【工业机器人】工业机器人之五大机械结构及关键零组件分析
根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics；简称IFR）定义，机器人分为工业机器人（Industrial Robots）及服务型机器人（Service Robots）。其中，目前工业机器人又佔全球机器人80％的市佔率，远高于服务型机器人。
若以机械结构来看，工业机器人可区分为单轴机器人、座标机器人、水平多关节机器人（SCARA）、垂直多关节机器人以及并联式机器人（DELTA）等，以下依序就这五种类型来说明。
ㄧ、工业机器人之五大机械结构
1. 单轴机器人
单轴机器人一般分为两种传动方式，一为滚珠螺杆传动，二为同步齿形带（简称：同步带）传动，两种皆是以直线导轨做为导向，并配合伺服电机或步进电机，来实现不同应用领域的定位、移载、搬运等等。透过不同的组合样式，还可以实现两轴、三轴、龙门式的组合。
单轴机器人的应用领域涵盖半导体、家电、医疗、汽车、包装、点胶机、焊接、切割、检测等自动化应用领域，而台湾的上银科技在单轴机器人的市场名列全球前三。
2. 直角座标机器人
直角座标机器人是基于X、Y、Z直角座标，在各座标的长度范围内进行工作或运动，适用于搬运、取放等作业，可应用的领域包括射出成型机取出用手臂、移动并定位、堆迭、锁螺丝、切割、装夹、压入、插取、装配、自动药房等。
台湾机器人相关业者数量约有80家，现有40家以上的业者可从事座标机器人相关设备的设计开发，所使用的关键零组件国产化程度较高。在射出成型机取出用机械手臂中，天行自动化（Alfa）与台湾精锐（Apex）为该领域之领先业者，并在中国大陆具有一定的市场佔有率。
3. 水平多关节（SCARA）机器人
水平多关节机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm；缩写SCARA ），是一种圆柱座标型的特殊类型工业机器人。一般有4个自由度，包含沿X、Y、Z方向的平移和绕Z轴的旋转。
SCARA机器人的特点是负载小、速度快，因此其主要应用在快速分拣、精密装配等3C行业或是食品行业等领域。例如IC产业的晶圆、面板搬运、电路板运送、电子元件的插入组装都可以看到SCARA机器人的踪迹。国外厂商包含EPSON、IAI、DENSO等日厂。国内厂商则有台达电、东佑达、上银。
4. 垂直多关节机器人
垂直多关节机器人，有相当高的自由度，适用于任何轨迹或角度的工作。其具有三维运动的特性，可做到高阶非线性运动，是目前最广泛应用的自动化机械装置，常用于汽车製造商、汽车零组件与电子相关产业。
上银科技、和桩科技、鸿海集团均在国际机器人展览中推出自有品牌之六轴多关节机器人，然而关键零组件谐波减速机（Harmonic Drive）仍需外国进口，所以在价格上较不具竞争力。
5. 并联式（DELTA）机器人
并联式机器人亦称为DELTA机器人，透过上平台之三组动力结构带动主动臂与被动臂至末端平台进行位移，并可在末端搭载第四轴或是自上平台连结第四轴作为旋转轴。
由于其构造简单，在移动上能达到最短路程，机构也容易小型化，可达到高速高精度的控制，因此主要应用于高速取放、筛选作业，主要应用于食品业、电子检料、製药、包装等用途。一般情况下，一个并联机器人可以替代4-6个人工，帮助用户有效提高生产效率，降低生产成本。
二、工业机器人之三大零组件
了解完工业机器人的五种机械结构后，接下来我们来谈谈工业机器人剩下的三大关键零组件：减速机、伺服马达、控制器。这些零组件约佔机器人整机成本的60-70％，是迈入工业机器人产业相当重要的门槛。
以全球四大工业机器人大厂（瑞士ABB、日本发那科FANUC、德国库卡KUKA、日本安川YASKAWA）来看，控制器是唯一皆自行製造的关键零组件，伺服马达及减速器则部分外购，以下将依序就这三项零组件来说明：
1. 减速器
减速器是连接动力源与执行机构之间的传动机构，能将马达的转速降低，并让转矩提升。其将电动机、内燃机等高速运转的动力，透过输入轴上的小齿轮啮合后，再输出至轴上的大齿轮以达到减速的目的，并藉此传递更大的力矩。
减速器特别讲究高可靠度、高精度、高刚性，是个重资产、高投入、慢回报的产业。从全球工业机器人大厂来看，多未自行研发减速器，而是主要仰赖日本纳博特斯克（Nabtesco）及哈默纳科（Harmonic Drive）等两大巨头，光这两大厂就佔了减速器70％以上的市场份额。
依据IFR估计，2019工业机器人销量将达41.4万台，若以一台多关节工业机器人需要4-6个减速器来看，市场将有两百多万组减速器的需求，可见其成长速度会比工业机器人来得快。
2. 伺服马达
伺服马达是工业机器人的动力系统，一般安装于机器人的「关节」处，是机器人运动的心脏，通常又可细分为两个部分，一为马达本体，二为运动控制系统。
主流供应商包括日本松下、摩川、安川、三菱、三洋、富士以及欧美厂商如德国伦茨（Lenze）、博世力士乐（Bosch Rexroth）。目前光是日系品牌即佔全球机器人市场40％市佔率。在台湾，伺服马达品牌如东元、台达电亦有不错表现。
3. 控制器
控制器为机器人之「大脑」，包含硬体及软体两部分。硬体是工业控制板卡，软体则是控制演算法。一般较成熟的机器人厂商多半自行开发控制器，以保证品质的稳定性及产品的维修体系，因此也是各机器人製造商的核心技术所在。
除了全球四大机器人大厂自行研发控制器外，EPSON、DENSO、TOSHIBA亦深耕控制器领域，生产自有品牌的机器人。而在台湾，诸如工研院、研华宝元、新汉等厂商，近几年在全球控制器市场也有不错的成绩。
工业机器人全知道！
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机器人越来越智能化，并在制造企业中担负起越来越重要的角色。
近年来德国率先提出"工业4.0"概念，美国推行"先进制造伙伴关系"计划，日本实施"智慧制造系统"，而中国也提出了"中国制造2025规划"，这些都指向同一个目标，那就是希望通过先进的IT与自动化技术来促进制造业的革新，以实现"智能化"，提升效率，降低成本。
而要实现这个目标工业机器人是不可或缺的一环。
工业机器人的发展背景
▲工业机器人发展史，点击放大看
