運動控制與機器人市場概述

本作者為IHS工業自動化組高級分析師。

摘要：本文介紹了機器人的分類以及各種應用方向，分析了不同運動控制在機器人上的應用與發展現狀。

推動機器人發展的根本因素：人口老齡化

　　全球大多數發達國家和部分發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現，印度是一個完美的金字塔型，意味著未來至少二十年，印度的年輕勞動人口供應將源源不斷，正在享受人口紅利;日本的人口分布圖是一個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更多的人，這也是造成日本經濟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入美國，老齡化現象并不明顯。 日本的現在就是中國的未來，中國正在走向人口的老齡化(如圖1)。

發達國家對策： 高端制造業回流，通過機器人等自動化裝備重新建立優勢

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

中國對策：通過機器人等自動化裝備提升企業競爭力

　　勞動力成本上升并不是推動機器人換人的主要原因，維持企業的競爭力才是推動機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，還決定于勞動生產率。 計算公式圖2。

　　根據這樣的計算方法，可以計算得出各個國家的勞動力成本，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)比越南(14.74歐元每小時)還要低。

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

機器人的分類

　　機器人分為以下四大類：工業機器人、專業服務機器人、家庭個人服務機器人和軍用機器人。軍用機器人其實是發展最早，技術最領先的。工業機器人其實只能算是機器人的一個細分行業， 工業機器人比較成熟，已經商業化很長時間。 工業機器人按照形式可以分成如圖3幾類。

　　服務機器人主要按照應用分為專業服務機器人和個人家庭服務機器人， 專業服務機器人主要用在專業或者商用用途，個人家庭服務機器人主要用在個人或者家庭生活。服務機器人行業應用差別很大，有些行業已經實現了商品化，比如掃地機器人和醫療機器人， 而很多專業的服務機器人還在大學和研究院的研發階段， 離商業化還有距離。

　　服務機器人按照組成形式分類： 服務機器人也可以按照機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，空氣中的應用場景對機器人的需求是不一樣的，應用場景不一樣那么它的組成形式就完全不一樣。 基于陸地的機器人形式比較多樣化。

　　基于空中的主要就是無人機。水上的應用與陸地和空中完全不一樣， 水面波浪比較大，水下壓強大，另外通訊問題也比較復雜;而可穿戴式機器人可以穿戴在人的身體上，也包括可以進入人體內的機器人，需要滿足人的舒適性和安全性的問題，設計需要適應人體工程學的需要。

工業機器人市場格局成熟

　　一線廠商主要是指四大工業機器人廠商，優勢在于主流市場的汽車和金屬加工;二線廠商在細分行業和其他一些一般工業市場有較強優勢;三線廠商只能做邊緣市場和更難做的市場，邊緣市場也會涌現一些新的應用工業領域，包括陶瓷、五金、建材、制鞋等，但對這些廠家的綜合技術能力有較大挑戰。

服務機器人產業鏈更長更多變化

　　工業機器人產業鏈比較短，是比較簡單的B2B模式，主要由零部件廠商(零部件種類不多，標準化產品為主)， 機器人本體廠商，系統集成商和下游行業用戶組成。 而服務機器人的產業鏈更長，廠商更多，商業模式比工業機器人更加復雜， 涉及了從上游的核心零部件廠商(包括芯片、傳感器、舵機、齒輪等，非標準零部件較多);中游制造環節包括組裝廠、操作系統提供商、云系統提供商等軟件廠商，軟硬件平臺廠商，服務提供商，運營商，研究機構，培訓機構，認證機構;而服務機器人的下游行業和應用更是五花八門，大部分行業和應用市場分散，集中度低，沒有明顯的市場領導者; 另外還包括流通和消費環節，比如實體店和電商。

運動控制能力是機器人發展最確定性的方向

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

運動控制的主要類型

　　運動控制主要包括： 位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力矩控制;運動控制的按照動力實現方式不同，可以分為電機傳動，氣動和液壓。工業機器人主要采用交流伺服電機控制系統，交流伺服運動控制的趨勢基本上也是機器人運動控制的趨勢， 比如性能提升，智能化，模塊化和網絡化等。而服務機器人的運動控制方式更加多樣化， 技術路徑更加豐富多彩。

　　電機的應用：移動機器人平臺和小型人形機器人平臺

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

　　液壓和電機的混合應用：人形機器人

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

氣動在機器人中的應用

　　仿生袋鼠這款機器人身高超過一米，體重約七千 克，每次實現的跳躍動作大致在40厘米高、80厘米長的范圍內。 為氣動系統所控制，在觸地瞬間，爪部在內層壓縮空氣推力作用下，實現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下一次的跳躍。

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