近年來，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在機(jī)器人研發(fā)及制造方面也取得了長足的進(jìn)步，但在核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高可靠性基礎(chǔ)功能部件方面，特別是6自由度及以上工業(yè)機(jī)器人用關(guān)鍵零部件性能、可靠性和使用壽命方面，與發(fā)達(dá)國家還存在相當(dāng)?shù)牟罹?，一些關(guān)鍵零部件大量依賴進(jìn)口，成為掣肘產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。
《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》針對(duì)這一問題，將“大力發(fā)展機(jī)器人關(guān)鍵零部件”作為主要任務(wù)之一，提出要“從優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選、加工工藝、裝配技術(shù)、專用制造裝備、產(chǎn)業(yè)化能力等多方面入手，提升高精密減速器、高性能機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、高速高性能控制器、傳感器、末端執(zhí)行器等五大關(guān)鍵零部件的質(zhì)量穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)能力，突破技術(shù)壁壘，打破長期依賴進(jìn)口的局面?！?/p>
一、關(guān)鍵零部件對(duì)外依存度高制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展
機(jī)器人是機(jī)電一體化的智能制造裝備，集精密機(jī)械、控制技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等于一體，其較為重要的上游產(chǎn)品包括減速器、控制器、伺服電機(jī)、傳感器等關(guān)鍵零部件以及系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件等。其中，精密減速機(jī)、控制器、伺服系統(tǒng)以及高性能驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零部件成本占到機(jī)器人整體生產(chǎn)成本的70%以上，關(guān)鍵零部件所涉及的技術(shù)含量高，在同類產(chǎn)品中具有較強(qiáng)的技術(shù)溢出性。
近年來，我國雖然已有部分企業(yè)在減速器、伺服電機(jī)和控制器等關(guān)鍵零部件的研制上有所突破，但技術(shù)方面與國外仍然存在一定差距。關(guān)鍵零部件在精度、可靠性等方面與國外產(chǎn)品相比缺乏競爭力，高端產(chǎn)品缺乏，進(jìn)口依賴嚴(yán)重。同時(shí)，由于關(guān)鍵零部件的市場集中度，而我國本體廠商規(guī)模普遍偏小，在采購進(jìn)口零部件時(shí)議價(jià)能力較弱，采購成本居高不下。對(duì)進(jìn)口關(guān)鍵零部件的依賴使得國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)失去很大比例的利潤空間，難以在國際競爭中勝出。
“十三五”期間，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)針對(duì)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”和“短板”，著力突破核心技術(shù)制約，切實(shí)提高關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化能力，夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。
二、突破五大關(guān)鍵零部件提高核心競爭力
1、高精密減速器
機(jī)器人用精密減速器是控制機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的核心部件，其精度高低直接決定了機(jī)器人操作的精細(xì)程度（包括定位精度和運(yùn)動(dòng)精度），是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的應(yīng)用環(huán)節(jié)。
機(jī)器人用減速器主要分為諧波減速器和RV減速器兩種。精密減速器技術(shù)開發(fā)難度較高，是純精密機(jī)械部件，要求較高的回轉(zhuǎn)精度、剛度和疲勞強(qiáng)度，對(duì)加工工藝技術(shù)和材料技術(shù)也提出了很高的要求。產(chǎn)品要求具有率、高精度、高可靠性、低重量、長期免維護(hù)性等。
在機(jī)器人用高精度減速器的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域，日本具備優(yōu)勢，以納博特斯克、哈默納科、住友等企業(yè)為代表。其中，全球機(jī)器人行業(yè)70%以上的精密減速機(jī)被日本的納博特斯克和哈默納科兩家壟斷，ABB、FANUC、KUKA等國際主流機(jī)器人廠商的減速器也均由上述兩家公司提供。納博特斯克優(yōu)勢產(chǎn)品是RV減速機(jī)，哈默納科的優(yōu)勢產(chǎn)品是諧波減速機(jī)。日本納博精密減速機(jī)扭矩大且精度高，高剛性且抗震性強(qiáng)，尤其產(chǎn)品質(zhì)量保障期超長，2015年，納博斯特克精密減速機(jī)銷售額達(dá)到453億日元，營業(yè)利潤達(dá)到68億日元。
總的來看，國產(chǎn)減速器在額定扭矩和傳動(dòng)效率等方面與國外產(chǎn)品差距較小，但在扭轉(zhuǎn)剛度、傳動(dòng)精度等穩(wěn)定性和精度指標(biāo)方面差距還比較明顯，由于材料和工藝水平等問題，耐疲勞強(qiáng)度方面差距也比較明顯。經(jīng)過近兩年發(fā)展，我國在諧波減速器的研制方面已經(jīng)取得突破，產(chǎn)品也趨于成熟，部分企業(yè)的諧波減速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并初步得到國內(nèi)市場的認(rèn)可；但在RV減速器方面，由于其制造技術(shù)難度大，雖然國內(nèi)也有幾家廠商在研發(fā)銷售，但仍處于推廣試用階段，沒有真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的批量生產(chǎn)，國產(chǎn)化進(jìn)程較為緩慢。
