運動(dòng)控制與機器人市場(chǎng)概述

本作者為IHS工業(yè)自動(dòng)化組高級分析師。

摘要：本文介紹了機器人的分類(lèi)以及各種應用方向，分析了不同運動(dòng)控制在機器人上的應用與發(fā)展現狀。

推動(dòng)機器人發(fā)展的根本因素：人口老齡化

　　全球大多數發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家都面臨人口老齡化問(wèn)題。比較中國、日本、美國和印度在2014年的人口年齡分布圖可以發(fā)現，印度是一個(gè)完美的金字塔型，意味著(zhù)未來(lái)至少二十年，印度的年輕勞動(dòng)人口供應將源源不斷，正在享受人口紅利;日本的人口分布圖是一個(gè)頂部更寬大的橄欖型，老齡人口占比非常大，而工作人口將越來(lái)越少，意味著(zhù)更少的人口將會(huì )供養更多的人，這也是造成日本經(jīng)濟長(cháng)期低迷的主要原因。美國的人口分布圖比較平均，主要是不斷有年輕的外來(lái)移民進(jìn)入美國，老齡化現象并不明顯。 日本的現在就是中國的未來(lái)，中國正在走向人口的老齡化(如圖1)。

發(fā)達國家對策： 高端制造業(yè)回流，通過(guò)機器人等自動(dòng)化裝備重新建立優(yōu)勢

　　發(fā)達國家由于制造業(yè)外包，產(chǎn)業(yè)空心化很多年，一些發(fā)達國家雖然依然掌握核心技術(shù)，但制造成本比較高。這些發(fā)達國家正積極推動(dòng)高端制造業(yè)的回流，比如說(shuō)穆斯克雖然認為人工智能對人類(lèi)的威脅很大，但在運用工業(yè)機器人方面還是沒(méi)有保留的，他的TESLA工廠(chǎng)機器人的應用非常多， 幾乎做到了全自動(dòng)的無(wú)人化生產(chǎn);對于發(fā)達國家來(lái)說(shuō)，引入機器人可以幫助他們快速重新建立制造業(yè)的競爭能力，我們也觀(guān)察到美國的工業(yè)機器人最近幾年的出貨量?jì)H次于中國和日本。

中國對策：通過(guò)機器人等自動(dòng)化裝備提升企業(yè)競爭力

　　勞動(dòng)力成本上升并不是推動(dòng)機器人換人的主要原因，維持企業(yè)的競爭力才是推動(dòng)機器人換人的主要原因。勞動(dòng)力成本和工資水平是不同的概念，勞動(dòng)力成本不但取決于工資水平，還決定于勞動(dòng)生產(chǎn)率。 計算公式圖2。

　　根據這樣的計算方法，可以計算得出各個(gè)國家的勞動(dòng)力成本，中國的勞動(dòng)力成本和墨西哥差不多，但比德國、英國和美國依然低很多。中國的勞動(dòng)力成本(9.81歐元每小時(shí))比越南(14.74歐元每小時(shí))還要低。

　　機器人換人的目的并不是為了抵消勞動(dòng)力成本上升的影響，而是為了提高企業(yè)競爭力，而企業(yè)的競爭力包括很多方面， 比如制造成本、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、市場(chǎng)開(kāi)拓等。而產(chǎn)線(xiàn)更加自動(dòng)化和引入機器人進(jìn)行生產(chǎn)，可以提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)線(xiàn)的柔性，提高快速響應速度。

機器人的分類(lèi)

　　機器人分為以下四大類(lèi)：工業(yè)機器人、專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人、家庭個(gè)人服務(wù)機器人和軍用機器人。軍用機器人其實(shí)是發(fā)展最早，技術(shù)最領(lǐng)先的。工業(yè)機器人其實(shí)只能算是機器人的一個(gè)細分行業(yè)， 工業(yè)機器人比較成熟，已經(jīng)商業(yè)化很長(cháng)時(shí)間。 工業(yè)機器人按照形式可以分成如圖3幾類(lèi)。

　　服務(wù)機器人主要按照應用分為專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人和個(gè)人家庭服務(wù)機器人， 專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人主要用在專(zhuān)業(yè)或者商用用途，個(gè)人家庭服務(wù)機器人主要用在個(gè)人或者家庭生活。服務(wù)機器人行業(yè)應用差別很大，有些行業(yè)已經(jīng)實(shí)現了商品化，比如掃地機器人和醫療機器人， 而很多專(zhuān)業(yè)的服務(wù)機器人還在大學(xué)和研究院的研發(fā)階段， 離商業(yè)化還有距離。

　　服務(wù)機器人按照組成形式分類(lèi)： 服務(wù)機器人也可以按照機器人的組成形式來(lái)劃分：基于陸地的、基于空中的、 水上的和可穿戴的(如圖4)。 陸地，水面，空氣中的應用場(chǎng)景對機器人的需求是不一樣的，應用場(chǎng)景不一樣那么它的組成形式就完全不一樣。 基于陸地的機器人形式比較多樣化。

　　基于空中的主要就是無(wú)人機。水上的應用與陸地和空中完全不一樣， 水面波浪比較大，水下壓強大，另外通訊問(wèn)題也比較復雜;而可穿戴式機器人可以穿戴在人的身體上，也包括可以進(jìn)入人體內的機器人，需要滿(mǎn)足人的舒適性和安全性的問(wèn)題，設計需要適應人體工程學(xué)的需要。

