工业机器人自动控制(工业机器人自动控制原理)

　　未来我们的世界将变成什么样子？

　　任正非曾在全国科技创新大会上预判，未来二、三十年人类社会将演变成智能社会，深度和广度还想象不到。那么未来我们的社会到底是什么样的呢？

The Future World

　　视频里面描述的未来有多远，我们不得而知。但不可否认的是，科技的飞速发展给我们的生活，生产方式带来了翻天覆地的变化。未来，这些行业和技术将继续给我们的生活带来颠覆性的改变。

　　目录

　　一、人工智能与机器人

　　1.1【动图欣赏】有机器人的世界

　　1.2 机器人产业现状

　　1.3 我国机器人产业化痛点

　　1.4 减速机

　　1.5 伺服电机

　　1.6 控制器

　　1.7 传感器

　　二、无人驾驶

　　2.1【视频欣赏】未来你是这样开车的！

　　2.2 无人驾驶产业现状

　　2.3 无人驾驶技术解析

　　2.4 无人驾驶相关企业研究进展

　　三、智能家居

　　3.1【视频欣】智能家居和物联网如何改变我们的生活

　　3.2 智能家居产业现状

　　3.3 智能家居产业化痛点

　　3.4 智能家居知名企业

　　四、虚拟现实（VR）

　　4.1 VR产业现状

　　4.2 VR技术痛点

　　4.3 VR技术解决方案及相关厂商

　　五、3D打印

　　5.1 【动图】3D打印如何改变我们的生产和生活方式的？

　　5.2 3D打印产业现状及痛点

　　5.3 3D打印知名企业

　　六、氢燃料电池

　　6.1 氢燃料电池技术展望

　　6.2 氢燃料电池产业现状

　　6.3 我国产业化之痛

　　6.4 氢燃料电池汽车发展目标与方向

　　6.5 氢燃料电池汽车相关企业

　　一

　　人工智能与机器人

　　1.1【动图欣赏】有机器人的世界

　　1.两年后的厨房，太牛了！更多的妇女可以解放出来从事制造业了

　　2.特斯拉工厂被曝光，只有150个机器人！

　　1.2机器人产业现状

　　1.在机器人领域，工业机器人已经实现产业化，服务机器人处于产业化前期。日欧产业优势明显，中国市场潜力巨大。

　　2.日本在工业机器人、家用机器人方面优势明显，欧洲在工业机器人和医疗机器人领域居于领先地位，美国主要优势在系统集成领域，医疗机器人和国防军工机器人。

　　3.美国优势在系统集成，日本强调产业链分工，欧洲强调本体加集成的整体方案。

　　4.中国现阶段机器人产业模式更接近美国模式，原因是机器人本体不能大规模国产化，估计未来的发展趋势是类似于日本的产业链分工模式，前提是真正突破机器人本体。

　　1.3我国机器人产业化痛点

　　无论是沈阳自动化所等专业机构还是广大万众企业，我国机器人行业面临的一个严重问题就是零部件之痛。以工业机器人为例：

　　工业机器人的控制系统和自动化产品主要涉及减速机、伺服电机、控制器和传感器等。减速机、伺服电机、控制器这三个主要零部件占总成本的六成。

图1. 机器人成本组成（%）

来源：中研网

　　机器人共4大组成部分，本体成本占22%，伺服系统占224%，减速器占36%，控制器占12%。

　　其中，精密减速器75%的份额被日本垄断，国内高价购买占到生产成本的45%，而在日本仅为25%，我国采购核心零部件的成本就已经高于国外同款机器人的整体售价。

　　1.4减速机

　　减速机在三大关键零部件中技术开发难度最高，是纯精密机械部件。国内减速机与以日本为代表的国外的减速机的差距表现在基础材料和制造工艺两方面。

　　减速机和伺服电机对轴承、齿轮的精度要求非常高，国内材料也无法满足机器人的要求。齿轮的加工精度取决于高端数控机床的能力，与数控机床等设备的精度密切相关，在数控机床领域，中国尚处于技术追赶阶段。

　　钢的强度高，耐冲击，是制造齿轮的主要材料。虽然热处理方法能显著改善机械性能，但目前国内生产的钢无法满足减速机对基础材料的要求。

减速机生产企业

图2减速机知名厂商

　　1.5伺服电机

　　伺服电机用于驱动机器人的关节，要求要有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。

　　伺服电机可以分为两大块，伺服驱动和电机。

　　目前在高精度伺服电机市场，日系、欧美系、台韩这三大系品牌占主导，自主品牌占比较低，仅15%左右。

　　欧系电机特点是过载能力和动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但价格昂贵。日系品牌价格相对降低，但动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。

