機器人三大核心零部件分析

技術

1． 產業鏈：上游零部件、中游本體、下游集成應用

機器人產業鏈大致可分為原材料、核心零部件、本體制造、系統集成服務等環節，由于原材料在機器人制造成本中占比不大，因此本文將對機器人本體、核心零部件、系統集成等三個環節做詳細介紹和分析

核心零部件環節：機器人的控制過程由控制器發指令給伺服驅動，然后驅動伺服電機旋轉，最后通過減速機執行動作，控制器、伺服電機、減速器等三大核心零部件占據了工業機器人成本的 70％ 以上

本體制造環節：機器人本體也稱為機器人裸機，按照機械結構分，可以分為直角坐標機器人、SCARA 機器人、關節型機器人、圓柱坐標機器人等

集成應用環節：是指在本體上安裝夾具及其他配套系統（視覺控制、力控等）以完成特定功能，按照應用分類可以分為搬運應用、焊接應用、噴涂應用、切割應用等，按照行業可分為汽車、電子電氣行業等

2． 結構：三大部分、六子系統

機器人是一個典型的機電一體化產品，由三大部分、六子系統組成，三大部分分別是機械部分、傳感部分、控制部分，六個子系統分別是：

驅動系統：為工業機器人的運動提供動力，這種動力可能來自液壓傳動（液壓缸）、電力傳動（電機）等；該系統包含了提供動力的硬件如電機等，也包括控制電機的伺服系統等

機械結構系統：工業機器人的外觀主體，即本體，包括機身、臂部、手腕、關節、末端操作器等；該系統主要是硬件

控制系統：根據作業指令及傳感器反饋回來的信息控制執行機構，該系統包括了控制算法，和硬件空間柜或控制器，其中控制算法是工業機器人實現精確操作的核心

感受系統：獲取機器人內部和外部信息，幵把這些信息反饋給控制系統；這些信息包括操作器的位置和速度、環境溫度、行走誤差等；該系統包括了傳感器等硬件，及信號處理的算法

人機交互系統：實現人員操控工業機器人的接口，操作人員的指令可通過該系統將指令轉化為機器可解析的語言；該系統包含了人機交互界面等硬件及相關軟件算法

機器人環境交互系統：一臺機器人通常并非單獨工作，而是要和其他機器人或其他設備協同工作，因此需要機器人有與其他設備交流的能力，該系統主要是軟件系統

如果將機器人與人對比，機械系統相當于人類的骨骼，驅動系統相當于肌肉，控制系統相當于大腦，感受系統相當于神經，交互系統相當于傳播信息的嘴巴和耳朵，多個系統密切協作，完成復雜的動作

三、零部件

3． 三大核心：減速器、伺服電機、控制器

從產業鏈結構上看，工業機器人由減速器、伺服電機、控制器、本體四大部件構成，前三者分別占整機成本約 35％、20％、15％，合計 70％

四、減速器

4． 定義：轉速下降、扭矩增大、控制精度

提供動力的電機轉速很高，通常與工業機器人的應用場景不匹配，這就需要減速器這種機械來使輸出轉速降下來，除此之外，減速器還有另外兩個作用：

一是增加電機的輸出扭矩：對于同一個電機來說，其輸出功率（P）是恒定的，此時轉速（n）與扭矩（T）成反比，即：P＝9550·n·T，因此當使用減速器降低輸出轉速后，輸出的扭矩相應會提高，使機器人可以承擔更高的載重負荷

二是提高控制精度：這類似于時鐘的原理，如果直接通過控制時針來計時，在讀取非整數時刻的時候誤差非常大；通過控制轉速更高的秒針，帶動分針和時針，大大降低了控制難度，提高了控制的精度 通常，在工業機器人的每個關節處，都有一個電機，每個電機配套使用一個減速器，減速器的核心性能參數是傳動比（輸入轉速與輸出轉速之比），其他參數如噪音、壽命、回差（由于設備剛性不足導致的誤差）等也比較重要

