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2017年我國機器人行業發展現狀、產業鏈及發展機會分析(圖)
發布時間:2017-09-30 15:12
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        (一)機器人產業發展現狀

        在全球范圍內新一輪科技革命和產業變革的浪潮下,中國經濟也在加速轉型,推動傳統產業升級,特別是隨著“人工智能”技術手段的突破和滲透,搭載了智能技術的傳統產業開始尋求新的發展方向。而作為中國經濟第一支柱的制造業,同時受到經濟增速放緩、競爭加劇、成本高企、需求減緩、環保政策高壓等多重不利因素的影響,擺脫困境,重新洗牌是擺在制造業企業面前最為迫切的問題,為了提振制造業企業,國家在頂層設計上推出了《中國制造2025》發展規劃,規劃將創新定位于發展制造業的核心位置,鼓勵關鍵技術自主研發,并大力推進信息化與工業化融合,將智能制造作為中國制造業的重點發展領域,從而成為推動經濟增長的新引擎。

        截至目前,距離《中國制造2025》發布逾兩年時間,規劃中提及的智能制造裝備和產品,包括:新型傳感器、智能測量儀表、工業控制系統、伺服電機及驅動器和減速器、高檔數控機床、工業機器人等,在部分領域國內企業已經從初涉逐漸走向產業化。特別是在機器人領域,根據國際機器人聯合會(IFR)公布的數據,在2016 年,在電子、電氣信息等技術進步的推動下,中國已經是全世界機器人增長最快,存量最大的市場,2016 年中國市場的銷量增長了27%,達到8.7 萬臺。IFR 預測,從2018 年到2020 年,工業機器人每年的平均銷量增長將保持在15%—20%之間。毫無疑問,未來幾年,機器人產業在中國市場將一直保持高速增長。
圖:年末中國工業機器人庫存量(單位:萬臺)
        參考觀研網相關發布的《2018-2023年中國工業機器人行業專項調研及投資戰略咨詢報告

        (二)機器人產業鏈分析

        1.機器人的介紹和分類

        智能裝備和產品主要指工業自動化成套裝備,包括機器人、主控機床、控制器、其他自動化輔助生產設備等。機器人按照應用領域的不同分為工業機器人、服務機器人、特種機器人。其中工業機器人在全球范圍內技術發展的最為成熟,應用最為廣泛,已經向更多的細分領域滲透和拓展。

        工業機器人最初雛形是機械手,機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件,根據被抓持物件形狀、尺寸、重量、材質和作業要求而有多種結構形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構,幫助手部完成規定的動作,如轉動、擺動、移動或者復合運動等,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等稱為機械手的自由度。自由度越多,機械手靈活性越大,一般來說,專用機械手有2—3 個自由度,通用機械手需有6 個自由度。控制系統是通過芯片控制程序對機械手每個自由度電機的控制,來完成手部抓取、搬運物件或操作工具等特定動作,同時接收傳感器反饋的信息,形成穩定的閉環控制。機械手主要用作機床或其他機器的附加裝置上,一般沒有獨立的裝置,用于沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序之中。后期隨著計算機和自動控制技術的進步,自動控制和伺服機構等技術發展迅速,通用性獨立的工業用自動操作裝置被研制出來,它可以按照預先編排的程序運行,由伺服系統驅動,獨立執行工作。這種獨立的工業用裝置被成為工業機器人。

        工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體包括機座和執行機構,包括臂部、腕部和手部,有的機器人還有行走裝置。機械手成為了機器人一部分,在機器人的末端執行各項任務。同時由于人工智能技術和手段的運用,計算機程序將觸覺、視覺等識別技術植入到機器人中,使其具有識別功能、學習功能,能夠在較為復雜的環境下工作,即成為了智能型工業機器人。由于傳感器、人工智能、大數據、物聯網等技術的運用,機器人產業中涌現出新的制造模式和商業模式——服務型機器人出現了。相較于工業機器人,它與個人、家庭生活聯系更為緊密,根據預測,2015-2018 年,個人及家庭用服務機器人全球銷量將達到2,590萬臺,市場規模將達到122 億美元。

        目前我國服務機器人需求領域包括:養老、監護等社會需求;國防、公共安全、救援搶險、科學考查等國家重大需求;在智能家居、教育、保潔等個人及家庭消費需求。服務機器人的重點在于服務,基于特殊場景應用的服務及AI 的建設是重點,各行業AI 化將是未來的發展方向。特種機器人是應用于特殊領域的機器人,主要應用于軍用、深海勘探作業等,目前水下機器人、軍用機器人、空中機器人等領域實戰經驗最為豐富,特別是空中機器人,又稱為無人機,目前已經產業化,而且可以擴展至民用領域,未來該細分領域具備更大的發展前景和更寬闊的發展空間。
圖:智能裝備的分類

        2.機器人的產業鏈

        和其他行業一樣,機器人產業鏈也分為上游、中游和下游。上游是核心零部件的生產,包括控制器、伺服系統、減速器;中游是機器人本體的生產,即機器人的支撐基礎和執行機構,包括機械傳動系統和機體結構;下游是機器人的系統集成和行業應用,即機器人控制軟件、機器人本體、機器人應用軟件、機器人周邊設備結合起來,成為系統,應用于各場景之中,實現機器人的終端應用,如焊接,打磨,上下料 、搬運、機加工等工業自動化流程。
圖:.機器人產業鏈條

