中国机器人产业:与国外技术差几道街?

中国教育装备采购网2016-05-09 14:23围观718次我要分享

  机器人无论对制造业转型升级,还是服务业的智能化都颇具意义。在“十三五”开局之年,工信部也公布了机器人产业发展“十三五”规划,工业机器人、服务机器人、手术机器人和军用机器人榜上有名。而随着人工智能的兴起和国家大力发展机器人的战略出炉,中国机器人产业也越发受到关注。

  但相对于已经广泛运用于工业生产的机器人,相当一部分网友对机器人的直观感受,源自科幻影视作品。现实中,中国机器人产业到底是个什么情况?

  人形机器人?概念虽很好,市场仍太小

  无论是儿时的动漫,还是当下的商业大片中,机器人早已屡见不鲜。在影视和动漫作品中,机器人往往是人形双足机器人,像高达、变形金刚、终结者也都有类人形态,并拥有不亚于人类的智慧。但现实中,人形双足机器人缺乏实用价值。

  人形机器人一般是指至少有双臂双腿,能够依赖双腿站立,通过双足步行移动的机器人,并由控制系统、关节伺服系统、传感器系统、能源系统和本体结构5部分组成。

  由于人形机器人的双足平衡技术相对于履带式、轮式机器人更加复杂,必然带来相当高昂的成本,而在可靠性方面反而不如履带式、轮式机器人。这必然导致其在商业市场铩羽而归——谷歌母公司Alphabet的Atlas人形机器人,虽然在技术上可圈可点,但在商业市场上却无人问津,除了科研机构外,罕有买家。

  正因此,有媒体认为,“机器人业务无法在中短期内给Alphabet贡献实质性收入,公司对于机器人长远发展缺乏战略谋划,Alphabet将逐步退出这一领域。”与此形成鲜明对比的是中国科学技术大学的机器人“佳佳”,虽然拥有了堪比真人的容貌,却依旧选择了轮式行进方式。

  所以在当下,除了NAO和优必选这类很难说是玩具还是机器人的产品外,还不存在一个人形机器人的市场,更不存在人形机器人产业。现今的机器人产业,还是以工业机器人和军用机器人以及其他特种用途的机器人为主。

  那么,为什么一些厂家依旧在开发人形机器人?

  原因有两点:一是在服务机器人领域,拥有类人的外观比较容易被客户接受,在将来服务机器人进入千家万户之时,人形机器人具有很大优势,存在一定商业潜力;二是机器人拥有高度拟人的外观,容易让普通人给予它非常高的技术评价,甚至视其为黑科技,而带上黑科技光环的公司的股价也自然水涨船高。

  工业机器人的前世今生

  相对于还不成熟且未形成产业的人形机器人和还初于起步阶段的服务机器人(比如扫地机器人),工业机器人产业则比较成熟了。

  现代工业机器人的发展开始于20世纪中期,伴随着原子能和自动化技术的发展而诞生。数控机床的控制系统、伺服电动机、减速器等关键零部件为工业机器人的开发打下了坚实的基础;而在核辐射环境下作业,则为工业机器人的诞生提供了直接需求——1947年美国阿尔贡研究所研发了可以在核辐射环境下作业的遥控操作机械手,1948年,又研制出机械式主从机械手。

  此后,1954年,美国的戴沃尔设计出第一台拥有电子可编程序的工业机器人,于1961年发表该项专利。1965年,美国麻省理工学院成功研制出一种具有视觉传感器并能对简单积木进行识别、定位的机器人系统。1967年,日本川崎重工业公司从美国引进机器人及技术,建立生产厂房,并于1968年试制出第一台日本产通用机械手机器人,在各个领域中推广。

  到上世纪80年代,工业机器人开始在全球汽车制造业广泛应用。至90年代,工业机器人开始在对车间环境要求较高的半导体产业得到应用,避免了工人身体携带的尘埃污染车间环境。

  如今,工业机器人领域已经取得了惊人的进步,被广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、机械加工行业、焊接、热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、装配、检测及仓库堆垛等诸多领域中。并形成了ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等一批国际机器人企业,这四家占据全球工业机器人市场份额的60%以上。

  中国的工业机器人起步于20世纪70年代初期。1985年,中国在“七五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划,由当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关,形成了中国工业机器人的第一次高潮。

