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工業(yè)機(jī)器人：逐步走向智能化/通用化，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景可期

發(fā)展歷程：工業(yè)機(jī)器人走向智能化/通用化發(fā)展

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段：

技術(shù)萌芽階段（20 世紀(jì) 50-60 年代，第一代工業(yè)機(jī)器人）：第二次世界大戰(zhàn)期間工業(yè)機(jī)器人的雛形始成，其最初是出于軍事、核工業(yè)的發(fā)展需要，用來滿足代替人類進(jìn)行放射性物質(zhì)處理的遙控機(jī)械手。此后，美國(guó)發(fā)明家喬治·德沃爾最早提出工業(yè)機(jī)器人的概念并于 1954年申請(qǐng)“可編輯關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物料裝置”的專利。1958 年，世界上第一家機(jī)器人公司 Unimation成立，并于 1959 年利用喬治·德沃爾的專利推出了世界上第一臺(tái)真正意義上的工業(yè)機(jī)器人Unimate，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。在此期間主要為第一代工業(yè)機(jī)器人，即沒有自主決策能力和環(huán)境感知能力的示教再現(xiàn)型機(jī)器人。

產(chǎn)業(yè)崛起階段（20 世紀(jì)末期，第二代工業(yè)機(jī)器人）：1968 年起，Unimation 先后將機(jī)器人制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓給日本川崎、英國(guó) GKN 公司，工業(yè)機(jī)器人業(yè)務(wù)擴(kuò)張到日本和歐洲，開始走向產(chǎn)業(yè)化和全球化。1969 年，ASEA 公司研制出全球首臺(tái)噴涂機(jī)器人，川崎成功推出了日本第一臺(tái)液壓動(dòng)力機(jī)器人“川崎 Unimate 2000”。此后，更多公司入局工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，形成了以 ABB、庫(kù)卡為代表的歐洲機(jī)器人企業(yè)以及以川崎、發(fā)那科、安川為代表的日本機(jī)器人企業(yè)格局，機(jī)器人市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。在此期間，工業(yè)機(jī)器人從第一代發(fā)展到第二代，能夠感知外界信息并進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和反饋。

產(chǎn)業(yè)升級(jí)階段（21 世紀(jì)初期，第三代工業(yè)機(jī)器人）：隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人不斷拓展應(yīng)用場(chǎng)景、發(fā)展核心技術(shù)。1）從應(yīng)用場(chǎng)景來看，工業(yè)機(jī)器人能達(dá)到更快速度、更高精準(zhǔn)度，以及更大范圍的大小型號(hào)和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)在大型工件搬運(yùn)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸、食品飲料、生物制藥、汽車制造等更加廣泛和智能的場(chǎng)景應(yīng)用。2）從技術(shù)發(fā)展來看，工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)得到快速發(fā)展。2002 年美國(guó)波士頓公司和日本公司共同申請(qǐng)了第一臺(tái)“機(jī)械狗”智能軍用機(jī)器人專利；2004 年安川和 ABB 均開發(fā)了可以同步控制多臺(tái)機(jī)器人的控制器；2006 年意大利柯馬公司推出了第一款無線示教器；2015 年 ABB 推出世界上第一臺(tái)真正意義上的協(xié)作機(jī)器人 YuMi。在此期間工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入第三代，具備智能化特點(diǎn)，可以利用各種傳感器、測(cè)量器獲取信息并利用智能技術(shù)進(jìn)行識(shí)別、理解和反饋。

工業(yè)機(jī)器人四大家族憑借在原有業(yè)務(wù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和對(duì)機(jī)器人技術(shù)的高度掌握占據(jù)高位。以ABB 的發(fā)展歷程為例，公司成立于 1988 年，是由具有百年歷史的兩家著名電氣公司——電氣照明和發(fā)電機(jī)制造商 ASEA 和高壓電氣傳輸公司 BBC 合并而來，此后 ABB 成為了電氣和自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，提供全面且日益數(shù)字化的電氣化、運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化解決方案。
在此基礎(chǔ)之上，ABB 對(duì)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，延續(xù)其前身 ASEA 公司在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)先布局，開始快速發(fā)展機(jī)器人業(yè)務(wù)，自 1974 年推出世界上第一臺(tái)微電腦控制的機(jī)器人以來，ABB 不斷取得突破性創(chuàng)新，不斷完善工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)鏈上的產(chǎn)品布局，并通過技術(shù)創(chuàng)新提升性能。

市場(chǎng)現(xiàn)狀：“四大家族”占據(jù)的穩(wěn)增長(zhǎng)市場(chǎng)