        3.機器人工作原理

        機器人的控制通常由一臺或者多臺微機來實現,有時候會采用上、下兩級微機共同完成控制,主機負責管理系統、通訊、按照運動學和動力學邏輯進行計算,并向下級微機發送指令信息。機器人的各個關節作為下級從機,分別對應一個CPU,進行插補運算和伺服控制處理,實現給定的運動,并向主機反饋信息。控制器對機器人控制的速度、精準度是通過驅動系統完成的,即通過伺服電機完成。伺服電機可以將所收到的信號和命令轉換成轉速和轉矩以驅動機器人,使機器人在命令的范圍內以指定的速度活動,是一種間接變速裝置。減速器的作用于匹配原動機和工作機或執行機構之間轉速和傳遞轉矩。使用它的目的是降低轉速,增加轉矩。減速器一般用于低轉速大扭矩的傳動設備,把電動機、內燃機或其它高速運轉的動力,通過減速機的輸入軸上的齒數少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的。主要應用在機器人關節上,可以讓機器人的關節更加柔性、多變、靈活。

        機器人本體是通過技術將零部件和機身本體以及傳動系統聯接起來,即將工業機器人支柱、手臂、底座等部件與控制器、伺服系統、減速器等零部件生產加工組裝起來。工業機器人本體包括:傳動部、機身及行走機構、臂部、腕部、手部等關鍵部位。一般情況下,機器人本體投入使用時是無法單獨運作的,需要經過系統集成以及行業應用后才能實現終端客戶的需求,即焊接、涂裝、總裝各個組成部分,并根據客戶所處的行業,提出行業解決方案,將軟件系統與機器人整體連接,使機器人按照軟件程序的指令操作,以滿足不同客戶的需求。

        (三)國內機器人產業的市場機會分析
        從產業鏈條各關鍵環節看國內機器人產業發展現狀

        從機器人產業鏈條上看,機器人核心零部件、本體、系統集成及行業應用是創造利潤的重要環節。目前國產工業機器人成本主要由控制器、伺服系統、減速器、機器人本體等組成部分的影響,其中控制器、伺服系統、減速器等成本占比超過60%,特別是減速器,其成本占比在31%—38%。目前國外機器人的成本在15-20 萬之間,而國內的機器人的成本在30 萬左右,比國外機器人成本高了近一倍,主要原因在于核心零部件成本居高不下,特別是減速器和伺服系統。而且從市場結構中看出,這兩大關鍵零部件基本依靠進口,被日本、美國、德國等國家的大型公司壟斷,外資市場份額超過80%。

        由于受成本高,需求量小等因素的制約,國內工業機器人難以形成規模化生產,大部分國內企業依靠從國外進口關鍵部件,對機器人各組成部分進行焊接、噴涂、組裝等,主要聚集于產業鏈的中下游。然而在高難度焊接和集成領域,國外企業依然占據主導地位,市場占有率依然超過80%。在多關節機器人領域,國外企業占90%的市場份額,六軸以上工業機器人外國品牌,國外企業占85%的市場份額。而國產機器人裝備卻主要集中在搬運、碼垛、上下料等低端工業領域,而且由于近年來行業的快速增長,大量重復建設,已經積累了產能過剩的風險。

        國內機器人產業鏈條各個環節的發展方向

        2016 年,工業和信息化部、發展改革委、財政部聯合發布了《機器人產業發展規劃(2016-2020 年)》,規劃明確提出,到2020 年,力爭培育3 家以上具有國際競爭力的龍頭企業,打造5 個以上機器人配套產業集群,在高端市場的占有率達到50%以上。這意味著中國機器人產業未來的發展方向是從產業鏈中的低端水平向高端水平逐漸轉移。因此以技術自主創新為突破口,尋求核心零部件國產替代,并在已有的市場份額中做深做細,推動用智能裝備對機器人升級,擴大機器人應用領域,形成規模化生產。從產業鏈條各環節看,目前國內機器人控制器技術已經較為成熟,是與國外企業差距最小的關鍵零部件,機器人軸數、關節數越多,對應控制器技術水平要求也越高。目前上市公司埃斯頓主要從事控制器的生產。

        對國內機器人行業最為迫切的還是伺服系統和減速器的國產化,如果研發出技術、質量符合要求的零部件,會讓機器人的成本降低至少一半。目前國內的埃斯頓、匯川技術、華中數控等上市公司在伺服電機和驅動器領域也有所建樹,致力于國際化水平的產品質量,占據了一定的市場份額。目前國內還沒有能夠提供規模化且性能可靠的精密減速器生產的企業,國內一些企業在精密減速器方面的研發在穩步推進,上市公司秦川發展、上海機電、雙環傳動已經涉足精密減速機領域。

        機器人本體企業具備整合上游零部件和下游系統集成商的機會,目前涉足此領域的國內企業較多,有些自己實施集成,有些外包給其他集成商。目前國內做的比較好的有上市公司新松機器人,其主營業務就是機器人集成,而且率先開發出7 軸機器人,打破了只有外企可以生產多軸機器人的局面。目前市場也出現了九軸的噴涂機器人,但是尚未形成規模。

        從國內市場結構看,大部分企業還是 以低端經濟型本體為主要產品,包括三、四軸專用機器人、低成本的六軸通用機器人。而且由于這種機器人主要應用在電子、家電制造、金屬制造、塑料化工、食品等行業中,對其零部件的精密度要求不如工業機器人高,借助于其低成本的優勢,該類機器人國產化替代效應較強。

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