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协作机器人是行业未来的发展趋势?从产业链解

来源: 时间:2020-08-30

今天让我们来了解一下协作机器人的相关信息,本文从含义,优缺点等多方面介绍了协作机器人。以及关于产业链的分析,行业的现状与趋势,都做了详细的解析。

 

 一、概述

1、协作机器人的含义

 

协作机器人(CollaborativeRobot),指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人。(ISO 10218-2中的定义:robot designed for direct interaction with a human within a definedcollaborative workspace.)

 

图 协作区域及协作机器人示意图

 

其中,协作区域(CollaborativeWorkspace),指机器人和人类可以同时工作的区域。( ISO 10218-2中的定义:workspace within the safeguarded space where the robot and a humancan perform tasks simultaneously.)(协作机器人安全性新标准为:ISO/TS15066.)

协作机器人是一种全新的工业机器人品类,是从设计之初就考虑降低伤害风险、可以安全的与人类进行直接交互和接触的机器人。

 

图 典型协作机器人实物图

 

图 典型协作机器人应用场景图

 

2、协作机器人与工业机器人的区别

 

本质上讲,协作机器人是工业机器人中的一种,是基于不同的设计理念、目标市场和替代对象设计出的工业机器人产品。协作机器人与传统工业机器人的主要区别:

 

(1)设计理念不同

 

传统工业机器人定位于在一个隔离空间范围内、按照设定的程序单独完成设定任务。传统工业机器人从设计上主要考虑的是快速、可靠等要求。

 

协作机器人重点考虑机器人与人在特定区域内协作完成工作任务,与机器人协作的现场人员的人身安全是协作机器人设计和生产需要优先考虑的因素。

 

(2)目标市场不同

 

传统工业机器人的目标市场是可以进行大规模生产的企业,以生产过程的分解、流水线组装、标准化零部件、大批量生产和机械式重复劳动等为主要特征,企业一般对机器人的部署成本相对不敏感。

 

协作机器人主要面向中小企业,其产品一般以小批量、定制化、短周期为特征,要求机器人具有较低的综合成本、快速部署/重部署能力、简单易上手的使用方法。

 

(3)替代对象不同

 

以传统机器人为主的自动化改造是用生产线代替生产线,机器人做为整个生产线中的组成部分,很难单独拿出来,如果某个环节的机器人坏了,在没有设计备份的情况下,整个产线可能要停工。而协作机器人的独立性很强,它代替的是单独的人,二者之间可以互换,整个生产流程的灵活性非常高。

 

 3、协作机器人的优点及劣势

 

协作机器人作为一种新兴的工业机器人,除了具备工业机器人易于批量化、高精度、高重复性等特征以外,还具备以下主要优点:

 

(1)成本相对较低。协作机器人功能定位于与人进行协作,一般负载能力相对较小、移动速度较慢,协作机器人成本为工业机器人的三分之一甚至更低。

 

(2)部署方便、适应性强。协作机器人整体集成度高,与周边环境条件的耦合小,便于快速进行部署、重部署,可快速适应应用环境的变化。工业机器人进行部署或者重新部署,一般需要数周至数月的时间进行安装和调试,难以适应快速的场景切换。协作机器人一般可在数小时至数天内完成部署和切换,灵活性强。

 

(3)注重安全性,人机协作,应用场景多元。传统工业机器人一般以专机的形式部署,主要用于高度重复和高度结构化的生产线上,应用范围相对有限。协作机器人可以在生产线上与人类共同工作,可以适应各种非结构化、柔性、高度灵活的应用场景,由人类负责其中对柔性、触觉、灵活性要求比较高的工序,机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作,应用范围得到了极大扩展。

 

协作机器人作为一个新生事物,为了确保与人协作过程中的安全性,在一些性能上也做出了一些裁剪,主要劣势如下:

 

(1)运行速度相对传统工业机器人低。为了控制力和碰撞,协作机器人的运行速度比较慢,通常只有传统机器人的三分之一到二分之一。

 

