工业机器人行业深度研究报告_图文(精)

机器人行业深度研究报告

【核心观点】

● 当前全球机器人市场主要以工业机器人为主, 占市场份额的 80%。未来服务机器人的行业规模或将超过工业机器人,成为新蓝海。

● 预计 2014~2017年全球服务机器人市场规模累计将达 2000亿元, 复合增速将达到 22%, 中国市场增速远高于全球增速。以清洁机器人为例, “ 双十一” 期间,国内扫地机器人公司科沃斯实现全网销售 3.15亿元, 其中在天猫商城销售达 2.76亿元。这让我们看到了服务机器人在终端消费需求的爆发力。

● 中国的机器人密度仅为 30,远低于世界平均水平的 62,而世界最高的韩国达到437。工信部工业装备司副司长王卫明曾透露, 国家的相关产业规划到 2020年中国工业机器人的产业体系要具备 3至 5家具有国际竞争力的企业, 8至 10个产业配套集群,机器人密度达到 100以上。从 30到 100对应的是 3倍以上市场规模的增长。

● 机器人将迎来政策密集落地期,制造强国战略对机器人产业是长期利好。

● 机器人板块选股思路包括关键零部件国产化—— $上海机电 (SH600835$$双环传动 (SZ002472$; 工业机器人本体放量,尤其是经济型本体—— $巨星科技

(SZ002444$; 有技术含量的系统集成商—— $机器人 (SZ300024$$埃斯顿

(SZ002747$; 新兴的服务机器人—— $博实股份 (SZ002698$$慈星股份

(SZ300307$。

【导读】

机器人的诞生或许并不是 20世纪产业界最伟大的成就, 但却可能是 21世纪最伟大的变革! 机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962年美国研制出世界上第一台机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统 (FMS、自动化工厂 (FA、计算机集成制造系统 (CIMS的自动化工具。

广泛采用机器人,不仅可提高产品的质量与产量, 而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。机器人能干的工作也已经从搬运、码垛、焊接等生产活动,到读报、陪护、弱交流等生活活动,再到排雷、战斗等军事活动,渗透到了人类的方方面面。随着需求范围的扩大,机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端机器人具有明显的仿生和智能特征,其性能不断提高, 功能不断扩展和完善,各种机器人系统逐步向具有更高智能方向演进。

目前机器人主要分为:工业机器人和服务机器人两大类。工业机器人细分为焊接机器人、搬运机器人、装配机器人、处理机器人、喷涂机器人五大类,服务机器人细分为个人、家用机器人、专业服务机器人。

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查看原图【工业机器人概述及发展趋势】

1.1工业机器人发展概述

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备, 技术附加值很高, 应用范围很广, 作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业, 将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会 (UNECE和国际机器人联合会(IFR的统计,世界机器人市场前景看好,从 20世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 20世纪 90年代,机器人产品发展速度加快,年增长率平均在 10%左右。 2004年增长率达到创记录的 20%。其中,亚洲机器人增长幅

度最为突出,高达 43%。

1.2国外工业机器人发展趋势

1.2.1工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修。

1.2.2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化; 由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机; 国外已有模块化装配机器人产品问市。

1.2.3工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准

化、网络化; 器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构; **提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

1.2.4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制; 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

1.2.5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

1.3中国工业机器人发展现状

中国的工业机器人从 80年代“ 七五” 科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“ 七五” 、“ 八五” 科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30条自动喷漆生产线(站上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看, 中国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离, 如:可

靠性低于国外产品; 机器人应用工程起步较晚, 应用领域窄, 生产线系统技术与国外比有差距。

1.4工业机器人应用领域发展趋势

经过四十多年的发展, 工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中, 尤其是在汽车产业中,工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高, 机器人的应用范周还在不断地扩大, 已从汽车制造业推广到其他制造业, 进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。

在国外,工业机器人技术日趋成熟, 已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而, 相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司,它们包括:瑞典的abbRobotics ,日本的 fanuc 、 Yaskawa ,德国的 kukaRoboter ,美国的AdeptTechnology 、 AmericanRobot 、 EmersonIndustrialAutomation 、 S-TRobotics , 意大利 comau , 英国的 AutoTechRobotics , 加拿大的 JcdInternationalRobotics ,以色列的 RobogroupT ek 公司,这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。

在国内, 工业机器人产业刚刚起步, 但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司,年利润增长在 40%左右。

