机器人三大核心零部件分析

技术

1． 产业链：上游零部件、中游本体、下游集成应用

机器人产业链大致可分为原材料、核心零部件、本体制造、系统集成服务等环节，由于原材料在机器人制造成本中占比不大，因此本文将对机器人本体、核心零部件、系统集成等三个环节做详细介绍和分析

核心零部件环节：机器人的控制过程由控制器发指令给伺服驱动，然后驱动伺服电机旋转，最后通过减速机执行动作，控制器、伺服电机、减速器等三大核心零部件占据了工业机器人成本的 70％ 以上

本体制造环节：机器人本体也称为机器人裸机，按照机械结构分，可以分为直角坐标机器人、SCARA 机器人、关节型机器人、圆柱坐标机器人等

集成应用环节：是指在本体上安装夹具及其他配套系统（视觉控制、力控等）以完成特定功能，按照应用分类可以分为搬运应用、焊接应用、喷涂应用、切割应用等，按照行业可分为汽车、电子电气行业等

2． 结构：三大部分、六子系统

机器人是一个典型的机电一体化产品，由三大部分、六子系统组成，三大部分分别是机械部分、传感部分、控制部分，六个子系统分别是：

驱动系统：为工业机器人的运动提供动力，这种动力可能来自液压传动（液压缸）、电力传动（电机）等；该系统包含了提供动力的硬件如电机等，也包括控制电机的伺服系统等

机械结构系统：工业机器人的外观主体，即本体，包括机身、臂部、手腕、关节、末端操作器等；该系统主要是硬件

控制系统：根据作业指令及传感器反馈回来的信息控制执行机构，该系统包括了控制算法，和硬件空间柜或控制器，其中控制算法是工业机器人实现精确操作的核心

感受系统：获取机器人内部和外部信息，幵把这些信息反馈给控制系统；这些信息包括操作器的位置和速度、环境温度、行走误差等；该系统包括了传感器等硬件，及信号处理的算法

人机交互系统：实现人员操控工业机器人的接口，操作人员的指令可通过该系统将指令转化为机器可解析的语言；该系统包含了人机交互界面等硬件及相关软件算法

机器人环境交互系统：一台机器人通常并非单独工作，而是要和其他机器人或其他设备协同工作，因此需要机器人有与其他设备交流的能力，该系统主要是软件系统

如果将机器人与人对比，机械系统相当于人类的骨骼，驱动系统相当于肌肉，控制系统相当于大脑，感受系统相当于神经，交互系统相当于传播信息的嘴巴和耳朵，多个系统密切协作，完成复杂的动作

三、零部件

3． 三大核心：减速器、伺服电机、控制器

从产业链结构上看，工业机器人由减速器、伺服电机、控制器、本体四大部件构成，前三者分别占整机成本约 35％、20％、15％，合计 70％

四、减速器

4． 定义：转速下降、扭矩增大、控制精度

提供动力的电机转速很高，通常与工业机器人的应用场景不匹配，这就需要减速器这种机械来使输出转速降下来，除此之外，减速器还有另外两个作用：

一是增加电机的输出扭矩：对于同一个电机来说，其输出功率（P）是恒定的，此时转速（n）与扭矩（T）成反比，即：P＝9550·n·T，因此当使用减速器降低输出转速后，输出的扭矩相应会提高，使机器人可以承担更高的载重负荷

二是提高控制精度：这类似于时钟的原理，如果直接通过控制时针来计时，在读取非整数时刻的时候误差非常大；通过控制转速更高的秒针，带动分针和时针，大大降低了控制难度，提高了控制的精度 通常，在工业机器人的每个关节处，都有一个电机，每个电机配套使用一个减速器，减速器的核心性能参数是传动比（输入转速与输出转速之比），其他参数如噪音、寿命、回差（由于设备刚性不足导致的误差）等也比较重要