(2)定位精度相对较差。为了减少机器人运动时的动能,协作机器人一般重量比较轻,结构相对简单,这就造成整个机器人的刚性不足,定位精度相比传统机器人差1个数量级。

 

(3)负载相对较低。考虑到低成本和灵活配置的要求,协作机器人一般自重低、功率小,导致协作机器人体型都很小,负载一般在10kg以下,工作范围只与人的手臂相当,负载能力有限。

 

二、产业链分析

协作机器人作为工业机器人设备的一种,其产业链分为上游核心零部件、中游机器人本体和下游集成三大环节。

 

1、上游零部件

 

其中,包括伺服电机、运动控制器和减速机在内的核心零部件的研发和生产主要依靠进口。国内企业集中在中游本体制造和下游集成环节。协作机器人的三大核心零部件占到机器人本体成本的70%以上,是协作机器人的核心,同时也是协作机器人发展的瓶颈。

 

图 协作机器人三大核心零部件

 

协作机器人更加注重安全性和智能化,因此,协作机器人主要零部件除了传统工业机器人的三大件以外,还包括一些特殊零部件以及用于保障安全和适应应用环境的新型传感器。

 

表 协作机器人主要部件概况

 

2、协作机器人本体

协作机器人本体是将协作机器人主要零部件和机器人本体结构组装得到的设备。协作机器人本体的核心是其控制卡内的控制软件。协作机器人由于适配的传感器类型丰富、应用场景多变,对本体控制软件的要求大幅提高,智能化、平台化是本体控制的主要发展方向。

 

3、协作机器人应用集成

协作机器人的主要目标是取代或协助工业生产现场的单个工人,用于完成零散、柔性和低负载的工作。当前,协作机器人主要应用场景有柔性装配、分拣、力控打磨等。随着协作机器人配置和使用成本的持续降低和人力成本的大幅提高,协作机器人将在更多的场合取代部分人工,成为与人类共同工作的伙伴。协作机器人应用集成的关键是深刻了解各种实际应用场景,开发出可灵活配置及使用的软件平台。

 

三、行业现状与趋势

1、工业机器人行业现状与趋势

当前,全球机器人市场规模持续扩大,工业机器人市场增速稳定。2009年全球工业机器人销量仅仅为60千台,2011年全球工业机器人销量达166千台。2012年全球工业机器人销量有所下降,不过之后呈现逐年增长趋势。到了2016年全球工业机器人销量接近300千台,截止至2017年全球工业机器人销量增长至381千台,预测2018年全球工业机器人销量将突破400千台,并预测在2021年将突破500千台达到630千台。

 

 全球工业机器人销量(数据来源:前瞻产业研究院)

 

目前,工业机器人在汽车、金属制品、电子、橡胶及塑料等行业已经得到了广泛的应用。随着性能的不断提升,以及各种应用场景的不断明晰。

 

据前瞻产业研究院发布的《中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》统计数据显示,2013年以来,工业机器人的市场规模正以年均12.1%的速度快速增长,呈现逐年增长趋势。2013年全球工业机器人销售额已达95亿美元,截止至2017年全球工业机器人销售额增长至154亿美元,同比增长17.6%。随着工业机器人进一步普及,预计2018年全球工业机器人销售额有望突破160亿美元达168.2亿美元,同比增长9.2%。

 

工业机器人销售额及增长率(数据来源:前瞻产业研究院)

 

随着全球经济回暖以及工业智能化趋势,据前瞻产业研究院预测,2019年全球工业机器人市场规模将接近200亿美元为192.7亿美元,并预测在2020年全球工业机器人市场规模将超230亿美元。

 

 工业机器人销售额预测(数据来源:前瞻产业研究院)

 

2、协作机器人市场现状及趋势

 

协作机器人目前尚处于产业化探索阶段,市场规模有限,但成长迅速。根据interact analysis报告显示,该行业2017年的市值约为4亿美元,但2018年增至近6亿美元,协作机器人市场2018年增长率超过60%。此外,由于主流工业机器人供应商提供的协作机器人越来越多,中小企业的意识越来越强,以及主要原始设备制造商的广泛采用,预计增长将会继续加速。