5． 市場規模：百億

我國減速器市場規模約 75 億元

6． 分類：小諧波、大 RV

減速器的分類形式有多種，工業機器人常用的一般有兩種：一種是諧波減速器，通常體積小、傳動比大、零間隙，多用于小臂、腕部或手部等輕負載的位置；另一種是 RV 減速器，通常具有更高的剛性和回旋精度，慣性小，具有良好的加速性能，廣泛用于機座、大臂、肩部等負載較重的位置

7． 諧波：發生器、柔輪、鋼輪

諧波減速器 1957 年由沃爾頓·穆塞發明，由三部分組成：諧波發生器、柔性輪和剛輪，其工作原理是由諧波發生器使柔輪產生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞動力，并達到減速的目的，按照波發生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤式，諧波減速器傳動比大、外形輪廓小、零件數目少且傳動效率高。單機傳動比可達到 50－4000，而傳動效率高達 92％－96％

看個視頻就明白諧波減速器的原理了～

8． RV：擺線輪＋行星輪

RV 減速器結構主要分為兩級：第一級為漸開線圓柱齒輪行星傳動機構，第二級擺線針輪傳動主要構件包括轉臂曲柄、擺線輪、針齒殼。其特點在于在承受大負載的同時保證高的運動精度，其技術難點在于加工工藝：1）擺線輪零件對鋼材尺寸精度、形位公差以及粗糙度要求極高，擺線齒廓曲線要求修形精準，強度硬度要求高；2）RV 減速器對零件的加工、裝配精度要求非常高

RV 減速器一般應用于重載機器人的腿部腰部和肘部三個關節，相比諧波減速器，RV 減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長，運動精度會顯著降低，其缺點是重量重，外形尺寸較大

9． 全球：納博特斯克 RV、哈默納科諧波

精密減速器制造投資大，技術難度高，有很高的壁壘，全球工業機器人減速器的市場高度集中，日本納博特斯克（Nabtesco）壟斷 RV 減速器，占全球 60％，日本哈默納科（Harmonic－Drive）主打諧波減速器占 15％

10． 中國：諧波綠的來福、RV 雙環振康中大力德

蘇州綠的諧波 2019 年銷量 9 萬臺，國內第一，2020 年 8 月 28 日科創板上市，來福諧波第二

日本納博特斯克、日本住友重機、斯洛伐克 Spinea 是全球 RV 減速器三強，國內雙環傳動、南通振康、中大力德、秦川機床等企業已經實現小批量生產

五、伺服系統

11． 定義：電機、驅動器、編碼器

伺服系統是工業機器人主要的動力來源，主要由伺服電機、伺服驅動器、編碼器三部分組成，伺服含義為“跟隨”，源于希臘語“奴隸”的意思，指按照指令信號做出位置、速度或轉矩的跟隨控制

伺服電機（servo motor）將電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出

伺服驅動器接受編碼器信號進行修正調整，然后根據指令發出相應控制電流，包括位置控制單元、速度控制單元和驅動單元三部分 編碼器與電機同步旋轉，電機轉一圈編碼器也轉一圈，轉動的同時將編碼信號送回驅動器，驅動器根據編碼信號判斷伺服電機的轉向、轉速、位置是否正確，據此調整驅動器輸出電源頻率及電流大小

12． 市場：百億

國內市場規模約 100 億

13． 原理：脈沖閉環控制

伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到 0．001mm

看個視頻就明白了～

14． 分類：交流、直流、步進

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，直流伺服電機分為有刷和無刷電機，交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機，詳細請持續關注本公眾號史晨星（shichenxing1）

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角，只有周期性的誤差而無累積誤差

15． 全球：安川、松下、三菱

歐美系品牌伺服驅動器特點是過載能力強、動態性能好、總線技術性能優秀、開發性較好，典型代表是西門子、倍福、貝加萊、羅克韋爾等

日系品牌特點是價格親民、體積較小、重量輕、動態性能稍弱，能夠滿足絕大部分的應用要求，典型代表是安川、松下、三菱等

在中高端工業機器人應用行業，國外品牌的伺服驅動器占據了國內工業機器人伺服驅動器市場份額的 80％ 以上

16． 中國：匯川、埃斯頓

2018 年歐美系市場份額從 18．7％提高到 19％，日臺份額從 59％略降到56％，國產廠商份額從 22．3％ 增長到 25％，比較典型的是匯川和埃斯頓，2018年國內市場份額分別為4．8％、2．3％

