工业机器人是指在工业环境中用于自动化应用的自动控制、可编程、具有多自由度操作能力的机械装置,既可固定在适当位置,也可安装在移动平台上。
按机械结构划分,工业机器人主要可分为(i)多关节机器人、(ii) SCARA机器人、(iii)并联机器人及(iv)协作机器人。
• 多关节机器人由至少三个串联连接的旋转关节构成。多关节机器人拥有模仿人类手臂的结构,可在三维空间中执行複杂的轨迹运动。
• SCARA机器人(选择性顺应性装配机械臂)拥有两个平行旋转关节以在水平面上实现精确定位,并通常配有一个用于Z轴运动的垂直方向线性关节。其机械结构特点是在水平面上具有选择性顺应性,能够对XY轴方向的微小位置误差进行自适应补偿,同时在垂直方向上保持高刚性。
• 并联机器人基于并联运动机制,其末端执行器由多条形成闭环结构的独立运动链同时驱动。这种设计通过协调的并联运动实现对末端执行器位置和方向的精确控制,具有高刚度和动态响应等优势。
• 协作机器人(通常称为「Cobot」)是一种能够在共享工作空间内与人类近距离安全工作的工业机器人。与通常被隔离在安全围栏后独立执行任务的传统工业机器人不同,协作机器人採用先进的安全技术(如力反馈、碰撞检测及速度限制)以确保与人类互动过程中的安全。
若干下游工业应用对运动循环时间的刚性需求,催生了高速工业机器人的诞生。按运动循环时间这一核心性能指标分类,高速工业机器人领域主要包括并联机器人和SCARA机器人两类机械结构。这两类结构本身具有下文所述的运动和结构特徵,尤其适用于高速作业。
• 并联机器人采用多条同时操作的运动链来控制末端执行器。这种设计具有运动部件质量轻、刚度高、动态响应迅速等特点,在超高速拾放及其他高循环率应用中表现出显著优势。
并联架构本质是为高速操作设计的,因此所有并联机器人均属于高速工业机器人。
• SCARA机器人采用刚性垂直轴与柔性水平运动相结合,能够在平面内进行高速高重复性运动,从而在短循环装配及搬运任务中成效显著。需强调的是,并非所有SCARA机器人均属于高速机器人。在高速应用领域,该分类通常指经过专门设计使循环时间控制在0.4秒或以内的机型。
在目前的工业应用阶段,多关节机器人和协作机器人并没有被系统地归入高速机器人范畴内。这主要是由于它们的底层设计架构和应用定位,没有将极端运动循环率作为核心性能目标。多关节机器人在结构上针对负载能力、多轴灵活性和大范围工作进行了优化,能够实现複杂的空间作业任务,而不是超高频重複运动。
协作机器人将人机交互安全作为基本要求,其控制与安全系统中内置了速度、力度及功率方面的约束机制。这些结构和管控约束客观上限制了这类机器人现阶段将高速运行作为核心设计目标,其核心价值主张也与专为追求极限循环时间性能而设计的架构存在本质区别。
展望未来,随著各项赋能技术的持续发展,多关节机器人与协作机器人的速度性能有望实现提升。高精度运动控制、实时传感、基于AI的感知、自适应安全系统及控制算法的进步,正逐渐减少速度、安全性与灵活性之间的传统权衡。随著安全架构向智能化、动态化方向发展,以及控制系统实现更高的响应性和稳定性,部分多关节及协作机器人平台将能够在不牺牲安全性与功能可靠性的前提下支持更高的运行速度。因此,高速运行能力将成为这类机器人部分细分领域的新兴性能维度,体现出传统柔性机器人架构与高通量工业自动化需求的结构性融合趋势。
工业机器人市场价值链分析
工业机器人市场是一个高度跨学科及技术密集型的行业,涵盖材料科学、电气工程、机械工程、控制理论、计算机科学、AI及软件工程,所有这些学科共同支撑了工业机器人从研发、製造到实际部署的全面实现。工业机器人市场的价值链可系统地划分为三个核心环节。
• 上游:基础材料、核心零部件及软件供应商
产业链上游构成了工业机器人行业的技术和资源基础。其发展直接决定了机器人硬件的性能极限和成本结构。
原材料包括高性能合金和碳纤维複合材料等结构材料,以及稀土永磁材料、半导体材料、电子元件材料、密封件及涂层材料等关键功能和辅助材料,其供应稳定性和技术进步对工业安全至关重要。
涵盖电子硬件(芯片、PCB等)、控制器、减速器、传感器、执行器及驱动系统(电机、驱动器、编码器)的核心零部件构成了运动控制、感知及交互的物理基础。
在软件和算法方面,上游供应商主要提供基础性、通用性的软件平台及技术,包括实时操作系统内核、仿真工具、工业通信框架、通用人机界面(HMI)以及各种运动控制、感知及决策算法的基础库,构成了二次开发及应用集成的技术底层。
• 中游:工业机器人製造商及系统集成商
工业机器人价值链的中游环节是连接上游核心零部件与下游应用的关键纽带,主要由机器人製造商及系统集成商组成。机器人製造商处于核心地位,整合上游投入以进行标准化机器人平台的研发、製造及迭代。其核心职能包括机械结构设计、高耦合控制系统的开发、运动控制及视觉算法的实施,以及构建跨越多种负载及应用场景的标准化产品组合。
为确保整体性能及系统兼容性,本体製造商通常通过内部开发或与核心零部件供应商密切合作向上游延伸,共同开发控制器、传感器及其他核心零部件,从而实现软硬件的高度集成及性能优化。
此外,系统集成商贴近终端用户行业,负责根据不同行业的生产工艺及自动化需求进行应用层集成及解决方案部署。其主要任务包括为特定用例选择合适的机器人、末端执行器及周边设备,设计自动化生产线或工作站,并进行系统集成及调试,最终交付完全可运行的机器人应用解决方案。
• 下游:终端应用
工业机器人的下游终端应用主要涵盖消费品、食品饮料、製药、3C、新能源及汽车製造。由于生产特性的差异,这些行业对机器人系统提出了差异化的要求,并推动了价值链的技术迭代及行业整体发展。
全球及中国工业机器人市场
工业机器人是先进製造业的基石,推动生产系统向更高水平的智能化、自动化及柔性化演进。在智能製造持续推进及製造业劳动力成本结构性上涨的背景下,工业机器人日益被作为关键自动化设备採用,以替代重複性、劳动密集型及危险的任务,从而支持生产效率、工艺稳定性及产品质量的提升。2021年,全球及中国工业机器人市场均经历了显著增长,出货价值分别同比增长约25.5%及28.5%。这种快速扩张主要受下游需求爆发式增长的驱动,尤其是新能源汽车(NEV)行业。同年,全球及中国新能源汽车销量分别同比增长约102.4%及157.6%,显著加速了整车製造及动力电池生产的资本投资及产能扩张,进而刺激了关键製造环节对工业机器人需求的集中释放。
人民币745亿元及人民币314亿元增至约人民币1,013亿元及人民币466亿元,复合年增长率分别约为8.0%及10.3%。同期,中国在全球工业机器人出货价值中的份额由约42.2%增至46.0%,反映了其在全球工业机器人市场中日益增强的地位。
展望未来,受智能製造持续深化、持续的劳动力成本压力以及广泛行业的加速自动化升级支撑,工业机器人市场的增长势头预计将得以维持。预计到2029年,全球工业机器人出货价值将达到约人民币1,809亿元,而中国出货价值预计将增至约人民币888亿元,这将巩固中国作为全球最大工业机器人市场的地位,并突显了在製造业转型升级中对工业机器人的长期结构性需求。