　　国内高精度交流伺服电机仍处起步阶段，部分品牌已具备了一定的生产能力，主要面向中低端市场。

伺服电机生产企业

　　国内：新时达、汇川技术、华中数控、英威腾、广州数控、南京埃斯顿、哈尔冰电机厂、上海东方电机厂、东莞华强三洋马达公司、大洋电机、德昌电机、浙江卧龙电机、湘潭电机厂、江特电机、联谊电机、金龙电机……

　　国外：伦茨、博世力士乐、发那科、安川、松下、三菱、三洋、西门子、贝加莱……

　　1.6控制器

　　控制器是机器人三大关键零部件中技术难度相对最低的。控制器占机器人成本约10%，是机器人零部件方面国内企业技术差距最小的产品。

控制器生产企业

　　国外机器人企业主要是自己配套研发生产，国内的新松、埃斯顿等企业也基本是自研配套。广州数控自主研发数控系统，在控制器方面取得全国领先。固高科技已经开发出运动控制卡相应成熟产品，在PCbased 控制器市场占有率接近一半。

图3 2013年中国工业机器人控制器市场份额（%）

表1 国内外重点机器人控制器企业及产品系列

来源：of week 机器人网

　　1.7传感器

　　机器人传感器的类型众多，主要包括以下种类：

图4 机器人传感器类型

　　近年来，世界传感器市场以持续稳定的增长之势向前发展，各国企业竞相加速对传感器的开发和产业化。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依然是传感器市场分布最大的国家。

机器人传感器生产企业

　　美国MEAS传感器公司、霍尼韦尔国际公司、美国凯勒公司、美国艾默生电气公司、罗克韦尔自动化有限公司、通用电气公司、西门子股份公司、WI K A公司、First Sensor技术公司、巴鲁夫公司、图尔克公司、倍加福公司、德国德森克公司、Sensortechnics公司、德国爱尔邦公司、柏西铁龙公司、宝得公司、英飞凌科技股份公司、Metallux SA、E+H公司、堡盟集团、MEMSENS公司、日本横河电机株式会社、欧姆龙公司、富士电机集团、基恩士集团、沈阳仪表科学研究院、深圳清华大学研究院、河南汉威电子股份有限公司、北京昆仑海岸传感技术中心、天津市中环温度仪表有限公司……

　　二

　　无人驾驶

　　2.1【视频欣赏】未来你是这样开车的！

睡着开车你信吗？

　　2.2 无人驾驶产业现状

　　无人驾驶汽车就是一种不需要人进行驾驶的智能汽车，是集系统、硬件设施和软件设施于一体的集成技术。

　　据美国波士顿咨询集团测算，无人驾驶汽车创造的市场价值将达到420亿美元；2035年前，全球将有1800万辆汽车拥有部分无人驾驶功能，1200万辆汽车成为完全无人驾驶汽车。

　　中国将是最大的市场。机构预计，到2020年，我国驾驶辅助系统市场规模在700亿-800亿元，年均复合增长约60%。

　　目前高级辅助驾驶逐渐成熟，预计2019年全球市场渗透率将超过25%。

　　2.3无人驾驶技术解析

　　如何用传感器准确的感知周围的信息？人工智能如何做判断？感知、执行和互联是无人驾驶的三大基石。

　　感知：多种传感器搭配使用实现全方位全天候感知。

表2 无人驾驶感知层全产业链

　　执行：转向、油门、刹车是自动化实现的基础。

表3 无人驾驶执行系统组成及相关厂商

　　互联：车内、车际、车云三网融合构成汽车互联体系

表4 无人驾驶互联体系网络级别

表5 互联体系各类模块相关厂商

　　2.4无人驾驶相关企业研究进展

表6 国外主要汽车企业无人驾驶技术发展概况

来源：公开资料

表7 国外主要汽车企业无人驾驶技术发展概况

来源：公开资料

　　三

　　智能家居

　　3.1【视频欣赏】智能家居和物联网如何改变我们的生活

　　手机将在5年后消失,你准备好了吗?

