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          競爭賽道加速轉換,協作機器人智能化時代來臨

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          放大字體  縮小字體 發布日期:2021-10-26   來源:OFweek機器人網   瀏覽次數:1368
          核心提示:前言近年來,先進制造、智能制造等話題逐漸成為全球的焦點。2021年10月6日,香港特首林鄭月娥在《行政長官2021年施政報告》中提

          前言

          近年來,先進制造、智能制造等話題逐漸成為全球的焦點。2021年10月6日,香港特首林鄭月娥在《行政長官2021年施政報告》中提出“令再工業化植根香港,使創科成為香港新經濟動力”,并提出期望在香港打造兩個先進制造中心的愿景。10月13日,廣東省印發《廣東省科技創新“十四五”規劃》,明確提出粵港澳大灣區國家技術創新中心建設計劃,“以智能制造與裝備等為主攻方向,突破“卡脖子”技術,鍛造“長板”技術,打造全鏈條產業創新網絡”,通過先進制造技術為新興產業壯大、傳統產業轉型升級以及未來產業布局提供強力支撐。上述政策的出臺為中國傳統制造業的升級、尋求新的動能打下了良好的基礎與鋪墊,進一步將“中國制造”向“中國智造”方向推進。

          隨著國內制造業的逐漸轉型,工業生產對自動化的需求開始從單機設備轉向全自動設備、全自動生產線,并提出了對全自動化生產線柔性化的需求。柔性化需求的出現使得調整能力差、智能化程度低的傳統機器人逐漸不適應產線,并誕生了適應柔性制造的智能協作機器人。靈活、安全、小巧的智能協作機器人不僅能滿足企業柔性化的生產需求,還解決了傳統工業機器人投資規模大、投資回報期長、靈活度有限等問題,讓不同規模的企業都能輕松實現智能自動化,加速“智能制造”的普及和落地。

          當今世界,各主要發達國家都在競相開發和改進新技術,讓智能制造技術應用更廣泛,以獲得更多的經濟效益。伴隨著智能制造時代的到來,柔性制造系統應用將日益廣泛,智能協作機器人應用于工業生產必將成為行業發展趨勢。

          很難想象會出現這樣的場景:在一個工作平臺上,一邊是工人,一邊是機器人,他們配合嫻熟、交流順暢,像一對合作多年的搭檔,親密交流、高效作業。協作機器人的出現正在讓這一切成為可能,小巧玲瓏的協作機器人克服了傳統工業機器人的笨重遲鈍,使得機器人也能從“牢籠[ 這里主要是指傳統工業機器人在工作時需要進行安全防護,一般會用防護網將一個個機器人隔離開來,與工作人員保持一定的安全距離。]”中走向人類世界,尤其是新一代的智能協作機器人還能成為人類的得力助手。

          一、五大優勢讓協作機器人與眾不同

          協作機器人是指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交互的機器人。就其工作模式而言,協作機器人有人機協作、人機配合以及單獨作業三種工作模式,單獨作業時機器人與人相隔一定距離,與工業機器人的工作模式相似;人機配合時機器人與人執行不同工作任務;人機協作是目前應用最廣泛的工作模式,需要機器人與工作人員進行動態交流互動,達到提質、增效、降本的目的。

          供給側改革正在向需求側改革遞進,以“小批量、多品種、定制化”為特點的新需求趨勢正在取代單一化、規?;枨?,對機器人的靈活性要求更高,傳統工業機器人越來越難以適應這一市場需求,尤其是對于中小企業來說,傳統工業機器人高昂的成本和復雜的操作往往讓中小企業望而卻步。協作機器人具備靈活部署、投資回收快、安全性高等優勢,能夠更好滿足新市場新需求。

          與傳統工業機器人相比,協作機器人具備五大優勢:

          (一)靈活、方便、體型小,柔性生產不可少

          柔性化生產需要機器人能夠靈活部署,并適應多品種的生產需求。浙江大學熊蓉教授在一次研討會上曾經指出“協作機器人由于方便示教便于安裝等特性,使其能快速適應各類生產需求,從人機協作產線到純粹無人自動化產線,尤其在汽車產線已經大量使用?!?