  “九五”期间,在国家“863”高科技计划项目的支持下,建立了以沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、上海机电一体化工程公司、北京机械工业自动化所、四川绵阳思维焊接自动化设备有限公司等为主的机器人产业基地。

  截至2015年底,中国在建和已建的机器人产业园达40个,有机器人概念的上市企业超过100家,与工业机器人相关企业数量达到1000余家。

  中国工业机器人的窘境

  大而不强是中国制造业在诸多领域的真实写照,但在机器人制造领域,中国则处于“既不大也不强”的状态。

  早在2013年,中国就已成为世界第一大工业机器人市场。2014年销量达到5.7万台,同比增长56%,占全球销量的1/4,同比增长55%,保有量增长至19万台。

  但在中国工业机器人销量连年暴涨的大背景下,却隐藏着自主品牌工业机器人市场份额偏低的隐忧。2014年,自主品牌工业机器人销量为1.7万台,占全球工业机器人总销量的7.45%;2015年,自主品牌工业机器人销量为2.2万台,国内市场份额依旧不足20%,在全球工业机器人市场中的份额依旧不足两位数。

  中国工业机器企业不仅市场份额偏低,还存在小而散的问题。至2016年初,中国工业机器人相关企业数量达到1000余家,其中有机器人概念的上市企业超过100家,但普遍存在规模偏小的情况,超过90%的机器人公司年产值在1亿元以下,很多厂家每年销量都不超过1000台(只有年产量破千才能初步形成规模效应),即便是像沈阳新松这样的国内机器人龙头企业,2015年营业收入也只有16.9亿元,与ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA动辄上百亿元的营业收入相比差距明显。

  更糟糕的是,国内不少所谓机器人企业并非真心实意在做技术,反而颇有从政策和股市中套利的嫌疑。

  另外,国产工业机器人多集中于低端应用领域——相对较复杂的多关节机器人市场,国外公司占据国内市场的90%以上份额;应用于汽车制造、焊接等高端行业领域的六轴或以上高端工业机器人市场,主要被日本和欧美企业占据,国产六轴工业机器人占全国工业机器人新装机量不足10%。

  而国产机器人种类主要是搬运、码垛等低端机器人,应用领域多在家电、基础制造领域,附加值偏低。2015年,虽然中国机器人市场需求和国内机器人企业产品销量双双增长,但相当一部分机器人企业处于亏损状态。

  因此,中国自主品牌机器人无论在市场份额上,还是技术上都处于劣势,整个机器人产业可谓既不大,也不强。

  不过,在局部领域,中国机器人的系统设计和集成能力倒不差,比如,中国科技大学的机器人足球队曾获得ROBOCUP冠军,国内企业也能开发出一些高端工业和医疗机器人。在军用机器人方面,由于中国军工和民用工业从研发、生产到市场销售完全是两条线,而且军品不受专利限制,所以中国军用机器人在局部领域不逊色于美国。

  核心技术受制于人

  国产机器人在关键技术和关键零件方面落后于西方。机器人的核心技术有人机交互技术、控制技术、环境感知和传感技术、材料技术、人工智能等方面,关键的零部件有精密减速机、控制器、伺服电机以及高性能驱动器等,而这些关键零部件很大程度依赖进口。

  以占机器人硬件成本比例最高的减速器为例。精密减速器可以分为谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、RV减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器等,是工业机器人的核心零部件,占机器人整机成本的35%左右。

  目前,全球精密减速器市场大半被日本企业占据。日本Harmonic是谐波减速器领域的领军者,占据了约全球15%的市场份额。日本Nabtesco是全球最大的RV减速器和摆线针轮减速器制造商,在RV减速器领域的全球市场份额约为60%。

  中国在着力于精密减速器国产化研究后,涌现出南通振康,浙江恒丰泰,重庆大学机械传动国家重点实验室,天津减速机厂,秦川机床厂、北京中技克美,北京谐波传动所,苏州绿的等单位或企业,并可以在高精度摆线针轮减速器和谐波减速器领域局部替换国外产品。但在2015年,依旧有75%精密减速器从日本进口。

  控制器相当于机器人的大脑,用来发布和传递动作指令,包括硬件和软件两部分:

  硬件就是工业控制板卡,包括一些主控单元、信号处理部分等电路。虽然不少自主品牌已经掌握了控制器的相关技术,并研发出基于CPU、DSP和FPGA的工业机器人控制器,但所采用的CPU大多是ARM,所采用DSP和FPGA不少是源自美国德州仪器和赛灵思。虽然已经有基于龙芯的机器人控制器,但目前还鲜有厂商采购。

  软件部分主要是控制算法、二次开发等,自主品牌已经解决了有无的问题,但在稳定性、响应速度、易用性等方面还有差距。

  另外,在伺服电机方面,日系公司约占全球市场份额的40%,西门子、博世、施耐德等德系品牌占据全球市场份额的30%左右。而国内汇川技术、英威腾、华中数控、新时达等公司整体份额低于10%。在驱动器方面,国内80%的驱动器从欧美和日本进口。

  正是在关键零部件上严重依赖进口,导致国内企业要以高出国外本土厂商近3倍的价格购买减速器,以近2倍的价格购买伺服电机。由于减速器、伺服电机、控制器分别占机器人整机成本的35%、25%、15%,导致中国机器人企业生产成本奇高。

  相比之下,国外工业机器人厂商很多本身就是核心部件的提供商——日本发那科是世界上最大的专业数控系统生产厂商,安川和松下都属于全球最大的电机制造商,这使得国外机器人厂商在成本上具有天然优势。

  另外,国外机器人厂商还能以巨大的采购量和签署排他性协议获得比较优惠的采购价格。这些因素共同导致中国机器人企业很难与国外企业竞争。

  如何实现从中国制造到中国智造的蜕变?

  某些媒体和大V非常喜欢拿中国和外国做对比,而且一旦看到中国在局部领域技不如人,就呜呼哀哉、哀鸿遍野,并以局部落后否定整个中国制造业。同时,不分青红皂白将中国在某些领域落后于西方的根源推给“体制问题”、“民族劣根性”。这种做法非常不妥当,思维方式也是非常不科学的。

  机器人是综合了计算机、机械工程、电子、信息传感器、控制理论、材料、人工智能、仿生等诸多学科而形成的高新技术。中国作为工业后发国,在机器人工业上起步比西方晚,国家对机器人的资金投入也比西方少。日本在引进美国机器人技术后,曾不惜血本发展和推广。而欧盟则耗费巨资支持机器人新研究项目,覆盖从技术研发到产品部署的完整价值链,并与产业界和学术界达成战略合作。

  在当下这个时间节点,中国民用机器人相对于欧美和日本处于劣势,其根源在于过去数十年的人力、物力、财力投入差距,以及中国和西方在工业基础上的差距。国人不必因暂时的落后自怨自艾。

  上个月,工信部、发改委、财政部联合印发《机器人产业发展规划(2016-2020 年)》。该规划指出,要重点攻克高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器等核心零部件,最终实现核心零件的国产化替代。

  该规划强调,要突破弧焊机器人、真空(洁净)机器人、全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载 AGV、消防救援机器人、手术机器人、智能型公共服务机器人、智能护理机器人十大标志性产品。

  为了帮扶中国机器人产业发展,该规划还提出一系列政策利好——加强统筹规划和资源整合,减少各地借政策的东风一窝蜂上项目,避免资源的分散和浪费;加大财税支持力度,利用中央财政科技计划、工业转型升级、中央基建投资、首台(套)重大技术装备保险补偿机制等政策措施支持机器人及其关键零部件研发、产业化和推广应用;拓宽投融资渠道,支持符合条件的机器人企业直接融资和并购;引导金融机构创新符合机器人产业链特点的产品和业务,推广机器人租赁模式,等等。

  可以预期,随着工资上涨、用工荒和人口逐渐老龄化,以及工业机器人具有抗疲劳,对恶劣环境忍受度高,作业标准一致性高等优势,中国的机器人市场潜力巨大。中国坐拥全球最大的机器人市场,辅以国家的政策、资金扶持,完成规划中强调的弧焊机器人、手术机器人等十大标志性产品突破,完成减速器、伺服电机和控制器等核心零件国产化替代仅仅是时间问题。

  届时,只要做好产业化应用,面向任务的整机系统性能优化和规模化、标准化量产方面等工作,即可形成强有力的产业竞争优势。中国机器人产业也将完成从中国制造到中国智造的蜕变。

来源:腾讯财经责任编辑:小白

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