工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，全球新增裝機(jī)量快速增長(zhǎng)。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2021 年全球新增工業(yè)機(jī)器人安裝量為 51.7 萬臺(tái)，同比增長(zhǎng) 31.2%，2012-2021 年復(fù)合增長(zhǎng)率為 12.0%。根據(jù) Inkwood Research 數(shù)據(jù)，未來全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，從 2020 年的 553.7 億美元增長(zhǎng)至 2028 年的 1653.5 億美元，2021-2028 年復(fù)合增長(zhǎng)率為 14.7%。

工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)集中度較高，以機(jī)器人“四大家族”為主。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2020 年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)中，發(fā)那科、ABB、安川、庫(kù)卡四家占比超過 65%，其中發(fā)那科排名第一占比 17.3%，ABB 第二占比 15.7%，安川和庫(kù)卡分別占比 12.9%和 12.1%。“四大家族”的主要業(yè)務(wù)和在機(jī)器人領(lǐng)域的核心技術(shù)各不相同，安川和庫(kù)卡以機(jī)器人業(yè)務(wù)為核心，而發(fā)那科和 ABB 則分別起家于工廠自動(dòng)化設(shè)備和電力業(yè)務(wù)。其中 ABB 的業(yè)務(wù)以電氣、運(yùn)動(dòng)控制、過程自動(dòng)化、機(jī)器人與離散自動(dòng)化為核心的，2022 年電氣業(yè)務(wù)營(yíng)收占比 47.9%，機(jī)器人與自動(dòng)化業(yè)務(wù)占比 10.8%。

驅(qū)動(dòng)力：人口供給收縮和下游需求釋放驅(qū)動(dòng)行業(yè)增長(zhǎng)

人口老齡化導(dǎo)致人力成本上升，機(jī)器替人為大勢(shì)所趨。世界各國(guó)的生育率已連續(xù)多年下降，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2021 年中國(guó) 15-64 歲人口占比已降至 68.3%。企業(yè)用人成本不斷攀升，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2022 年中國(guó)制造業(yè)就業(yè)人員人均工資已達(dá) 86933 元，同比增長(zhǎng) 5.2%，高于 GDP 增速。勞動(dòng)力成本上升的長(zhǎng)期趨勢(shì)將成為工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。

新能源汽車的爆發(fā)為工業(yè)機(jī)器人帶來需求釋放。由于新能源汽車的帶動(dòng)，汽車行業(yè)進(jìn)入下一輪擴(kuò)張周期，工業(yè)機(jī)器人將持續(xù)受益。以中國(guó)為例，據(jù)同花順數(shù)據(jù)，從 2021 年起新能源汽車銷量進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，2023 年 6 月銷量超過 80 萬輛。
半導(dǎo)體、光伏、鋰電等行業(yè)也有望帶來大量工業(yè)機(jī)器人需求。汽車與 3C 電子是工業(yè)機(jī)器人需求量最大的兩個(gè)行業(yè)，如今 3C 電子需求相對(duì)疲軟，大部分企業(yè)開始積極探索汽車和 3C之外的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)點(diǎn)，如半導(dǎo)體、光伏、鋰電等。2022 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 5735 億美元，隨著 AI 帶動(dòng)算力芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝等產(chǎn)業(yè)需求，半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn)有望帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人建設(shè)需求。

IT 架構(gòu)是智能化核心，軟件重要性有望逐步提升

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈：可分為上游核心零部件、中游機(jī)器人本體及軟件以及下游系統(tǒng)集成及應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。上游核心零部件包括傳感器、控制器、減速器、伺服系統(tǒng)，傳感器主要分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，伺服系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩個(gè)部件；中游包括機(jī)器人本體制造及配套軟件產(chǎn)品；下游包括系統(tǒng)集成及應(yīng)用，系統(tǒng)集成即將各種機(jī)器人、傳感器、控制器、軟件等組合以形成一個(gè)完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用覆蓋廣泛，其中主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槠囍圃?、電子電氣、食品制造、金屬加工及制藥行業(yè)等。

上游核心零部件為工業(yè)機(jī)器人主要成本來源，盈利能力強(qiáng)勁。從成本來看，2020 年工業(yè)機(jī)器人 60%的成本由上游核心零部件構(gòu)成，其中減速器、伺服系統(tǒng)、控制器分別占比 35%、25%、10%，機(jī)器人本體僅占比 15%。從毛利率來看，盈利能力較強(qiáng)的環(huán)節(jié)主要集中在上游核心零部件，2020 年減速器、伺服系統(tǒng)、控制器的毛利率分別約為 40%、35%和 25%，中游本體制造毛利率較低僅 15%，下游系統(tǒng)集成毛利率較高為 35%。