1.5工业机器人四大家族

1.5.1日本发那科(Fanuc

FANUC 是日本一家专门研究数控系统的公司,成立于 1956年。是世界上最大的专业数控系统生产厂家, 占据了全球 70%的市场份额。 FANUC 于 1959年首先推出了电液步进电机, 在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统。

进入 70年代,微电子技术、功率电子技术,尤其是计算技术得到了飞速发展, FANUC 公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品,一方面从 GETTES 公司引进直流伺服电机制造技术。 1976年 FANUC 公司研制成功数控系统 5,随后又与 SIEMENS 公司联合研制了具有先进水平的数控系统 7,从这时起, FANUC 公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家。

自 1974年, FANUC 首台机器人问世以来, FANUC 致力于机器人技术上的领先与创新, 是世界上唯一一家由机器人来做机器人的公司, 是世界上唯一提供集成视觉系统的机器人企业, 是世界上唯一一家既提供智能机器人又提供智能机器的公司。 FANUC 机器人产品系列多达 240种,负重从 0.5公斤到 1.35吨,广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等不同生产环节,满足客户的不同需求。

2008年 6月, FANUC 成为世界上第一个装机量突破 20万台机器人的厂家; 2011年, FANUC 全球机器人装机量已超 25万台,市场份额稳居第一。

FANUC 发布史上最“ 给力” 机器人

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2015年, FANUC 向大众展示了 M-2000iA 系列的机器人。 M-2000iA 系列是世界上最大、最强壮的可搬运超重物体的机器人,有两种型号,一个是可举起 900公斤

重物的 M-2000iA/900(动作半径 4680mm 和能举起 1200公斤的 M-2000iA/1200(动作半径 3730mm ,能够做到更快、更稳、更精确地移动大型部件,用于物流搬运、机床上下料、装配、码垛、材料加工、拾取及包装及举重表演等。

当需要处理超重部件, 如机床组装、车身定位时, M-2000iA 机器人可实现安全快捷的安置, 能代替起重机、运输班车、龙门吊工作。

1.5.2ABB (Asea Brown Boveri

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ABB 是一家瑞士 -瑞典的跨国公司,集团总部位于瑞士苏黎世。 1988年创立于欧洲, 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,目前,中国已经成为 ABB 全球第一大市场。

ABB 集团业务遍布全球 100多个国家,拥有 14.5万名员工, 2014年全球销售收入约 400亿美元,在华销售收入约 58亿美元。

ABB 在中国拥有研发、制造、销售和工程服务等全方位的业务活动,员工 1.9万名。在中国大陆设有 38个子公司和 100多个办事处。 ABB 机器人产品和解决方案已广泛应用于汽车制造、食品饮料、计算机和消费电子等众多行业的焊接、装配、搬运、喷涂、精加工、包装和码垛等不同作业环节。

机器人业务属于 ABB 五大业务部门中的离散自动化与运动控制部。该部门在中国拥有以下生产基地:西安 ABB 大功率整流器有限公司、 ABB 高压电机有限公司、北京 ABB 电气传动系统有限公司、上海 ABB 工程有限公司、上海 ABB 电机有限公司、上海 ABB 动力传动有限公司、广州 ABB 微联牵引设备有限公司、南昌 ABB 发电机有限公司。其中上海 ABB 工程有限公司是 ABB 机器人业务全球总部,也是 ABB 集团重要的机器人研发和生产基地, 拥有最先进的机器人生产线。

ABB 发布全球首款双臂人形协作机器人

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ABB2015年发布了全球首款真正实现人机协作的双臂机器人 YuMi , YuMi 具有协同式双臂, 配有突破性功能,将小件装配等自动化带入一个全新时代,其灵活的双臂以软性材料包裹, 并配备创新的力传感技术及最先进的软件控制系统。 YuMi 从机械手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理, 都能以其精确性轻松应对, 甚至连穿针引线都不在话下。 YuMi 将人与机器人并肩合作变为现实,并宣告一个人机协作新时代的来临。

1.5.3日本安川电机机

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安川电机创立于 1915年, 总部位于日本福冈县北九州市。 1999年 4月, 安川电机 (中国有限公司在上海注册成立,注册资金 3110万美金,公司位于上海市黄河路21号鸿祥大厦 12楼。

