運(yùn)動控制與機(jī)器人市場概述

本作者為IHS工業(yè)自動化組高級分析師。

摘要：本文介紹了機(jī)器人的分類以及各種應(yīng)用方向，分析了不同運(yùn)動控制在機(jī)器人上的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀。

推動機(jī)器人發(fā)展的根本因素：人口老齡化

　　全球大多數(shù)發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家都面臨人口老齡化問題。比較中國、日本、美國和印度在2014年的人口年齡分布圖可以發(fā)現(xiàn)，印度是一個(gè)完美的金字塔型，意味著未來至少二十年，印度的年輕勞動人口供應(yīng)將源源不斷，正在享受人口紅利;日本的人口分布圖是一個(gè)頂部更寬大的橄欖型，老齡人口占比非常大，而工作人口將越來越少，意味著更少的人口將會供養(yǎng)更多的人，這也是造成日本經(jīng)濟(jì)長期低迷的主要原因。美國的人口分布圖比較平均，主要是不斷有年輕的外來移民進(jìn)入美國，老齡化現(xiàn)象并不明顯。 日本的現(xiàn)在就是中國的未來，中國正在走向人口的老齡化(如圖1)。

發(fā)達(dá)國家對策： 高端制造業(yè)回流，通過機(jī)器人等自動化裝備重新建立優(yōu)勢

　　發(fā)達(dá)國家由于制造業(yè)外包，產(chǎn)業(yè)空心化很多年，一些發(fā)達(dá)國家雖然依然掌握核心技術(shù)，但制造成本比較高。這些發(fā)達(dá)國家正積極推動高端制造業(yè)的回流，比如說穆斯克雖然認(rèn)為人工智能對人類的威脅很大，但在運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人方面還是沒有保留的，他的TESLA工廠機(jī)器人的應(yīng)用非常多， 幾乎做到了全自動的無人化生產(chǎn);對于發(fā)達(dá)國家來說，引入機(jī)器人可以幫助他們快速重新建立制造業(yè)的競爭能力，我們也觀察到美國的工業(yè)機(jī)器人最近幾年的出貨量僅次于中國和日本。

中國對策：通過機(jī)器人等自動化裝備提升企業(yè)競爭力

　　勞動力成本上升并不是推動機(jī)器人換人的主要原因，維持企業(yè)的競爭力才是推動機(jī)器人換人的主要原因。勞動力成本和工資水平是不同的概念，勞動力成本不但取決于工資水平，還決定于勞動生產(chǎn)率。 計(jì)算公式圖2。

　　根據(jù)這樣的計(jì)算方法，可以計(jì)算得出各個(gè)國家的勞動力成本，中國的勞動力成本和墨西哥差不多，但比德國、英國和美國依然低很多。中國的勞動力成本(9.81歐元每小時(shí))比越南(14.74歐元每小時(shí))還要低。

　　機(jī)器人換人的目的并不是為了抵消勞動力成本上升的影響，而是為了提高企業(yè)競爭力，而企業(yè)的競爭力包括很多方面， 比如制造成本、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、市場開拓等。而產(chǎn)線更加自動化和引入機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，可以提升勞動生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)線的柔性，提高快速響應(yīng)速度。

機(jī)器人的分類

　　機(jī)器人分為以下四大類：工業(yè)機(jī)器人、專業(yè)服務(wù)機(jī)器人、家庭個(gè)人服務(wù)機(jī)器人和軍用機(jī)器人。軍用機(jī)器人其實(shí)是發(fā)展最早，技術(shù)最領(lǐng)先的。工業(yè)機(jī)器人其實(shí)只能算是機(jī)器人的一個(gè)細(xì)分行業(yè)， 工業(yè)機(jī)器人比較成熟，已經(jīng)商業(yè)化很長時(shí)間。 工業(yè)機(jī)器人按照形式可以分成如圖3幾類。

　　服務(wù)機(jī)器人主要按照應(yīng)用分為專業(yè)服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人家庭服務(wù)機(jī)器人， 專業(yè)服務(wù)機(jī)器人主要用在專業(yè)或者商用用途，個(gè)人家庭服務(wù)機(jī)器人主要用在個(gè)人或者家庭生活。服務(wù)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用差別很大，有些行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，比如掃地機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人， 而很多專業(yè)的服務(wù)機(jī)器人還在大學(xué)和研究院的研發(fā)階段， 離商業(yè)化還有距離。

　　服務(wù)機(jī)器人按照組成形式分類： 服務(wù)機(jī)器人也可以按照機(jī)器人的組成形式來劃分：基于陸地的、基于空中的、 水上的和可穿戴的(如圖4)。 陸地，水面，空氣中的應(yīng)用場景對機(jī)器人的需求是不一樣的，應(yīng)用場景不一樣那么它的組成形式就完全不一樣。 基于陸地的機(jī)器人形式比較多樣化。

　　基于空中的主要就是無人機(jī)。水上的應(yīng)用與陸地和空中完全不一樣， 水面波浪比較大，水下壓強(qiáng)大，另外通訊問題也比較復(fù)雜;而可穿戴式機(jī)器人可以穿戴在人的身體上，也包括可以進(jìn)入人體內(nèi)的機(jī)器人，需要滿足人的舒適性和安全性的問題，設(shè)計(jì)需要適應(yīng)人體工程學(xué)的需要。