5． 市场规模：百亿

我国减速器市场规模约 75 亿元

6． 分类：小谐波、大 RV

减速器的分类形式有多种，工业机器人常用的一般有两种：一种是谐波减速器，通常体积小、传动比大、零间隙，多用于小臂、腕部或手部等轻负载的位置；另一种是 RV 减速器，通常具有更高的刚性和回旋精度，惯性小，具有良好的加速性能，广泛用于机座、大臂、肩部等负载较重的位置

7． 谐波：发生器、柔轮、钢轮

谐波减速器 1957 年由沃尔顿·穆塞发明，由三部分组成：谐波发生器、柔性轮和刚轮，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合来传递动力，并达到减速的目的，按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式，谐波减速器传动比大、外形轮廓小、零件数目少且传动效率高。单机传动比可达到 50－4000，而传动效率高达 92％－96％

看个视频就明白谐波减速器的原理了～

8． RV：摆线轮＋行星轮

RV 减速器结构主要分为两级：第一级为渐开线圆柱齿轮行星传动机构，第二级摆线针轮传动主要构件包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳。其特点在于在承受大负载的同时保证高的运动精度，其技术难点在于加工工艺：1）摆线轮零件对钢材尺寸精度、形位公差以及粗糙度要求极高，摆线齿廓曲线要求修形精准，强度硬度要求高；2）RV 减速器对零件的加工、装配精度要求非常高

RV 减速器一般应用于重载机器人的腿部腰部和肘部三个关节，相比谐波减速器，RV 减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，不像谐波传动那样随着使用时间增长，运动精度会显著降低，其缺点是重量重，外形尺寸较大

9． 全球：纳博特斯克 RV、哈默纳科谐波

精密减速器制造投资大，技术难度高，有很高的壁垒，全球工业机器人减速器的市场高度集中，日本纳博特斯克（Nabtesco）垄断 RV 减速器，占全球 60％，日本哈默纳科（Harmonic－Drive）主打谐波减速器占 15％

10． 中国：谐波绿的来福、RV 双环振康中大力德

苏州绿的谐波 2019 年销量 9 万台，国内第一，2020 年 8 月 28 日科创板上市，来福谐波第二

日本纳博特斯克、日本住友重机、斯洛伐克 Spinea 是全球 RV 减速器三强，国内双环传动、南通振康、中大力德、秦川机床等企业已经实现小批量生产

五、伺服系统

11． 定义：电机、驱动器、编码器

伺服系统是工业机器人主要的动力来源，主要由伺服电机、伺服驱动器、编码器三部分组成，伺服含义为“跟随”，源于希腊语“奴隶”的意思，指按照指令信号做出位置、速度或转矩的跟随控制

伺服电机（servo motor）将电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出

伺服驱动器接受编码器信号进行修正调整，然后根据指令发出相应控制电流，包括位置控制单元、速度控制单元和驱动单元三部分 编码器与电机同步旋转，电机转一圈编码器也转一圈，转动的同时将编码信号送回驱动器，驱动器根据编码信号判断伺服电机的转向、转速、位置是否正确，据此调整驱动器输出电源频率及电流大小

12． 市场：百亿

国内市场规模约 100 亿

13． 原理：脉冲闭环控制

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 0．001mm

看个视频就明白了～

14． 分类：交流、直流、步进

伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，直流伺服电机分为有刷和无刷电机，交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机，详细请持续关注本公众号史晨星（shichenxing1）

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，只有周期性的误差而无累积误差

15． 全球：安川、松下、三菱

欧美系品牌伺服驱动器特点是过载能力强、动态性能好、总线技术性能优秀、开发性较好，典型代表是西门子、倍福、贝加莱、罗克韦尔等

日系品牌特点是价格亲民、体积较小、重量轻、动态性能稍弱，能够满足绝大部分的应用要求，典型代表是安川、松下、三菱等

在中高端工业机器人应用行业，国外品牌的伺服驱动器占据了国内工业机器人伺服驱动器市场份额的 80％ 以上

16． 中国：汇川、埃斯顿

2018 年欧美系市场份额从 18．7％提高到 19％，日台份额从 59％略降到56％，国产厂商份额从 22．3％ 增长到 25％，比较典型的是汇川和埃斯顿，2018年国内市场份额分别为4．8％、2．3％

