链条各个环节的发展方向

        2016 年,工业和信息化部、发展改革委、财政部联合发布了《机器人产业发展规划(2016-2020 年)》,规划明确提出,到2020 年,力争培育3 家以上具有国际竞争力的龙头企业,打造5 个以上机器人配套产业集群,在高端市场的占有率达到50%以上。这意味着中国机器人产业未来的发展方向是从产业链中的低端水平向高端水平逐渐转移。因此以技术自主创新为突破口,寻求核心零部件国产替代,并在已有的市场份额中做深做细,推动用智能装备对机器人升级,扩大机器人应用领域,形成规模化生产。从产业链条各环节看,目前国内机器人控制器技术已经较为成熟,是与国外企业差距最小的关键零部件,机器人轴数、关节数越多,对应控制器技术水平要求也越高。目前上市公司埃斯顿主要从事控制器的生产。

        对国内机器人行业最为迫切的还是伺服系统和减速器的国产化,如果研发出技术、质量符合要求的零部件,会让机器人的成本降低至少一半。目前国内的埃斯顿、汇川技术、华中数控等上市公司在伺服电机和驱动器领域也有所建树,致力于国际化水平的产品质量,占据了一定的市场份额。目前国内还没有能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产的企业,国内一些企业在精密减速器方面的研发在稳步推进,上市公司秦川发展、上海机电、双环传动已经涉足精密减速机领域。

        机器人本体企业具备整合上游零部件和下游系统集成商的机会,目前涉足此领域的国内企业较多,有些自己实施集成,有些外包给其他集成商。目前国内做的比较好的有上市公司新松机器人,其主营业务就是机器人集成,而且率先开发出7 轴机器人,打破了只有外企可以生产多轴机器人的局面。目前市场也出现了九轴的喷涂机器人,但是尚未形成规模。

        从国内市场结构看,大部分企业还是 以低端经济型本体为主要产品,包括三、四轴专用机器人、低成本的六轴通用机器人。而且由于这种机器人主要应用在电子、家电制造、金属制造、塑料化工、食品等行业中,对其零部件的精密度要求不如工业机器人高,借助于其低成本的优势,该类机器人国产化替代效应较强。

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