工業(yè)機(jī)器人市場格局成熟

　　一線廠商主要是指四大工業(yè)機(jī)器人廠商，優(yōu)勢在于主流市場的汽車和金屬加工;二線廠商在細(xì)分行業(yè)和其他一些一般工業(yè)市場有較強(qiáng)優(yōu)勢;三線廠商只能做邊緣市場和更難做的市場，邊緣市場也會涌現(xiàn)一些新的應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域，包括陶瓷、五金、建材、制鞋等，但對這些廠家的綜合技術(shù)能力有較大挑戰(zhàn)。

服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈更長更多變化

　　工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈比較短，是比較簡單的B2B模式，主要由零部件廠商(零部件種類不多，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品為主)， 機(jī)器人本體廠商，系統(tǒng)集成商和下游行業(yè)用戶組成。 而服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈更長，廠商更多，商業(yè)模式比工業(yè)機(jī)器人更加復(fù)雜， 涉及了從上游的核心零部件廠商(包括芯片、傳感器、舵機(jī)、齒輪等，非標(biāo)準(zhǔn)零部件較多);中游制造環(huán)節(jié)包括組裝廠、操作系統(tǒng)提供商、云系統(tǒng)提供商等軟件廠商，軟硬件平臺廠商，服務(wù)提供商，運(yùn)營商，研究機(jī)構(gòu)，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，認(rèn)證機(jī)構(gòu);而服務(wù)機(jī)器人的下游行業(yè)和應(yīng)用更是五花八門，大部分行業(yè)和應(yīng)用市場分散，集中度低，沒有明顯的市場領(lǐng)導(dǎo)者; 另外還包括流通和消費(fèi)環(huán)節(jié)，比如實(shí)體店和電商。

運(yùn)動控制能力是機(jī)器人發(fā)展最確定性的方向

　　高速度高精度的運(yùn)動控制是工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢。工業(yè)機(jī)器人固定在工位上完成相應(yīng)的搬運(yùn)，焊接，噴涂，拋光，上下料等工作，工作效率很高。 但在工廠換線的時(shí)候需要對機(jī)器人進(jìn)行重新布局和編程，造成工廠停工時(shí)間長。而協(xié)作機(jī)器人布局靈活，可以裝在移動平臺上，提高了機(jī)器人的運(yùn)動能力和產(chǎn)線的柔性，可以靈活部署。 最近幾年大公司對機(jī)器人移動能力的方向非常關(guān)注，有很多起對移動機(jī)器人的收購兼并案例。而各種各樣的服務(wù)機(jī)器人對運(yùn)動能力的要求更是有增無減，波士頓動力的ATLAS機(jī)器人的運(yùn)動能力就達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。

運(yùn)動控制的主要類型

　　運(yùn)動控制主要包括： 位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力矩控制;運(yùn)動控制的按照動力實(shí)現(xiàn)方式不同，可以分為電機(jī)傳動，氣動和液壓。工業(yè)機(jī)器人主要采用交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，交流伺服運(yùn)動控制的趨勢基本上也是機(jī)器人運(yùn)動控制的趨勢， 比如性能提升，智能化，模塊化和網(wǎng)絡(luò)化等。而服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動控制方式更加多樣化， 技術(shù)路徑更加豐富多彩。

　　電機(jī)的應(yīng)用：移動機(jī)器人平臺和小型人形機(jī)器人平臺

　　電機(jī)控制在機(jī)器人中應(yīng)用廣泛，特別是在人形機(jī)器人和移動平臺中， 至少用幾十個(gè)電機(jī)，多的上百個(gè)電機(jī)(如圖7)。

　　液壓和電機(jī)的混合應(yīng)用：人形機(jī)器人

　　美國DARPA(美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局)舉行的機(jī)器人比賽是展現(xiàn)人形機(jī)器人最先進(jìn)能力的比賽， 比賽的機(jī)器人主要有兩種不同的技術(shù)路線，純電機(jī)驅(qū)動和液壓電機(jī)混合驅(qū)動，但實(shí)際情況是除了ATLAS是液壓外其他都是電機(jī)驅(qū)動。2015年大賽的第一名是韓國KAIST的機(jī)器人，全部運(yùn)用電機(jī)方案，驅(qū)動80公斤重的機(jī)器人，需要的電機(jī)不僅數(shù)量多，電機(jī)的功率要求也高。 第二名是波士頓動力的ATLAS，它是液壓和電機(jī)混合驅(qū)動的，主要的動力來自于液壓驅(qū)動，只有一些關(guān)節(jié)部分由于空間限制采用了電機(jī)。

氣動在機(jī)器人中的應(yīng)用

　　仿生袋鼠這款機(jī)器人身高超過一米，體重約七千 克，每次實(shí)現(xiàn)的跳躍動作大致在40厘米高、80厘米長的范圍內(nèi)。 為氣動系統(tǒng)所控制，在觸地瞬間，爪部在內(nèi)層壓縮空氣推力作用下，實(shí)現(xiàn)向上向前的跳躍動作。每完成一次跳躍動作，其爪部便會儲存空氣能量以繼續(xù)下一次的跳躍。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第8頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。