工业机器人的应用场景
在短短50多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，在众多制造业领域中，工业机器人应用最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业，并且正在不断地向其他领域拓展，如机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。
在工业生产中，焊接机器人、磨抛加工机器人、焊接机器人、激光加工机器人、喷涂机器人、搬运机器人、真空机器人等工业机器人都已被大量采用。
磨抛加工机器人主要应用于航空、航海、核电叶片磨抛，采用机器人持砂带在叶片表面磨抛，采用柔性接触、视觉定位的方式减小磨抛缺陷。
与人工磨抛相比，具有加工时间短，型面精度高，表面粗糙度小，加工一致性好的特点。能适应大负载，恶劣的工作环境。精度要求高。
弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产，主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型。
在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。应用特点：要求快速平稳移动，定位精度要求较高。
激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。
通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。精度要求较高。
真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。
真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。精度要求较高。
喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。
喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。喷涂机器人所处工作环境恶劣，其精度要求较低。
搬运机器人由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于各行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统；
同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。其负载大，无严格精度要求。
工业机器人分类
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工业机器人性能评判指标
▲工业机器人性能评判指标
工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。
运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。
有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。
机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。
机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度、重复位姿精度、轨迹精度、重复轨迹精度等。
位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时的实到位姿中心之间的偏差。重复位姿精度是指对同指令位姿从同一方向重复响应n次后实到位姿的不一致程度。
轨迹精度是指机器人机械接口从同一方向n次跟随指令轨迹的接近程度。轨迹重复精度是指对一给定轨迹在同方向跟随n次后实到轨迹之间的不一致程度。
速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。在机器人说明书中，通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的，还应注意其最大允许加速度。
动态特性结构动态参数主要包括质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态。
工业机器人全方位解读
工业机器人之所以能在中国市场异军突起：
首先是因为在成本上，机器人通常仅为人工成本的四分之一；
其次，机器人在质量、效率、管理等方面还能带来很多新的附加值。
所以，在机器人技术快速提升、价格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的综合作用下，中国的工业机器人产业正处于一个井喷时代。
工业机器人由3大部分6个子系统组成。3大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人-环境交互系统、人机互系统和控制系统。
机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能控制器等。机器人性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。
虽然机器人技术在近几年取得了非常大的进步，但我们要清醒地看到中国工业机器人产业发展面临的巨大挑战。
▲工业机器人设备
由于关键零部件受国外技术垄断，国产机器人并不具备显著成本优势。同时，大量机器人的生产厂商存在低端锁定的风险。另外，机器人研发、制造与应用之间缺乏有效衔接。
工业机器人国内外知名厂商
工业机器人技术水平日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批较有影响力的、著名的工业机器人公司。其主要分为日系和欧美系，日系中主要有FANUC、安川、松下、不二越、川崎、爱普生等公司；