 

根据巴克莱银行等机构预测,协作机器人在机器人总体年销售量的占比会迅速增长,由目前的3%(2017年)到2025年有望超过34%,超过百亿美金。

 

聚焦到国内市场,随着我国人口红利的逐渐消失、人力成本的逐年上升,协作机器人需求逐年提升。GGII数据统计显示,2016年,中国市场协作机器人销量2300台,同比增长109.09%,市场规模4亿元左右,同比增长83.89%。随着技术的进步及应用场景的不断成熟,协作机器人的应用可能将会越来越丰富,GGII预计,2017年-2020年中国协作机器人市场需求仍将高速增长,年销量有望突破10000台。

图 国内协作机器人销量及预测

 

四、行业市场竞争情况

一方面,有赖于劳动力密集型的低成本运营模式,劳动力红利正在逐渐消失,技术熟练的工人使用成本快速增加,企业亟需寻求机器人工位替代方案。

 

另一方面,服务化以及规模化定制的产品供给,使制造商必须尽快适应更灵活、周期更短、量产更快、本土化更优的生产和设计方案。自2015年来,各大机器人厂商均开始推出协作机器人,如ABB的YuMi,优傲机器人的UR系列,库卡的LBRiiwa等;协作型机器人具备安全、柔性、可以与人协同作业、安装布局方便、综合性价比高等特点,在轻工行业应用中获得快速认可。

 

1、工业机器人四大家族概况

 

在工业机器人领域,ABB、发那科机器人、库卡以及安川被成为四大家族,占据了工业机器人绝大多数应用市场份额。同时,四大家族在工业机器人核心零部件、控制系统等方面均有深厚积累。

 

表 工业机器人四大家族简况

 

近年来,随着技术方向的逐步明确、应用场景的逐渐丰富,四大家族均布局并推出了协作机器人产品。

 

2、协作机器人本体的主要派系

 

按照厂家所处的地理位置、产品特征及定位,可以将协作机器人分为欧系、日系、美系和国产,各个派系主要厂家情况如下:

 

(1)欧系

 

欧洲是现代工业的发源地,工业技术和基础实力都很强,四大家族的ABB、库卡都发源于欧洲。在欧系里,丹麦的优傲机器人是协作机器人领域的核心玩家,2008年推出的首款协作机器人产品UR5也成为不少后入玩家争相模仿的对象。

 

表 欧系协作机器人厂家(来源:智东西)

 

优傲 UR- UniversalRobots

优傲成立于2005年,2011年开始进入中国市场,2015年被美国自动测试设备的大型供应商泰瑞达以2.85亿美元现金收购。2008年优傲推出的UR5被认为是世界上第一台协作机器人,仅通过声音、手势、图形就能够理解人类指令,模块化的插头和生产部件,仅需三天就可完成机器人系统的部署。

目前,优傲的协作机器人主要有UR3、UR5和UR10三个系列,其中的3、5、10代表的是协作机器人的负载能力(以kg为单位),售价分别为16万、22万、27万元人民币不等。结合行业内专业人士的介绍,优傲协作机器人目前全球销售总量约为10000台每年。

 

ABB

作为工业机器人四大家族的ABB,也十分看好协作机器人市场。2015年ABB推出了双臂协作机器人YuMi,其外观设计十分特别,看起来像一个抱臂的人类,该设计也曾获得德国的红点设计奖。YuMi采用单臂七轴,双臂14轴的设计,机身小巧、重量轻,非常灵活,运动速度也更快,缺点是负载太小,单臂负载只有500g。

2017年的东京机器人展会上,ABB还展会了单臂的YuMi,据称将在2019年正式推出,目前尚无最新消息。

 

(2)日系

 

继ABB推出了双臂YuMi机器人,库卡推出了七轴LBRiiwa机器人,安川电机也研发出了36厘米的六轴机器人MotoMINI,可搬运重量为500g,最大伸展距离为246mm,重量为4.3kg。采用人可抱起搬走的尺寸,也可安装在桌子上。