以 ABB 為例，按照具體功能結(jié)構(gòu)，我們可以將工業(yè)機(jī)器人核心部件歸納為：感知層、執(zhí)行層、決策層。具體來看：

感知層：工業(yè)機(jī)器人的信息最初來源

傳感器是機(jī)器人的“感知器官”，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境交互及精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的信息來源。傳感器用來感應(yīng)和采集各種信息，并按照一定規(guī)律將被測(cè)量的信息轉(zhuǎn)化成便于傳輸和處理的有用信號(hào)。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦兄苯痈袘?yīng)被測(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髂軐⒚舾性妮敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和處理的電信號(hào)部分。傳感器一般分為內(nèi)部和外部傳感器，內(nèi)部傳感器主要測(cè)量機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)狀態(tài)，如溫度、轉(zhuǎn)速、電壓等；外部傳感器主要測(cè)量外界環(huán)境的信息，包括位置傳感器、速度傳感器、力傳感器、視覺傳感器等。

機(jī)器人傳感器市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，市場(chǎng)集中度較低。根據(jù) Mordor Intelligence 預(yù)測(cè)，全球機(jī)器人傳感器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從 2023 年的 6.16 億美元升至 2028 年的 9.24 億美元，2024-2028 年 CAGR 為 8.4%。機(jī)器人傳感器市場(chǎng)主要參與者來自全球不同國(guó)家的眾多企業(yè)，包括瑞士寶盟集團(tuán)、泰科電子；美國(guó) ATI、Tekscan、Futek、森薩塔、霍尼韋爾；日本發(fā)那科、TDK、歐姆龍集團(tuán)等。

力傳感器是工業(yè)機(jī)器人的重要傳感器，ABB 集成力控技術(shù)是力傳感器主要技術(shù)之一。工業(yè)機(jī)器人大多為機(jī)械臂形態(tài)，由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件組成，力傳感器可以對(duì)機(jī)械臂上的力度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行反饋。隨著機(jī)器人向智能化發(fā)展，對(duì)與外界交互的柔順控制需求更高，對(duì)力控技術(shù)提出了更高的要求。為了提高傳感器的靈活度和精度，2014 年 ABB成功開發(fā)了集成力控技術(shù)，基于此技術(shù)，ABB 提供 3 種集成式力控傳感器，兼容其 IRB 140到 IRB 6700 的大部分工業(yè)機(jī)器人。配備該技術(shù)的機(jī)器人能根據(jù)外部實(shí)時(shí)回饋信號(hào)應(yīng)對(duì)制造過程中的細(xì)微變化，像人類一樣拿捏易碎物品或執(zhí)行精密作業(yè)，編程時(shí)間也可縮短。

執(zhí)行層：決定工業(yè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度

機(jī)器人的“肌肉”——伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是機(jī)器人的“肌肉”，是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程。伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伺服編碼器及配套軟件組成。伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，其作用是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。伺服電機(jī)是控制機(jī)械元件進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，接收到伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服編碼器一般安裝在伺服電機(jī)末端，用于測(cè)量轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，是伺服系統(tǒng)的信號(hào)反饋裝置，對(duì)伺服系統(tǒng)的精度有著關(guān)節(jié)作用。

ABB 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)產(chǎn)品性能優(yōu)越，覆蓋電壓及功率范圍較大。ABB 的伺服驅(qū)動(dòng)器能滿足大部分電壓范圍應(yīng)用場(chǎng)合，定位精度較高。MicroFlex e190 和 MotiFlex e180 高度集成了以太網(wǎng)的靈活連接和電機(jī)反饋技術(shù)，并針對(duì)要求苛刻的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。ABB 伺服電機(jī)也同樣擁有完整的產(chǎn)品系列，功率覆蓋范圍滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合，高轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)矩滿足能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)及精準(zhǔn)控制。

ABB 為其伺服產(chǎn)品提供了專門的選型和調(diào)試工具。Servosize 是針對(duì) ABB 伺服產(chǎn)品的選型工具，支持的產(chǎn)品有 MotiFlexe180、MicroFlexe190 和 E530 伺服驅(qū)動(dòng)器以及 eSM、DSM和 HDS 伺服電機(jī)。MintWorkbench、ServoComposer 和 AutomationBuilder 是針對(duì) ABB產(chǎn)品的編程和調(diào)試工具。MintWorkbench 可用于 MotiFlexe180 和 MicroFlexe190 伺服驅(qū)動(dòng)器的編程和調(diào)試，ServoComposer 可用于 E530 伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試，而 AutomationBuilder則可用于運(yùn)動(dòng)控制 PLC 的編程和調(diào)試。

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