截至 2011年 3月,安川的机器人累计出售台数已突破 23万台,活跃在从日本国内到世界

各国的焊接、搬运、装配、喷涂以及放置在无尘室内的液晶显示器、等离子显示器和半导体制造的搬运搬送等各种各样的产业领域中。

2012年 7月,安川电机海外首个机器人生产基地落户常州武进高新区,该基地将用最新的设备生产用于汽车相关制造的溶解用机器人。项目总投资约 3亿元,设计产能 12000台套机器人 /年 (含控制系统 ,年销售 6亿元人民币。基地已于 2013年 6月投入生产。

安川重磅推出机械外骨骼 ReWalk

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安川电机 2015年重磅推出了“ 辅助脊髄损伤患者步行的机器人”ReWalk , 为脊髄损伤患者带来了福音。 ReWalk 作为外骨骼状机器人,不采用力传感器和肌电传感器,而是采用通过可以定位穿戴者的身体重心进行步行的独创性计算程序算法, 从而实现步行自然化和穿戴简便化, 在欧美已实现商品化, 可帮助因为脊髄损伤造成的下肢麻痹患者实现站立和步行。患者在指定医院接受使用训练(基础训练 20小时,应用训练最低 20小时后,便可在日常生活中使用。

1.5.4德国库卡(kuka

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库卡(KUKA 是世界工业机器人和自动控制系统领域的顶尖制造商,总部位于德国奥格斯堡。

KUKA 机器人公司在全球拥有 20多个子公司,其中大部分是销售和服务中心。KUKA 在全球的运营点有:美国, 墨西哥, 巴西, 日本, 韩国, 台湾, 印度和欧洲各国。库卡机器人 (上海有限公司是德国库卡公司设在中国的全资子公司,成立于 2000年,是库卡公司在德国以外设立的第一家,也是唯一一家海外工厂。库卡机器人(上海有限公司位于上海市。库卡机器人的品牌代言人是乒乓球运动员蒂姆波尔。

1973年 KUKA 研发其第一台工业机器人,即名为 FAMULUS 。这是世界上第一台机电驱动的 6轴机器人。今天该公司四轴和六轴机器人有效载荷范围达

3~1300公斤、机械臂展达 350~3700mm,机型包括:SCARA 、码垛机、门式及多关节机器人,皆采用基于通用 PC 控制器平台控制。 KUKA 的机器人产品最通用的应用范围包括工厂焊接、操作、码垛、包装、加工或其它自动化作业,同时还适用于医院,比如脑外科及放射造影。

库卡推出首款轻型工业机器人

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2015年,库卡推出首款轻型工业机器人 LBRiiwa , LBRiiwa 是一款具有突破性构造的 7轴机器人手臂, 其极高的灵敏度、灵活度、精确度和安全性的产品特征, 使它特别适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业(如电子、医药、精密仪器等 ,可满足更多工业生产中的操作需要。

传统的工业机器人往往被铁栅隔离,以防止其用力过猛伤及附近的工人,而LBRiiwa 在接触到人体时,则会按照设定的程序自动弹开保持安全距离。它的机身装配有 7个力矩传感器,使得其能够精确感知外部所施加力量的大小。

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综合财务数据来看, 对运动控制掌握的深度决定机器人企业的体量。四大家族中惟有发那科研发和制造数控系统,这是比电机、伺服等更底层的运动控制技术,可以说 FANUC 是最具有运动控制基因的企业, ABB 和安川电机相当,处于中等, KUKA 没有。

截止 2013年末 FANUC 市值 300亿美元, 营业收入 60亿美元, 净利润 15亿美元, 毛利率和净利率分别达到 48%和 25%,除市值低于 ABB 外,其他各项指标都遥遥领先。考虑到 ABB 是大型的工业集团, 机器人和自动化业务占比低, 可以认为机器人四大家族中 FANUC 体量最大。

ABB 和安川电机的运动控制技术都比较单一,只有 FANUC

通过数控系统,将其连接在一

起,产生了 1+1远大于 2的协同作用。

同为日企, FANUC 和安川电机在工业机器人收入基本一致的情况下, 市值、净利率相差 10倍以上,净利润相差约 20倍;作为欧洲企业的 ABB 和 KUKA 机器人收入相同,市值和净利润相差约 30倍。

机器人本体不是高利润的行业, 纯粹的工业机器人企业很难有大体量和高估值。机器人的价值在于作为系统集成的中心, 与其他业务结合提供整体解决方案所

产生的协同作用。而与机床数控相结合是最合适的。 FANUC 无疑是一个成功的典范。

【服务机器人概述及发展趋势】

2.1服务机器人发展概述

目前,全球机器人市场主要以工业机器人为主,占市场份额的 80%。未来服务机器人的行业规模或将超过工业机器人, 成为新蓝海。服务机器人好比 30年前的电脑、 15年前的手机, 未来 10年服务机器人行业规模将超万亿元, 未来三年复合增速将达到 22%, 目前尚处于爆发临界点。预计 2014~2017年全球服务机器人市场规模累计将达 2000亿元,复合增速将达到 22%,中国市场增速远高于全球增速。