工業(yè)機器人市場(chǎng)格局成熟

　　一線(xiàn)廠(chǎng)商主要是指四大工業(yè)機器人廠(chǎng)商，優(yōu)勢在于主流市場(chǎng)的汽車(chē)和金屬加工;二線(xiàn)廠(chǎng)商在細分行業(yè)和其他一些一般工業(yè)市場(chǎng)有較強優(yōu)勢;三線(xiàn)廠(chǎng)商只能做邊緣市場(chǎng)和更難做的市場(chǎng)，邊緣市場(chǎng)也會(huì )涌現一些新的應用工業(yè)領(lǐng)域，包括陶瓷、五金、建材、制鞋等，但對這些廠(chǎng)家的綜合技術(shù)能力有較大挑戰。

服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)鏈更長(cháng)更多變化

　　工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈比較短，是比較簡(jiǎn)單的B2B模式，主要由零部件廠(chǎng)商(零部件種類(lèi)不多，標準化產(chǎn)品為主)， 機器人本體廠(chǎng)商，系統集成商和下游行業(yè)用戶(hù)組成。 而服務(wù)機器人的產(chǎn)業(yè)鏈更長(cháng)，廠(chǎng)商更多，商業(yè)模式比工業(yè)機器人更加復雜， 涉及了從上游的核心零部件廠(chǎng)商(包括芯片、傳感器、舵機、齒輪等，非標準零部件較多);中游制造環(huán)節包括組裝廠(chǎng)、操作系統提供商、云系統提供商等軟件廠(chǎng)商，軟硬件平臺廠(chǎng)商，服務(wù)提供商，運營(yíng)商，研究機構，培訓機構，認證機構;而服務(wù)機器人的下游行業(yè)和應用更是五花八門(mén)，大部分行業(yè)和應用市場(chǎng)分散，集中度低，沒(méi)有明顯的市場(chǎng)領(lǐng)導者; 另外還包括流通和消費環(huán)節，比如實(shí)體店和電商。

運動(dòng)控制能力是機器人發(fā)展最確定性的方向

　　高速度高精度的運動(dòng)控制是工業(yè)機器人的優(yōu)勢。工業(yè)機器人固定在工位上完成相應的搬運，焊接，噴涂，拋光，上下料等工作，工作效率很高。 但在工廠(chǎng)換線(xiàn)的時(shí)候需要對機器人進(jìn)行重新布局和編程，造成工廠(chǎng)停工時(shí)間長(cháng)。而協(xié)作機器人布局靈活，可以裝在移動(dòng)平臺上，提高了機器人的運動(dòng)能力和產(chǎn)線(xiàn)的柔性，可以靈活部署。 最近幾年大公司對機器人移動(dòng)能力的方向非常關(guān)注，有很多起對移動(dòng)機器人的收購兼并案例。而各種各樣的服務(wù)機器人對運動(dòng)能力的要求更是有增無(wú)減，波士頓動(dòng)力的ATLAS機器人的運動(dòng)能力就達到相當高的水準。

運動(dòng)控制的主要類(lèi)型

　　運動(dòng)控制主要包括： 位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力矩控制;運動(dòng)控制的按照動(dòng)力實(shí)現方式不同，可以分為電機傳動(dòng)，氣動(dòng)和液壓。工業(yè)機器人主要采用交流伺服電機控制系統，交流伺服運動(dòng)控制的趨勢基本上也是機器人運動(dòng)控制的趨勢， 比如性能提升，智能化，模塊化和網(wǎng)絡(luò )化等。而服務(wù)機器人的運動(dòng)控制方式更加多樣化， 技術(shù)路徑更加豐富多彩。

　　電機的應用：移動(dòng)機器人平臺和小型人形機器人平臺

　　電機控制在機器人中應用廣泛，特別是在人形機器人和移動(dòng)平臺中， 至少用幾十個(gè)電機，多的上百個(gè)電機(如圖7)。

　　液壓和電機的混合應用：人形機器人

　　美國DARPA(美國國防部先進(jìn)研究項目局)舉行的機器人比賽是展現人形機器人最先進(jìn)能力的比賽， 比賽的機器人主要有兩種不同的技術(shù)路線(xiàn)，純電機驅動(dòng)和液壓電機混合驅動(dòng)，但實(shí)際情況是除了ATLAS是液壓外其他都是電機驅動(dòng)。2015年大賽的第一名是韓國KAIST的機器人，全部運用電機方案，驅動(dòng)80公斤重的機器人，需要的電機不僅數量多，電機的功率要求也高。 第二名是波士頓動(dòng)力的ATLAS，它是液壓和電機混合驅動(dòng)的，主要的動(dòng)力來(lái)自于液壓驅動(dòng)，只有一些關(guān)節部分由于空間限制采用了電機。

氣動(dòng)在機器人中的應用

　　仿生袋鼠這款機器人身高超過(guò)一米，體重約七千 克，每次實(shí)現的跳躍動(dòng)作大致在40厘米高、80厘米長(cháng)的范圍內。 為氣動(dòng)系統所控制，在觸地瞬間，爪部在內層壓縮空氣推力作用下，實(shí)現向上向前的跳躍動(dòng)作。每完成一次跳躍動(dòng)作，其爪部便會(huì )儲存空氣能量以繼續下一次的跳躍。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。