汇川技术

汇川技术是伺服电机及控制器的国内龙头企业，2017 年，运动控制类产品收入9．34 亿，同比增长 86．22％。工业自动化＆工业机器人业务收入 37．6 亿，同比增长 46．13％，其中工业机器人相关业务 0．83 亿，同比增长 184％

六、控制系统

17． 定义分类：单片机、PLC、IPC 运动控制

控制系统是机器人的大脑，是决定机器人性能的关键要素，接收来自其他各单元的信号、根据已编程的系统进行处理后，向各单元发出指令，进而控制各单元的运行

目前常用的控制系统从结构上分为三类：以单片机为核心的控制系统，以可编程控制器（PLC）为核心的控制系统，以及基于工业个人计算（IPC）＋运动控制器的机器人控制系统，其中 IPC＋运动控制器的控制系统凭借运行稳定、通用性强、抗干扰性能力强等优势，正在逐步成为工业机器人控制系统的主流

18． 市场：30 亿

预计2018－2020 年工业机器人用控制器需求量将分别达到 19 万台、25 万台、32 万台，市场规模分别为15 亿元、20 亿元、26 亿元

19． 原理：导引示教

控制系统的基本功能包括（1）位置伺服：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等（2）示教：示教也称导引示教，既是人工导引机器人，一步步按实际需求动作流程操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的姿态、位置、工艺参数、运动参数等，并自动生成一个连续执行的程序，完成示教后，只需要给机器人一个启动命令，机器人将会地自动按照示教好的动作，完成全部流程；（3）各种接口：如与外围设备联系（输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口）。

       人机接口（示教盒、操作面板、显示屏）。传感器接口（位置检测、视觉、触觉、力觉等）（4）坐标设置：为机器人运动设置坐标系（5）存储：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息（6）故障诊断安全保护：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断

PLC顺序控制

20． 全球：四大家族 控制器的市场份额基本和机器人本体保持一致，以发那科、安川、库卡、ABB为代表的四大家族普遍采用自产自用的生产模式，四大家族的控制器合计占据约53％的市场份额，其中发那科占比为16％，库卡占比为14％，ABB为12％，安川为11％

21． 中国

国内知名的工业机器人生厂商均自主研发了自家的控制系统，包括新松机器人、埃斯顿、华中数控、新时达、广州数控、汇川技术等公司，也诞生了一批专业的控制系统服务商如固高科技、英威腾、卡诺普等

七、其他

22． 执行器：气动、电动

末端执行器装配在机械臂末端，直接与工件接触以执行工作任务，具有处理、传输、夹持、放置工件等功能，常见的有吸盘、机械手抓、托持器、喷涂枪、焊枪等

全球制造业每年消耗掉模块化夹爪数量超过 3000 万个，根据 Global Market Insights， Inc 研究报告，机器人末端执行器市场的收入在 2018 年超过 25 亿美元，预计到 2025 年将达到 65 亿美元大关

从控制方式来分，模块化夹爪可分为气动、电动和其他类型，气动夹爪占比高达 90％

虽然全球气动市场规模已经达到千亿元的市场，但我国民族品牌的销量却不到世界市场的十分之一，仅为美国的 1／21，日本的 1／15，德国的 1／8，国际前 20 强公司中没有一家中国本土企业

23． 传感器：内部、外部

传感器根据检测对象的不同，可分为内部和外部传感器，内部传感器主要检测自身位置、速度、加速度等状态，主要用于伺服控制，外部传感器检测压力、距离、视觉等外部环境

责任编辑：xj