隨著我國工業(yè)機(jī)器人需求規(guī)模不斷擴(kuò)大，國內(nèi)對(duì)高精密減速器的市場需求也在不斷提高，然而當(dāng)前國內(nèi)精密減速器市場仍然被日本納博特斯克和哈默納科主導(dǎo)，且國內(nèi)外價(jià)差較大，使得自主品牌工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品缺乏市場競爭力。未來幾年，通過發(fā)展高強(qiáng)度耐磨材料技術(shù)、加工工藝優(yōu)化技術(shù)、高速潤滑技術(shù)、高精度裝配技術(shù)、可靠性及壽命檢測技術(shù)以及新型傳動(dòng)機(jī)理的探索，發(fā)展適合機(jī)器人應(yīng)用的率、低重量、長期免維護(hù)的系列化減速器，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，是降低國產(chǎn)機(jī)器人成本、提升國際競爭力的重要環(huán)節(jié)。
2、高性能機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器
伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，要求有功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。驅(qū)動(dòng)器是用來使機(jī)器人發(fā)出動(dòng)作的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器可將電能、液壓能和氣壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的動(dòng)力。
機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是在普通通用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)器人的高速、重載、高精度等應(yīng)用要求，增加驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的瞬時(shí)過載能力，增加驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，進(jìn)一步提高控制品質(zhì)。高性能伺服電機(jī)能夠使機(jī)器人跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。工業(yè)機(jī)器人精度要求高，使用的主要是高精度伺服電機(jī)；從電機(jī)種類上看，交流伺服電機(jī)占比較高。
目前全球高性能機(jī)器人專用伺服電機(jī)的主流供應(yīng)商主要由日系、歐美系、臺(tái)灣和韓國等占主導(dǎo)，其中，歐系機(jī)器人的電機(jī)主要由倍福、倫茨、Lust、博世力士樂等公司提供，其特點(diǎn)是過載能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)器開放性強(qiáng)，具有總線結(jié)構(gòu)，但價(jià)格相對(duì)昂貴；日系主要由安川、松下、三菱、FANUC等公司提供，價(jià)格相對(duì)較低，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。控制器的主流供應(yīng)商主要包括美國的DeltaTau和Gail、英國的TRIO和中國的固高、步進(jìn)等公司。
與減速器相比，國內(nèi)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器市場未形成國外主要廠商壟斷的情況，一些國產(chǎn)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器品牌已經(jīng)具備了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，并占據(jù)了一定的市場份額，同時(shí)幾大國外廠商在中國也建立了分工廠，供應(yīng)充足，產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)合理。但相對(duì)來看，國產(chǎn)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器主要面向中低端市場，高端產(chǎn)品在動(dòng)態(tài)性能、開放性、可靠性、單位體積扭矩和運(yùn)動(dòng)精度上與國外知名品牌仍存在一定差距。未來幾年，高性能機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的攻關(guān)方向是通過高磁性材料優(yōu)化、一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工裝配工藝優(yōu)化等技術(shù)的研究，提高伺服電機(jī)的效率，降低功率損失，實(shí)現(xiàn)高功率密度。
3、高速高性能控制器
機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。控制器主要包括硬件和軟件兩部分，硬件部分基本就是工業(yè)控制板卡，包括一些主控單元、信號(hào)處理部分等電路，國內(nèi)外技術(shù)差異不大，技術(shù)難點(diǎn)主要在軟件部分，包括軟件實(shí)現(xiàn)的構(gòu)建、控制算法、二次開發(fā)等。
控制器的技術(shù)水平包括控制的高同步性、良好的操作性、高速高精度控制、同時(shí)控制的軸數(shù)等。高速高性能控制器是通過采用高速CPU，大幅提高周期、動(dòng)作軌跡以及內(nèi)部處理時(shí)間等來實(shí)現(xiàn)高速處理控制能力。
控制器、軟件與本體一樣，一般由機(jī)器人廠商自主設(shè)計(jì)研發(fā)。目前國外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，各品牌機(jī)器人均有自己的控制系統(tǒng)與之匹配。因此，控制器的市場份額基本和機(jī)器人保持一致，作為關(guān)鍵核心零部件的控制器市場，也同樣被外企所占據(jù)，主要供應(yīng)商包括FANUC、松下、三菱、那智、安川、貝加萊、KEBA、倍福、KUKA、ABB等。
控制器在機(jī)器人關(guān)鍵零部件中技術(shù)難度相對(duì)較低，經(jīng)過多年的沉淀，國內(nèi)逐步成長起了一批專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制企業(yè)，他們開始逐步向市場提供機(jī)器人專用控制器。于此同時(shí)，不少國內(nèi)機(jī)器人企業(yè)也陸續(xù)開發(fā)自己的控制系統(tǒng)。
目前國產(chǎn)控制器已完全掌握硬件開發(fā)技術(shù)，所采用的硬件平臺(tái)和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距，基本能滿足機(jī)器人的控制需求，但在控制算法、二次開發(fā)平臺(tái)的易用性以及控制軸數(shù)、快速性、穩(wěn)定性等方面與國際品牌產(chǎn)品尚有一定差距，且國內(nèi)企業(yè)力量分散，缺乏拳頭企業(yè)，產(chǎn)品的品牌效應(yīng)欠佳。