          傳統工業機器人的部署涉及到生產線的自動化改造、機器人外圍支持設備的設計等多種工作,至少需要一周甚至更多的時間。協作機器人結構相對簡單,體積更小、質量更輕,市場上主流協作機器人自重一般在數千克到數十千克不等,僅為傳統工業機器人自重的1/10或更低,可多角度、多位置靈活快捷部署。

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          (二)簡單便捷易上手,降本增效小能手

          傳統工業機器人除需要進行安裝之外,還需對機器人進行特定的配置和編程,往往需要系統集成商針對客戶生產特點制定相應解決方案,大大增加客戶使用成本。而企業關心的是“高效、快捷、方便、實惠”,相比傳統工業機器人,協作機器人易于編程,且具備手動引導功能,企業可自行安裝,并通過簡單的培訓即可自行操作使用。

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          協作機器人可視化操作界面

          (三)人機協作很“親密”,國際標準安全行

          由于無法保障操作人員的安全,傳統工業機器人一般會被隔離開來獨立工作,人機之間交互較少甚至零交互。而協作機器人在安全方面更有保障,國際標準EN ISO 10218對啟動人機協作的安全性方面制定了四個明確的要求:

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          協作機器人人機協作安全標準

          相比傳統工業機器人,協作機器人一般安裝有力反饋和碰撞檢測等應用,一旦協作機器人在工作過程中與人發生接觸,會停止運動,可避免或減輕對工作人員造成傷害,協作機器人在安全性能方面的終極追求是對人零傷害。

          (四)投資回收期很短,回本快,效益漲

          工業機器人的投資成本包括機器購買價格和部署成本,以高負載能力為例,傳統工業機器人價格一般在30-40萬元之間,由于在大規模生產線上進行部署,項目實施時間少則幾周多則幾個月,有時甚至需要停工停產,投資回收期一般需要幾年的時間。

          協作機器人價格較低,約為十幾二十萬元不等,協作機器人部署時間一般數天或一周時間,投資回收也在一年以內,對于中小企業來說,能夠更快實現經濟效益。

          協作機器人不同場景的應用示例

          (五)智能人機協作,“電子工友”不僅是機器換人

          機器人永不疲倦,協作機器人可以重復執行簡單動作而不會降低工作質量,其工作精度可將故障和產品缺陷的可能性降低到幾乎為0,在保證工作質量的同時大大提升工作效率。

          智能化協作機器人還可通過自身攜帶的攝像頭對成品零件、精密加工件等進行快速自動化檢測并迅速獲得檢測結果,保障企業產品的高質量生產。

          協作機器人正在進行電腦外殼質量檢測

          隨著協作機器人技術的愈加成熟,其相對傳統工業機器人的優勢也將更加凸顯,尤其是智能技術的加持將推動傳統協作機器人向智能協作機器人演變。智能協作機器人將更加重視機器人與人之間的深度互動、實時交互,在未來的工作場景中,機器人可迅速對工作人員的指令(包括口頭、動作等)做出應變,并能與人以及其他機器人進行深度交流學習,大幅度提高生產效率。

          二、發展動能十足,協作機器人行業喜迎“春天”

          (一)黨和國家高度重視發展機器人產業

          機器人是未來智能世界的基石,是制造業向自動化、智能化轉型的核心驅動力,黨和國家高度重視機器人產業的發展,并出臺了一系列鼓勵政策。

          2015年,國務院出臺的《中國制造2025》明確了制造升級的發展方向,工業機器人是重中之重。2017年發改委頒布《增強制造業核心競爭力三年行動計劃(2018-2020年)》,計劃八大重點領域中包含智能機器人關鍵技術產業化,重點開發基礎性、關聯性、開放性的機器人操作系統等關鍵共性技術。