 

速度方面,MotoMINI将特定动作的节拍时间缩短了25%,可用于高速动作的部件组装工作。而在精度方面,MotoMINI也达到了重复定位精度±0.02mm。

 

表 日系协作机器人厂家(来源:智东西)

 

3)美系

 

北美是协作机器人重要的研发和应用基地,美国MIT机器人教授、原人工智能实验室主任Rodney Brooks创立的协作机器人公司Rethink Robotics是协作机器人领域的鼻祖。截止到2018年10月,Rethink已经累计售出2500个协作机器人产品。然而,由于市场表现不及预期,Rethink于2018年10月4日宣布停止运营。

 

表 美系协作机器人厂家(来源:智东西)

 

4)国产

 

目前,中国出现了众多的协作机器人厂家,以国内大型企业新松、格力、大族等为代表。同时,由于协作机器人小型、轻量的特点,使得行业的入门成本低于大型的工业机器人,大量初创公司进入协作机器人领域。在应用领域上,协作机器人主要用于轻工业和服务业,主要集中在3C行业和医疗辅助方面。

 

表 国内协作机器人本体厂家(来源:智东西)

 

遨博智能

遨博智能成立于2015年,由北航魏洪兴教授创办,先后获得盾安环境(002011)6000万天使轮融资和上海复星集团6000万元A轮融资。目前,遨博在北京设有研发基地,在江苏常州设有生产制造中心。

目前,遨博协作机器人已经形成了系列化产品,推出了AUBO i3、AUBO i5、AUBOi7、AUBO i10等产品。从行业调研中了解到,遨博是目前国内最大的协作机器人厂商,年销售协作机器人约1000-1500台,其协作机器人在可靠性、稳定性、重复定位精度等方面已经达到了行业领先水平。

 

3、协作机器特殊零部件及软件

 

协作机器人本体企业的入门门槛显著低于工业机器人,众多厂商先后进入协作机器人本体集成领域。然而,由于下游应用尚未打开,市场空间相对有限,协作机器人本体企业本身技术门槛不高,市场竞争激烈,行业尚处于培育期。

 

参考工业机器人行业的发展路径,掌握核心零部件和控制软件有望成为执掌行业发展话语权的关键环节。由于协作机器人更加注重安全性和智能化,特殊传感器和系统软件平台将成为协作机器人领域最先发展的环节,并将逐渐成为行业的核心。

 

力反馈传感器

力觉是协作机器人保证人机安全性和实现柔性控制的关键,在机器人打磨、拖动示教、康复及医疗机器人领域有着重要应用。目前,力反馈传感器(尤其是六维力反馈传感器)市场主要由欧美和日本企业占据,国内企业面临一定的替代和发展机遇。

 

表 力反馈传感器主要厂商

 

3D视觉传感器

视觉传感器在机器人分拣、机器臂运动路径规划、避障等方面是基础传感器,是协作机器人适应柔性环境的核心。3D视觉传感器是对普通视觉传感器的升级,可以实时获取工作面的三维数据,是实现精确控制和智能化应用的关键。

 

表 3D视觉传感器主要厂商

 

协作机器人系统及应用软件

协作机器人需要灵活适应多种应用场景、兼容多种类型的传感器,软件编程难度大,亟需优秀的协作机器人软件系统。协作机器人软件系统尚处于起步阶段,部分初创公司在结合特定行业开展相关研发和测试工作,目前尚无成熟的软件系统。

 

表 协作机器人系统软件及应用软件厂商

五、主要投资机会及标的概述

 

综合行业现状及行业市场竞争情况的分析,本人认为,协作机器人将延续工业机器人的发展路径,机器人本体将随着应用的展开而逐渐成熟,本体厂家将逐步集中。协作机器人产业链中最先得到发展的将是上游特殊零部件、传感器,能够适应多种应用场景和灵活部署的软件将成为行业发展的关键要素。