　　3.2 智能家居产业现状

　　李开复博士曾说下一个趋势是万物联网，智能家居正是在这种趋势下，春风拂过迅速崛起。研究机构Research and Markets发布的最新报告预计，未来五年全球智能家居设备和服务市场将每年以8%~10%的速度增长，到2018年市场规模将达到680亿美元。而今年我国智能家居市场规模预计已经突破1200亿。

智能家居国内外对比

　　智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。以下是国外智能家居特点对比：

表8 国外智能家居现状对比

　　当前我们智能家居产业已经突破技术上的难题，无论是通讯技术、硬件互联技术还是语音识别技术都取得了一定的发展。单一的智能产品市场占有率不断提升，如智能冰箱、空调、电视等产品，然而成套的智能家居系统和解决方案却并不乐观。

　　3.3智能家居产业化痛点

　　智能家居在产业化过程中遇到的问题，主要体现在以下三个方面：

　　1.痛点需求的满足度还较低，用户习惯的培养也需要一个过程。

　　2.智能家居成本较高。

　　3.互联互通在标准、成本和速度上还不够成熟。

　　3.4智能家居知名企业

知名品牌

　　科比迪、ABB、索博、罗格朗、快思聪、施耐德、施耐德、波创、聪明屋、安居宝、上海索博、青岛海尔、安居宝、天津瑞朗、霍尼韦尔、LG智能家居、快思聪、波创科技、安明斯……

　　四

　　虚拟现实（VR）

　　4.1 VR产业现状

　　VR的核心是创造的内容，虚拟逼真，让人参与其中，产生沉浸感，达到一种进入其他时空的感觉。2016年被称为VR元年，TrendForce称2016年全球VR市场收入规模有望达到67亿美元，并将在未来5年内保持高速增长，至2020年市场年收入规模将突破700亿美元。

图5 2016-2020年全球VR市场收入规模（亿美元）

来源：TrendForce

　　那么，现实VR发展的技术瓶颈有哪些？

　　4.2 VR技术痛点

　　限制VR发展的一大障碍就是使用者产生的晕动症以及沉浸感不强。

　　晕动症是指VR体验者在体验中产生眩晕的感觉。由于虚拟现实的视频图像处理是用于近似还原真实的世界，对芯片运算能力和图像处理能力的要求更高。沉浸感不强则是受制于处理器芯片、图像处理技术、显示系统及传感技术，三维立体内容分辨率和刷新率低，成像延迟现象较为严重。

　　4.3 VR技术解决方案及相关厂商

　　显示屏是延时是造成眩晕的最主要因素，而AMOLED显示屏成最佳解决方案。

　　AMOLED是有源矩阵有机发光二极体面板，它是自发光，不像LCD显示屏采用了背光源。AMOLED具有更薄更轻、主动发光、无视角问题、高清晰、高亮度、响应快速、能耗低、使用温度范围广、抗震能力强、成本低和可实现柔性显示等优势。

表9 VR主流产品采用AMOLED 显示屏

　　韩国拥有AMOLED生产的绝对垄断权，2012年韩国厂商在AMOLED产能的全球占有率为97.7%。而今，京东方、和辉光电、天马的AMOLED生产线成功量产，华星光电、国显光电、信利国际、友达光电等厂商积极布局AMOLED生产线，全球垄断格局才得以打破，但国内的产能、技术仍落后于韩国。

表10 AMOLED主要生产企业

　　芯片是保证VR运算能力和流畅度的核心。

视频处理芯片生产商：

　　英伟达、高通、瑞芯微电子、AMD、Oculus、ARM、全志科技、偶米科技、中颖电子、华为、……

　　传感器相当于VR/AR的五官，起到人机交互核心的功能。

传感器生产商：

　　Kinect、PS Move、Vii、中颖电子、华为、PrimeSense（(被苹果收购)）、Softkinetic Systems SA（被索尼收购）、Lumedyne Technologies（被谷歌收购）、中科院宁波材料所所属二级所先进制造所、……

　　五

　　3D打印

　　5.1【动图】3D打印如何改变我们的生产和生活方式的？

　　未来某一天，你或许会住着打印出来的房子，乘坐打印出来的飞机环球旅游，驾驶着打印出来的汽车走南闯北……这一切，都有赖于3D打印技术的推广运用。3D打印是通过层层堆积的方法形成实体物品。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计，3D打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。

　　与传统制造方式相比，3D打印具有以下优势：

　　1、与常见的数控机床相比，3D打印可以加工任何复杂结构的产品，加工范围可包括金属、塑料、生物、建筑等各种材料；

　　2、作为一种增材制造工艺，无损耗，在材料的利用率上有着明显的优势；

　　3、3D打印可实现个性化、艺术化专属定制。3D打印以数字化、网络化为基础，实现直接制造、桌边制造和批量定制的新的制造方式；

　　4、能与生物工程结合，与艺术创造结合，满足消费者个性意愿等。

　　由于该技术本身的特点，3D打印技术将会大大缩减劳动力成本，这对于亟待转型的中国经济来说，具有非常重要的意义。

　　5.2 3D打印产业现状及痛点

　　3D打印技术，属于新一代绿色高端制造业，与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术。中国与美国的差距主要表现在：