          2019年,發改委制定《產業結構調整指導目錄(2019年本)》,在鼓勵類產業機械部分增加“機器人用關鍵零部件:高精密減速器、高性能伺服電機和驅動器、全自主編程等高性能控制器、傳感器、末端執行器等”“工業機器人RV 減速機諧波減速機軸承”等內容。2020年發改委出臺的《關于支持民營企業加快改革發展與轉型升級的實施意見》明確提出實施機器人及智能裝備推廣計劃。

          2021年,“智能制造與機器人技術”被寫入“十四五”規劃,列為制造業核心競爭力提升的8項重大專項技術之一。

          機器人產業扶持政策的不斷出臺為我國機器人產業發展奠定了良好的外部條件,協作機器人將在工業4.0時代背景下的智能制造中迎來更大發展契機。

          (二)成本下降、“機器替人”雙重疊加

          一是協作機器人價格愈加“親民”。市場發展初期,由于核心零部件受國外廠商制約,協作機器人的市場價格普遍超過20萬元/臺,令不少中小企業“望而卻步”,近年來隨著協作機器人技術的日益成熟及核心零部件的國產化替代,國內協作機器人的市場價格變得逐漸“親民”,極大降低了中小企業自動化生產門檻,拓展了協作機器人的應用領域。

          圖 1:2014-2019年協作機器人市場價格走勢

          資料來源:OFweek產業研究中心整理

          二是“機器替人”優勢逐步凸顯。隨著我國適齡勞動力人口數量的不斷減少,人力成本開始逐年提升,人口紅利取得的競爭優勢開始逐漸消失。近年來,人工成本的逐年上升以及協作機器人市場價格的下探使得兩者之間的成本差距進一步擴大,使用協作機器人替換人工的優勢進一步凸顯。2019年,協作機器人單位小時成本僅有6.80元/小時,而人工成本已經上升至32.33元/小時。

          圖 2:協作機器人單位時間成本逐年下滑

          資料來源:OFweek產業研究中心整理

          (三)安全生產容不得半點兒馬虎

          自工業機器人誕生應用于工業生產之日起,工業機器傷人的事件就不曾斷絕,根據美國OSHA一項報告顯示,1984-2017年發生了38起與機器人相關的事故,其中有27起導致工人死亡。協作機器人不同于傳統的工業機器人,其在產品設計上是更為本質、更為高級、更為安全的協作方式—Power and force limiting(功率和力限制),本身就從功率和力方面對機器人進行了限制(傳統工業機器人的功率高達數千瓦,而協作機器人的功率只有百瓦左右),從根源上避免傷害事件的發生。

          三、核心零部件“卡脖子”,但下游應用前景廣闊

          協作機器人產業鏈包括上游核心零部件供應商、中游機器人本體供應商及下游系統集成供應商。

          協作機器人作為工業機器人的一個分支,二者產業鏈大多相同,但也有差異。差異主要表現在上游材料方面,工業機器人的上游一般是控制器、傳感器、減速器和伺服電機等,而協作機器人的上游零部件則更精細化,涉及的零部件也更多一些。

          圖 3:協作機器人產業鏈圖示

          資料來源:OFweek產業研究中心整理

          (一)上游零部件“受制于人”局面逐步緩解

          協作機器人上游核心零部件主要包括中空直流電機、安全控制器、力矩傳感器、減速器、制動器、編碼器等。我國機器人產業起步較晚,趙杰[ 趙杰,哈爾濱工業大學教授、博士生導師,哈爾濱工業大學機器人研究所所長、機器人技術與系統國家重點實驗室副主任、原哈爾濱工業大學機電工程學院院長。]表示,目前機器人行業仍然有多項被卡脖子,內容涵蓋核心部件、芯片、軟件、工藝、系統等多方面。尤其在伺服電機、減速器和控制器三大核心零部件方面,國外廠商幾乎占據近九成市場份額。

          近年來,隨著國產廠商在技術研發的持續投入,國內協作機器人廠商技術日益成熟,部分核心零部件正在逐步實現國產替代,已經有越來越多的協作機器人廠商開始嘗試應用國產零部件,其中不乏優傲這樣的外資廠商,已經大批量采用國內廠商綠的諧波的減速器。同時,還有以大族機器人為代表的部分廠商基于自身技術積累,已經可以實現核心零部件的完全自主研發??偟脕砜?,協作機器人核心零部件的國產替代進程正在提速,國產技術水平日益提升。