匯川技術

匯川技術是伺服電機及控制器的國內龍頭企業，2017 年，運動控制類產品收入9．34 億，同比增長 86．22％。工業自動化＆工業機器人業務收入 37．6 億，同比增長 46．13％，其中工業機器人相關業務 0．83 億，同比增長 184％

六、控制系統

17． 定義分類：單片機、PLC、IPC 運動控制

控制系統是機器人的大腦，是決定機器人性能的關鍵要素，接收來自其他各單元的信號、根據已編程的系統進行處理后，向各單元發出指令，進而控制各單元的運行

目前常用的控制系統從結構上分為三類：以單片機為核心的控制系統，以可編程控制器（PLC）為核心的控制系統，以及基于工業個人計算（IPC）＋運動控制器的機器人控制系統，其中 IPC＋運動控制器的控制系統憑借運行穩定、通用性強、抗干擾性能力強等優勢，正在逐步成為工業機器人控制系統的主流

18． 市場：30 億

預計2018－2020 年工業機器人用控制器需求量將分別達到 19 萬臺、25 萬臺、32 萬臺，市場規模分別為15 億元、20 億元、26 億元

19． 原理：導引示教

控制系統的基本功能包括（1）位置伺服：機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等（2）示教：示教也稱導引示教，既是人工導引機器人，一步步按實際需求動作流程操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的姿態、位置、工藝參數、運動參數等，并自動生成一個連續執行的程序，完成示教后，只需要給機器人一個啟動命令，機器人將會地自動按照示教好的動作，完成全部流程；（3）各種接口：如與外圍設備聯系（輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口）。

人機接口（示教盒、操作面板、顯示屏）。傳感器接口（位置檢測、視覺、觸覺、力覺等）（4）坐標設置：為機器人運動設置坐標系（5）存儲：存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息（6）故障診斷安全保護：運行時系統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷

PLC順序控制

20． 全球：四大家族 控制器的市場份額基本和機器人本體保持一致，以發那科、安川、庫卡、ABB為代表的四大家族普遍采用自產自用的生產模式，四大家族的控制器合計占據約53％的市場份額，其中發那科占比為16％，庫卡占比為14％，ABB為12％，安川為11％

21． 中國

國內知名的工業機器人生廠商均自主研發了自家的控制系統，包括新松機器人、埃斯頓、華中數控、新時達、廣州數控、匯川技術等公司，也誕生了一批專業的控制系統服務商如固高科技、英威騰、卡諾普等

七、其他

22． 執行器：氣動、電動

末端執行器裝配在機械臂末端，直接與工件接觸以執行工作任務，具有處理、傳輸、夾持、放置工件等功能，常見的有吸盤、機械手抓、托持器、噴涂槍、焊槍等

全球制造業每年消耗掉模塊化夾爪數量超過 3000 萬個，根據 Global Market Insights， Inc 研究報告，機器人末端執行器市場的收入在 2018 年超過 25 億美元，預計到 2025 年將達到 65 億美元大關

從控制方式來分，模塊化夾爪可分為氣動、電動和其他類型，氣動夾爪占比高達 90％

雖然全球氣動市場規模已經達到千億元的市場，但我國民族品牌的銷量卻不到世界市場的十分之一，僅為美國的 1／21，日本的 1／15，德國的 1／8，國際前 20 強公司中沒有一家中國本土企業

23． 傳感器：內部、外部

傳感器根據檢測對象的不同，可分為內部和外部傳感器，內部傳感器主要檢測自身位置、速度、加速度等狀態，主要用于伺服控制，外部傳感器檢測壓力、距離、視覺等外部環境

責任編輯：xj