 

1、协作机器人本体

 

协作机器人本体在逐步走向标准化和通用化的道路,整个行业将呈现赢者通吃的局面。从目前情况来看,国内企业中,北京遨博和上海节卡有望借助高校的科研资源和资本的力量脱颖而出。

 

(1)北京遨博智能成立于2015年,由北航魏洪兴教授创办,先后获得盾安环境(002011)6000万天使轮融资和上海复星集团6000万元A轮融资。目前,遨博在北京设有研发基地,在江苏常州设有生产制造中心。目前,遨博协作机器人已经形成了系列化产品,推出了AUBO i3、AUBO i5、AUBOi7、AUBO i10等产品。从行业调研中了解到,遨博是目前国内最大的协作机器人厂商,年销售协作机器人约1000-1500台,其协作机器人在可靠性、稳定性、重复定位精度(略高于0.02mm)等方面已经达到了行业领先水平。

 

(2)上海节卡成立于2014年,源于上海交大机器人研究所。节卡拥有三块主要业务——机器人本体、智能装备和数字化工厂,在上海紫竹科技园设有研发中心,江苏常州设有生产基地。2018年年初,节卡获得了6000万元的A+轮投资,2019年初获得了亿元的B1轮融资。目前,节卡推出了JAKA Zu3、Zu7、Zu12等系列化协作机器人产品和行业解决方案。

 

2、协作机器人特殊零部件、传感器

 

(1)力觉传感器

 

目前国内协作机器人所采用的力觉传感器均采购自国外,国内广西南宁宇立的力反馈传感器产品也仅仅在汽车试验假人上有所应用。从行业调研来看,六维力反馈传感器是部分协作机器人的刚需,国外产品售价一般高达2-3万元人民币,大部分本体企业不得不放弃力反馈功能或以电流反馈来近似模拟。

 

从中长期来看,多维力反馈传感器将显著提高协作机器人的安全性和环境适应性,是值得重点关注的细分投资领域。日前,有中国航天科技集团的技术团队在进行有关的创业,可在国内完成标校工作,成本大幅降低,可重点关注。

 

(2)视觉传感器

 

从行业调研来看,视觉传感器是协作机器人的标配。视觉传感器硬件设备主要为双目相机、结构光相机等,一般为标准化产品,设备性能主要依托系统软件和计算机视觉算法。目前,国内比较活跃的可提供协作机器人视觉传感器解决方案的厂家如下:

 

表 国内协作机器人视觉传感器厂商

 

协作机器人视觉传感器主要功能有赖于软件系统,因此,大部分本体、系统软件和应用软件厂商均有在视觉传感器方面开展布局。

从长期发展趋势来看,视觉传感器作为标准化的工业产品、计算机视觉软件作为协作机器人系统软件和应用软件中的一个组件将成为未来的趋势。因此,投资者不应过多关注和高估视觉传感器企业在行业中的影响力,建议关注有能力集成视觉组件的协作机器人系统软件和应用软件企业。

 

六、结论与建议

 

(1)协作机器人是工业机器人重要的分支之一,在人力成本持续上升、人口红利逐渐消失、制造业成本高企的大背景下,行业在中长期面临着良好的发展机遇。

 

(2)协作机器人定位为人与机器的协作,主要面向相对零散、灵活、柔性的中小型工业生产环境,市场范围广,总体市场规模有望达到工业机器人总体市场的三分之一,全球市场超过百亿美金每年,是一个巨大的新兴市场。

 

(3)协作机器人本体的标准化和平台化是行业客户的重要诉求,协作机器人本体企业的整合是行业发展的趋势。因此,国内形成了批量出货并具备较好产品稳定性的协作机器人厂商值得重点关注。

 

(4)在传统工业机器人领域,由于国内工业基础的欠缺,核心零部件一直为欧美和日本企业占据。协作机器人对核心零部件的要求有所降低,对安全和智能化要求明显强化,国内从事协作机器人传感器和软件系统的企业面临难得发展机遇。

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