          (二)中游本體及系統集成商入局者增加

          中游本體是指協作機器人本體、機械臂制造,系統集成主要是指協作機器人本體與噴涂、上下料、裝配等生產環節的集成應用,綜合解決方案供應商主要以本體制造商為主。

          隨著2013年中國協作機器人行業的開啟,以本體制造為主要業務的廠商不斷增多,遨博、大族機器人、節卡等新興本體制造商的布局,也吸引新松等一大批傳統機器人公司的加入,目前,行業企業數量保持穩定增長態勢,據高維咨詢統計的數據顯示,2020年,中國協作機器人廠商已經達到70余家,在未來的1-2年內有望突破100家。

          (三)下游應用場景不斷豐富

          王喜文認為“不僅是在工業領域,機器人在人工智能的帶動下,還可以在國防、醫療、農業、商業等領域取得廣泛應用,催生新的業態和商業模式,引發產業結構的深刻變革?!盵 王喜文,《機器人+:戰略行動路線圖》,2016年4月。]作為工業機器人行業的分支之一,協作機器人憑借其靈活、便捷、安全、高效的優勢,其創新應用模式不斷涌現,應用場景日益多元化。

          1.汽車制造

          汽車玻璃涂膠是汽車生產工藝中非常重要的環節,其涂膠的質量會影響汽車的密封性能和粘接姿態,所以為了得到良好的膠形,大部分主機廠會選擇機器人涂膠。但傳統工業機器人涂膠線,基于工廠安全的需求,該生產線的全部設備需由護欄包圍,此區域禁止操作人員進出,且占地面積非常大,大量占用線旁空間而只完成單一工作造成對場地資源的浪費,而且嚴重影響企業的生產節拍。

          華晨寶馬汽車有限公司研究證明[ 《人機協作機器人在汽車總裝行業中的應用與發展》,《精密制造與自動化》,2020年3月],如果在上述涂膠工藝中使用協作機器人將可以完美的解決上述問題,將協作機器人部署在汽車涂膠車間,不但占地空間較小,而且操作者可以在其工作區域活動,而不會產生安全問題,并且在協作機器人執行涂膠動作的同時放置需要涂膠的新零件并取走已經完成涂膠的產品,加快企業的生產節拍。

          協作機器人(左)VS傳統工業機器人(右)

          2.3C制造

          螺絲鎖縛是3C電子產品組裝過程中必不可少的環節,目前這一工序主要以人工為主,也有少量廠家采用3軸機械手進行螺絲鎖縛裝配,從效果來看,前者耗時費力且效率低下,后者設備活動自由度小,不適應3C領域復雜的流水線組裝任務,不能滿足高效自動化生產需求。國內廠商研發的協作機器人可以連續幾個小時以相同的精度和速度重復同一個動作,平均工作效率比人工高出人工200%,且機械手臂的重復性精度可以保持在±0.01mm,空間絕對精度±0.1mm、軌跡精度±0.2mm的技術水平。

          協作機器人應用于3C領域螺絲鎖縛

          3.物流

          隨著工廠內部制造復雜程度的日益提升,對于自動化設備柔性化的程度也越來越高,相比于AGV和機械臂的單一功能,集二者于一身的復合型移動協作機器人顯然更能滿足企業的智能物流需求。搭載5G、云數據、激光導航AGV的復合型移動協作機器人,在大型倉庫中可自主規劃路徑運送貨物,同時可以跟隨人運動,在小型倉庫中協助人取貨,甚至可以直達工位,精準取送貨物。

          協作機器人實現精準物流傳送

          4.醫療

          在人口老齡化和慢性病群體迅速增長的時代,傳統的輔助醫療器械已經日益無法滿足現代醫療的需求,具備高安全性、高靈活性、高穩定性的協作機器人開始全面進入醫療領域, Renaissance、ROSA Spine、Excelsius GPS機器人、大族機器人、天璣骨科手術機器人、達芬奇機器人等協作機器人產品已經在醫療領域取得了廣泛的應用。[ 《脊柱微創外科協作機器人技術的臨床應用及展望》,《中國微創外科雜志》,2020年9月。]