未來幾年，國產(chǎn)控制器應(yīng)重點(diǎn)突破高性能關(guān)節(jié)伺服、振動(dòng)抑制技術(shù)、慣量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、多關(guān)節(jié)高精度運(yùn)動(dòng)解算及規(guī)劃等技術(shù)，提高高速變負(fù)載應(yīng)用過程中的運(yùn)動(dòng)精度，改善動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)重點(diǎn)發(fā)展并掌握開放式控制器軟件開發(fā)平臺(tái)技術(shù)，提高機(jī)器人控制器可擴(kuò)展性、可移植性和可靠性。
4、傳感器
傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知的硬件基礎(chǔ)。傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。
根據(jù)檢測對(duì)象的不同，傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器用來檢測自身狀態(tài)的信息，主要是位置、速度、加速度等傳感器，并且作為反饋信號(hào)構(gòu)成伺服控制；外部傳感器用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境，如壓力、距離、視覺、觸覺、聽覺、滑覺等傳感器。隨著智能化的程度提高，機(jī)器人傳感器應(yīng)用越來越多。
從傳感器國際市場來看，占據(jù)主導(dǎo)地位的仍然是德國、日本、美國等老牌工業(yè)國家，其生產(chǎn)的傳感器應(yīng)用范圍很廣，其中許多生產(chǎn)廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，部分企業(yè)年生產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬只甚至幾億只。日本和歐洲作為全球工業(yè)機(jī)器人市場的兩大主角，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了傳感器等核心零部件的完全自主化。
與國外廠商相比，我國機(jī)器人傳感器應(yīng)用范圍較窄，在高精度、高敏感度分析和特殊應(yīng)用的高端方面存在較大差距，產(chǎn)品往往形不成系列，產(chǎn)品在測量精度、溫度特性、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)上與國外也有相當(dāng)大的差距，國內(nèi)高、精、尖和新型傳感器市場主要被國外品牌或合資企業(yè)所壟斷，中高端芯片依賴進(jìn)口。
國內(nèi)傳感器企業(yè)主要以中小企業(yè)為主，未能形成規(guī)模效益，且研發(fā)能力較弱、產(chǎn)品技術(shù)水平偏低。傳感器的質(zhì)量、價(jià)格、功能都是將來國內(nèi)企業(yè)要重點(diǎn)提高的方面。隨著機(jī)器人等高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，在市場需求帶動(dòng)和政策扶持的帶動(dòng)下，傳感器將迎來重大發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)傳感器制造企業(yè)應(yīng)加大技術(shù)投入，改進(jìn)企業(yè)管理模式，提高對(duì)新原理、新器件和新材料傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力。
5、末端執(zhí)行器
機(jī)器人末端執(zhí)行器裝配在機(jī)械臂末端，直接與工件接觸來執(zhí)行工作任務(wù)，具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放工件到某一準(zhǔn)確的離散位置等功能，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了機(jī)器人的工作性能。根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，它可以是夾持器或?qū)Ｓ霉ぞ叩?，如吸盤、機(jī)械手抓、托持器等。專用工具是用以完成某項(xiàng)作業(yè)所需要的裝置，如機(jī)器人噴涂槍、弧焊焊槍、電焊焊槍等。
機(jī)器人末端執(zhí)行器涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、仿生學(xué)、人工智能、材料學(xué)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)交叉學(xué)科，是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。美國、德國、日本、俄羅斯等國家成功研制了多種通用和專用的機(jī)器人末端執(zhí)行器，全球工業(yè)機(jī)器人本體主要生產(chǎn)商ABB、KUKA、FANUC、安川在機(jī)器人末端執(zhí)行器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，此外，日本松下、那智越、川崎重工等也占據(jù)一席之地。
從國內(nèi)外對(duì)比來看，我國末端執(zhí)行器研究相對(duì)落后，在自主創(chuàng)新能力、生產(chǎn)規(guī)模、主要技術(shù)參數(shù)、工作效率、精度、可靠性等方面與國外廠商都存在較大差距。隨著人工智能、仿生技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、智能感知等技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人正在不斷向柔性化、智能化方向發(fā)展，國內(nèi)機(jī)器人制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)加大技術(shù)研發(fā)投入，將技術(shù)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)能力，重點(diǎn)開發(fā)抓取與操作功能的多指靈巧和具有快換功能的夾持器等末端執(zhí)行器，擴(kuò)大機(jī)器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求。
我國已成為全球發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)器人需求市場之一，在激烈的市場競爭中，推動(dòng)高精度減速器、高性能機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、高速高性能控制器、傳感器以及末端執(zhí)行器等關(guān)鍵部件的研制及產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于提高我國機(jī)器人的規(guī)?；a(chǎn)能力，提升中高端產(chǎn)品的市場競爭力意義重大。