欧美系中主要有德国的KUKA、瑞典的ABB、瑞士的史陶比尔、意大利的COMAU公司。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，如新松、安徽埃夫特。
德国库卡成立于1898年，是世界几家顶级为自动化生产行业提供柔性，生产系统、机器人、夹具、模具及备件的供应商之一。
1996年，库卡焊接设备和机器人有限公司分成两个在市场上独立运作的公司，即库卡机器人有限公司及库卡焊接设备有限公司。
1988年创立于欧洲的ABB公司于1994年进入中国，1995年成立ABB中国有限公司。
2005年起，ABB机器人的生产、研发、工程中心都开始转移到中国，可见国际机器人巨头对中国市场的重视。目前，中国已经成为ABB全球第一大市场。
FANUC（发那科）成立于1956年，是日本一家专门研究数控系统的公司，是世界上最大的专业数控系统生产厂家。
1974年，FANUC首台机器人问世；2008年，FANUC机器人装机量突破20万台，居世界首位；2011年，FANUC全球机器人已超25万台，市场份额稳居第一。
安川电机（中国）有限公司是有近100年历史的日本安川电机株式会社全额投资的外商独资企业，于1999年4月在上海注册成立。
随着业务范围和企业规模的不断扩大，公司除上海总部外还在广州、北京、成都等地开设了分公司，并在中国各地区设立了代理店和经销商。
唐山松下产业机器有限公司是一家中日合资企业，年产值10亿元，专注于中国焊接市场，为中国用户提供高性能的电焊机、机器人和激光焊接系统。
唐山松下的机器人焊接电源融合式控制器，体现了全数字焊接电源在机器人弧焊技术领域的先进技术水平，得到了国内广大用户认可。
那智不二越公司是1928年在日本成立的，自创立开始一直致力于发展机械技术，以及机械制造事业。
总工厂位于日本富山，北美、南美、欧洲及亚洲也设有生产基地，并在世界范围内设立了常驻代表机构和销售网点。
川崎机器人（天津）有限公司是由川崎重工业株式会社100%投资，并于2006年8月正式在中国天津经济技术开发区注册成立。
主要负责川崎重工生产的工业机器人在中国境内的销售、售后服务（机器人的保养、维护、维修等）、技术支持等相关工作。
史陶比尔公司于1892年创建在瑞士苏黎世湖畔的Horgen市
制造生产精密机械电子产品：纺织机械、工业接头和工业机器人，公司员工人数达4000多人，年营业额超过十亿瑞士法郎。
新松机器人成立于2000年，其机器人产品线涵盖工业机器人、洁净（真空）机器人、移动机器人、特种机器人及智能服务机器人五大系列。
公司以近150亿的市值成为沈阳最大的企业，是国际上机器人产品线最全厂商之一，也是国内机器人产业的领导企业。
柯马（COMAU）是一家隶属于菲亚特集团的全球化企业，成立于1976年，总部位于意大利都灵。
柯马业务范围主要包括：车身焊装，动力总成，工程设计，机器人和维修服务。柯马在全球17个国家拥有分公司29个，员工总数达11,000多人。
人工智能赛博物理操作系统
AI-CPS OS
“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。
AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。
领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：
重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？
AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：
精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。
AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：
创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。
给决策制定者和商业领袖的建议：
超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新
评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开
发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临
较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。
子曰：“君子和而不同，小人同而不和。” 《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和 人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。
如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！
新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。
产业智能官 AI-CPS
用“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能），在场景中构建状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的认知计算和机器智能；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。
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新技术：“云计算”、“大数据”、“物联网”、“区块链”、“人工智能”；新产业：“智能制造”、“智能金融”、“智能零售”、“智能驾驶”、“智能城市”；新模式：“财富空间”、“工业互联网”、“数据科学家”、“赛博物理系统CPS”、“供应链金融”。
官方网站：AI-CPS.NET
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