          現代醫學正在往個性化及智能化的方向發展,越來越多的醫療機器以及AI技術開始被應用到醫學領域中,幫助解決手術里存在的問題。當前,人工智能成為新一輪科技革命的突破口和產業變革的核心驅動力,已從理論層面加快向各行業、各領域特征的具體應用場景延伸。在醫療領域,智能協作機器人是人工智能技術應用的重要硬件平臺,表現出人機協作、深度學習、自主操控的應用特征,逐漸成為醫療服務高質量發展的重要推手。未來,智能協作機器人必將在醫療領域扮演“重要角色”。

          協作機器人輔助遠程醫療

          四、出貨量成倍增長,行業市場正當“百花齊放”

          2008年是協作機器人行業發展的元年,優傲于當年推出全球第一臺協作機器人UR5,打開了協作機器人行業的大門。到如今,協作機器人行業發展已歷時13載,行業體量不斷增大,行業競爭不斷加劇,逐漸形成了“群雄并起、諸侯割據”的局面。2021年是協作機器人向智能化轉型的元年,大族機器人于今年3月份推出了全球第一臺真正意義上的智能協作機器人MAiRA,率先打開智能協作機器人時代的大門。

          (一)出貨量屢創新高,2020年超過7500臺

          協作機器人市場被普遍看好。國際研究機構Transparency Market Research在2017年的發布的一份報告中指出“到2024年底,全球協作機器人的市值將達到950億美元,年均復合增長率30%”,巴克萊銀行分析師認為“到2025年,協作機器人市場規模能夠增長至115億美元?!?

          國內協作機器人市場發展如火如荼,2015-2017年,國產廠商紛紛入局協作機器人行業,大族機器人、遨博、新松機器人、珞石科技、節卡等一大批先行者先后推出其首款協作機器人產品,并在近5年內實現了產品的更新換代,逐漸形成了與國外廠商相抗衡的技術實力。

          2016年,國內協作機器人出貨量約1714臺,2017年達到3618臺,同比增長了1倍多,而后的三年,協作機器人的出貨量更是一年一個新臺階,2020年出貨量達到7514臺,相比2016年增長3.38倍,近5年的年均復合增速高達45%。

          圖 4:2016-2020年中國協作機器人出貨量走勢圖

          資料來源:Mir databank OFweek產業研究中心整理

          (二)協作機器人競爭新賽道即將開啟

          入局企業不斷增加,協作機器人行業競爭程度也在不斷加深,從現有市場份額來看,以優傲為代表的較早入局的廠商在出貨量上占據一定的優勢,但市場形勢瞬息萬變,尤其是技術的更新迭代帶動產品不斷升級,智能協作機器人即將成為協作機器人行業競爭的新賽道,掌握智能協作機器人核心技術的廠商將在未來市場上擁有更多話語權。

          未來機器人將含有AI,沒有AI的機器人就是個機器。[ 2017深圳國際機器人與智能系統院士論壇——《AI時代與機器2.0》]我們認為,智能協作機器人將顛覆協作機器人行業現有競爭格局。智能協作機器人相比傳統協作機器人更具優勢,以安全性能為例,通過對比市場上流行的協作機器人產品,絕大部分的協作機器人產品在碰撞檢測方面僅停留在“接觸人員后停止運動”這一層面,無法預判碰撞行為的發生,對工作人員仍有一定的安全隱患。

          而智能協作機器人能夠預判碰撞行為的發生可避免傷害事故。以大族機器人發布的智能協作機器人MAiRA為例,MAiRA搭載了大族機器人自主研發的人體探測傳感技術和智能傳感器,能夠看、聽和感知外部環境,具備“預判碰撞行為發生”的功能,可有效避免傷害發生。

