运动控制与机器人市场概述

本作者为IHS工业自动化组高级分析师。

摘要：本文介绍了机器人的分类以及各种应用方向，分析了不同运动控制在机器人上的应用与发展现状。

推动机器人发展的根本因素：人口老龄化

　　全球大多数发达国家和部分发展中国家都面临人口老龄化问题。比较中国、日本、美国和印度在2014年的人口年龄分布图可以发现，印度是一个完美的金字塔型，意味着未来至少二十年，印度的年轻劳动人口供应将源源不断，正在享受人口红利;日本的人口分布图是一个顶部更宽大的橄榄型，老龄人口占比非常大，而工作人口将越来越少，意味着更少的人口将会供养更多的人，这也是造成日本经济长期低迷的主要原因。美国的人口分布图比较平均，主要是不断有年轻的外来移民进入美国，老龄化现象并不明显。 日本的现在就是中国的未来，中国正在走向人口的老龄化(如图1)。

发达国家对策： 高端制造业回流，通过机器人等自动化装备重新建立优势

　　发达国家由于制造业外包，产业空心化很多年，一些发达国家虽然依然掌握核心技术，但制造成本比较高。这些发达国家正积极推动高端制造业的回流，比如说穆斯克虽然认为人工智能对人类的威胁很大，但在运用工业机器人方面还是没有保留的，他的TESLA工厂机器人的应用非常多， 几乎做到了全自动的无人化生产;对于发达国家来说，引入机器人可以帮助他们快速重新建立制造业的竞争能力，我们也观察到美国的工业机器人最近几年的出货量仅次于中国和日本。

中国对策：通过机器人等自动化装备提升企业竞争力

　　劳动力成本上升并不是推动机器人换人的主要原因，维持企业的竞争力才是推动机器人换人的主要原因。劳动力成本和工资水平是不同的概念，劳动力成本不但取决于工资水平，还决定于劳动生产率。 计算公式图2。

　　根据这样的计算方法，可以计算得出各个国家的劳动力成本，中国的劳动力成本和墨西哥差不多，但比德国、英国和美国依然低很多。中国的劳动力成本(9.81欧元每小时)比越南(14.74欧元每小时)还要低。

　　机器人换人的目的并不是为了抵消劳动力成本上升的影响，而是为了提高企业竞争力，而企业的竞争力包括很多方面， 比如制造成本、生产效率、产品质量、市场开拓等。而产线更加自动化和引入机器人进行生产，可以提升劳动生产效率，提高产品质量，增加产线的柔性，提高快速响应速度。

机器人的分类

　　机器人分为以下四大类：工业机器人、专业服务机器人、家庭个人服务机器人和军用机器人。军用机器人其实是发展最早，技术最领先的。工业机器人其实只能算是机器人的一个细分行业， 工业机器人比较成熟，已经商业化很长时间。 工业机器人按照形式可以分成如图3几类。

　　服务机器人主要按照应用分为专业服务机器人和个人家庭服务机器人， 专业服务机器人主要用在专业或者商用用途，个人家庭服务机器人主要用在个人或者家庭生活。服务机器人行业应用差别很大，有些行业已经实现了商品化，比如扫地机器人和医疗机器人， 而很多专业的服务机器人还在大学和研究院的研发阶段， 离商业化还有距离。

　　服务机器人按照组成形式分类： 服务机器人也可以按照机器人的组成形式来划分：基于陆地的、基于空中的、 水上的和可穿戴的(如图4)。 陆地，水面，空气中的应用场景对机器人的需求是不一样的，应用场景不一样那么它的组成形式就完全不一样。 基于陆地的机器人形式比较多样化。

　　基于空中的主要就是无人机。水上的应用与陆地和空中完全不一样， 水面波浪比较大，水下压强大，另外通讯问题也比较复杂;而可穿戴式机器人可以穿戴在人的身体上，也包括可以进入人体内的机器人，需要满足人的舒适性和安全性的问题，设计需要适应人体工程学的需要。

工业机器人市场格局成熟

　　一线厂商主要是指四大工业机器人厂商，优势在于主流市场的汽车和金属加工;二线厂商在细分行业和其他一些一般工业市场有较强优势;三线厂商只能做边缘市场和更难做的市场，边缘市场也会涌现一些新的应用工业领域，包括陶瓷、五金、建材、制鞋等，但对这些厂家的综合技术能力有较大挑战。

服务机器人产业链更长更多变化

　　工业机器人产业链比较短，是比较简单的B2B模式，主要由零部件厂商(零部件种类不多，标准化产品为主)， 机器人本体厂商，系统集成商和下游行业用户组成。 而服务机器人的产业链更长，厂商更多，商业模式比工业机器人更加复杂， 涉及了从上游的核心零部件厂商(包括芯片、传感器、舵机、齿轮等，非标准零部件较多);中游制造环节包括组装厂、操作系统提供商、云系统提供商等软件厂商，软硬件平台厂商，服务提供商，运营商，研究机构，培训机构，认证机构;而服务机器人的下游行业和应用更是五花八门，大部分行业和应用市场分散，集中度低，没有明显的市场领导者; 另外还包括流通和消费环节，比如实体店和电商。

运动控制能力是机器人发展最确定性的方向

　　高速度高精度的运动控制是工业机器人的优势。工业机器人固定在工位上完成相应的搬运，焊接，喷涂，抛光，上下料等工作，工作效率很高。 但在工厂换线的时候需要对机器人进行重新布局和编程，造成工厂停工时间长。而协作机器人布局灵活，可以装在移动平台上，提高了机器人的运动能力和产线的柔性，可以灵活部署。 最近几年大公司对机器人移动能力的方向非常关注，有很多起对移动机器人的收购兼并案例。而各种各样的服务机器人对运动能力的要求更是有增无减，波士顿动力的ATLAS机器人的运动能力就达到相当高的水准。

运动控制的主要类型

　　运动控制主要包括： 位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力矩控制;运动控制的按照动力实现方式不同，可以分为电机传动，气动和液压。工业机器人主要采用交流伺服电机控制系统，交流伺服运动控制的趋势基本上也是机器人运动控制的趋势， 比如性能提升，智能化，模块化和网络化等。而服务机器人的运动控制方式更加多样化， 技术路径更加丰富多彩。

电机的应用：移动机器人平台和小型人形机器人平台

　　电机控制在机器人中应用广泛，特别是在人形机器人和移动平台中， 至少用几十个电机，多的上百个电机(如图7)。

　　液压和电机的混合应用：人形机器人

　　美国DARPA(美国国防部先进研究项目局)举行的机器人比赛是展现人形机器人最先进能力的比赛， 比赛的机器人主要有两种不同的技术路线，纯电机驱动和液压电机混合驱动，但实际情况是除了ATLAS是液压外其他都是电机驱动。2015年大赛的第一名是韩国KAIST的机器人，全部运用电机方案，驱动80公斤重的机器人，需要的电机不仅数量多，电机的功率要求也高。 第二名是波士顿动力的ATLAS，它是液压和电机混合驱动的，主要的动力来自于液压驱动，只有一些关节部分由于空间限制采用了电机。

气动在机器人中的应用

　　仿生袋鼠这款机器人身高超过一米，体重约七千 克，每次实现的跳跃动作大致在40厘米高、80厘米长的范围内。 为气动系统所控制，在触地瞬间，爪部在内层压缩空气推力作用下，实现向上向前的跳跃动作。每完成一次跳跃动作，其爪部便会储存空气能量以继续下一次的跳跃。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第8页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。