2.2服务机器人发展趋势

服务机器人的核心技术包括人机交互、导航及路径规划、多机器人协调、人工智能、云计算等,具体涉及语音、语义、处理器、算法、通讯、大数据、云联网等,以实现服务机器人的自主性、适应性、智能型。另外,产业链上下游的整合,包括资金、系统、应用层开发等。服务机器人目前还存在关键技术尚未突破的瓶颈。

服务机器人的发展将由简到繁, 由易到难。清洁机器人应用场景简单, 看好其率先爆发。手术机器人和军用机器人具备人力所不及的优势和特点, 待成本进一步下降和功能继续增强后, 有望快速普及。

以清洁机器人为例, … 双十一?期间, 国内扫地机器人公司科沃斯实现全网销售3.15亿元, 其中在天猫商城销售达 2.76亿元。这让我们看到了服务机器人在终端消费需求的爆发力。作为服务机器人的一种, 清洁机器人有望率先实现产业化。服务机器人通过场景入口导入终端需求,目前相对成熟的领域是清洁、导购、医疗、教育等。

目前 A 股上市公司中,机器人 (300024、博实股份 (002698、巨星科技 (002444等均涉足服务机器人领域。

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【机器人产业链分析】机器人产业链图:

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3.1零部件:零部件核心在于控制

机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例, 每台机器人标配六台伺服, 六台减速器和一个控制器。电机与减速器在机器人内部, 控制器也就是控制柜,通过电缆与机器人本体相连。

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机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动, 驱动伺服电机旋转,

通过减速机执行动作。

其中, 技术门槛最高的是减速机,其次是伺服电机和驱动,再次是控制器。但这里说的门槛是指功能性的门槛,也就是做出来的门槛。

三大核心零部件的减速器、伺服和控制柜成本分别占机器人成本的 30%~50%, 20%~30%, 10%~20%。

3.1.1减速器

减速器工作原理, 是把电机的转速降低, 从而得到大的转矩。可以等同于汽车在上坡时需要减速的道理。

减速器成本,平均占机器人本体成本的 30%。由于减速器供应商较少,近乎垄断,故国内机器人本体的减速机采购价格更高,减速机占本体比例可达 40%~50%。

减速器分为谐波减速器和 RV 减速器。

谐波减速器用于小型机器人或大型机器人末端几个轴, 特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高,单级传动比大。国际上 HarmonicDrive 公司几乎垄断了整个工业机器人谐波减速器领域,目前全球市场占有率高达 80%。国内谐波减速器的产业发展中,以绿的发展最快,已经与部分国产机器人甚至外资机器人厂家供货试用,发展到今年有望突破三万台, 在国内谐波减速器市场占有率超过 50%。

谐波减速器结构:

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RV 减速器适用于在重载机器人。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。RV 减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。

日本的纳博特斯克(帝人在 RV 减速器市场占有全球 60%的市场份额。国内厂家南通振康和恒丰泰花费了 6~8年时间,目前在 RV 减速器国内品牌中位于前列。减速机市占率对比详见下表:

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3.1.2伺服

查看原图所谓“伺服” , 源于希腊语“ 奴隶” 的意思。“ 伺服机构” 就是一个得心应手的驯服工具, 服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;信号消失,转子能即时自行停转。

机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快; 伺服的精度高;

另外对基础材料有加工要求。特别是像机器人末端执行器(手爪应采用体积、质量尽可能小的电机,尤其是要求快速响应时, 伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性, 能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能在短时间内承受过载。

伺服中主要的三大零部件为:马达、驱动器、编码器。目前国内在马达和驱动器制造方面都有所突破, 而编码器的生产制造水平与国际水平还有差距。伺服有可能实现国产化替代的零

部件。国内伺服电机市场份额详见下图:

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3.1.3控制器

机器人控制系统是机器人的重要组成部分, 用于对机器人进行控制, 以完成特定的工作任务。它是机器人大脑,它以算法为核心。其主要基本功能如下:

(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:所谓示教,就是当用机器人代替人进行作业时,必须预先对机器人发出指示, 规定机器人应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。

(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。