          智能協作機器人正在進行安全探測

          五、MAiRA“橫空出世”,協作機器人將邁入智能時代

          (一)協作機器人向智能化轉型是大勢所趨

          當前協作機器人需按照后臺程序預設實現作業,其操作精度完全取決于核心零部件控制精度,在更換任務時需人工重設機械臂運動軌跡,這在很大程度上影響了協作機器人的應用及推廣。隨著人工智能技術的快速發展,物聯網、大數據、機器視覺、生物識別、機器學習等技術的日益成熟,未來協作機器人將是集人工智能、物聯網、大數據等技術于一身的綜合體,使其具備自主判斷、感知、學習、分析決策和人機交互能力。

          機器人向智能化轉型是必然。丁漢院士[ 丁漢,中國科學院院士,機械電子工程專家,華中科技大學機械科學與工程學院教授、博士生導師、院長,數字制造裝備與技術國家重點實驗室主任。]表示,在未來,隨著人類對機器人的要求不斷提升,機器人一定會在制造業里面扮演越來越重要的角色,機器人發展是永無止境的。而人工智能和機器人是密不可分的,未來人工智能一定會助推機器人,所以人工智能將是機器人的翅膀。有研究認為協作機器人正從“人機協作”走向“人機共融”,即未來的協作機器人與人可以相互理解、相互感知、相互幫助[ 《中國工業機器人產業發展與應用觀察》,《企業管理》,2021年4月。]。有學者提出協作機器人四大研究方向,首個便是人機交互,不僅僅局限于語音和肢體上的交互,還包括協作機器人的“觀察”、深度學習等,讓協作機器人更加智能[ 劉洋、孫愷,《協作機器人的研究現狀與技術發展分析》,《北方工業大學學報》,2017年4月。]。

          人工智能、物聯網、大數據等技術的融合將強化協作機器人的智能化應用,實現基于深度學習的物品識別與分揀,完成凌亂堆放物件的智能識別及抓取位姿判斷;實現儀表讀數識別及文字OCR、機械臂預測性維護等數據采集及分析等,成為真正能干活的無需二次開發的“智能協作機器人”。通過與新技術的融合,智能協作機器人會在深度學習、感知、決策和執行等層面持續進行技術升級,實現數據自由流動,機器人生態系統也將隨之進行突破,萬物互聯,促進智能協作機器人將面臨更好的性能、更高的智能和更廣闊的發展空間,成為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力。

          (二)誰將成為智能協作機器人引領者?

          我們認為,協作機器人進入到智能化時代,誰擁有強大的技術實力和成熟的產品體系,誰將在協作機器人的智能化時代大潮中傲立潮頭。2021年,大族機器人率先推出全球第一臺智能協作機器人產品——MAiRA,這意味著,大族機器人已經掌握智能協作機器人的核心技術,最有可能成為引領協作機器人行業進入智能化時代的領導品牌。

          技術實力領先。大族機器人起源于大族電機,設立于2017年,依托大族激光十幾年的工業積累,大族機器人逐步掌握了包括電機、伺服驅動和運動控制等在內的多個核心零部件的自主知識產權。與行業內同類公司相比,大族機器人是少有的能夠自主研發伺服系統、直驅電機、光柵編碼器、力矩傳感器、機器人控制器等核心零部件的廠商,是行業內名副其實的技術領頭羊。

          產品理念先進。成立至今,大族機器人已推出三大協作機器人產品系列,產品體系日益豐富。2017年,大族機器人推出第一代協作機器人產品—Elfin系列,2020年推出Elfin-P系列,2021年推出MAiRA系列,而MAiRA作為行業顛覆性產品,主打高智能化、人機深度交互的先進理念,是全球第一款真正意義上的智能協作機器人。

          MAiRA是智能協作機器人時代的“開篇之作”,她的誕生是協作機器人行業即將邁入智能化時代的標志。MAiRA革新了人機交互的廣度與深度,高度集成了最新型的傳感器,控制系統和應用中完美實現前所未有的人工智能集成,具備生物識別、移動追蹤、手勢控制、3D視覺感應、聲控交互協作、高靈敏安全檢測等高端機器性能,蘊含無限的應用可能。

           
           
           
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