　　1、产业化进程缓慢，市场需求不足；

　　2、美国3D打印产品的快速制造水平比国内高；

　　3、烧结的材料尤其是金属材料，质量和性能比我们好；

　　4、激光烧结陶瓷粉末、金属粉末的工艺方面还有一定差距；

　　5、国内企业的收入结构单一，主要靠卖3D打印设备，而美国的公司是多元经营，设备、服务和材料基本各占销售收入的1/3。在全球3D模型制造技术的专利实力榜单上，美国3D Systems公司、日本松下公司和德国EOS公司遥遥领先。

　　工业级打印材料主要存在以下问题：

　　1、可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展；

　　2、打印流畅性不足；

　　3、材料强度不够；

　　4、材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾；

　　5、材料标准化及系列化规范的制定。

　　5.3 3D打印知名企业

表11 3D打印知名企业简介

　　六

　　氢燃料电池

　　6.1 氢燃料电池技术展望

　　设想，有一天每辆汽车不是加油而是加氢气，排放的都是水，世界环境无疑将有大的提升。近年来，氢燃料电池被世界各国所重视，国外部分氢燃料电池汽车已逐步走向市场。

　　6.2 氢燃料电池产业现状

　　国内外燃料电池发展差距

　　比较重视氢燃料电池车发展的国家有日本、美国、德国和韩国。其中在氢能源应用方面最积极的是日本。目前，我国氢燃料电池车和加氢站与这些国家的差距比较大，一方面是数量，另一方面是技术。

　　从氢燃料电池车来看，国际上已进入商业化前沿，丰田在2014年底宣布氢燃料电池车“未来”商业化，韩国现代也通过赠送和试驾的方式将氢燃料电池车推向北美、北欧市场。反观我国，在燃料电池的研究方面起步很早，最初我们希望企业可以成为主导，但实际上还是高校在推进。

　　从加氢站建设来看，日、美、德、韩正在大力扩建。东京、名古屋、大阪和福冈四大城市市区和高速公路建设100座加氢站，韩国也拟建50个加氢站。而我国在2008年北京奥运会和2010年上海世博会期间共建设3座加氢站，目前广东佛山正在建设第4座。

　　在技术方面，国外氢燃料电池乘用车必须能保障5000个工作小时，按美国行业标准每小时至少行驶约48公里，商用车(巴士)则要保障1.8万个工作小时，目前，有的燃料电池商用车已经超过2万个工作小时。而中国产氢燃料电池乘用车工作时限仅有2000个小时左右，之后必须更换电池，这往往意味着要换新车。

　　6.3 我国产业化之痛

　　我国氢燃料电池汽车目前在下列几个方面还存在着亟需解决的难题：

　　1、燃料电池堆技术：可靠性差，功能密度低，成本高；

　　2、高压储氢系统：高压储氢瓶以及阀减压的制造；

　　3、电池组件：质子膜、碳纸、催化剂以及双极板产业链的不完善；

　　4、电池辅助系统部件：风、氢气循环泵的缺失；

　　5、发动机系统集成与控制：稳定可靠性；

　　6、组建系统：投入不足。

　　6.4 氢燃料电池汽车发展目标与方向

　　氢燃料电池在新能源汽车领域具有极大的应用前景，目前不少汽车生产商也研制生产氢燃料电池技术。以下是《中国制造2025》确定的氢燃料电池汽车技术的发展目标和方向。

　　1、燃料电池催化剂、质子交换膜、碳纸、膜电极组件、双极板等关键材料批量生产能力建设和质量控制技术研究。开展高功率密度电堆用的低Pt催化剂、复合膜、扩散层（碳纸、碳布）、高性能及耐受性质子交换膜材料、高可靠性及低铂担量的膜电极（MEA）、高性能及高可靠性的金属双极板的开发和质量控制技术的研究，形成批量生产能力。

　　2、燃料电池堆系统可靠性提升和工程化水平的研究。提高催化剂及其载体的抗氧化能力，质子膜的机械和化学稳定性；改进燃料电池材料制备工艺和质量控制，提高电堆设计水平；验证电堆运行寿命，解决车辆运行条件下的电堆均一性问题；结合车辆动态运行特征，对系统级运行与操作条件做匹配优化；实现系统级寿命验证与参数表征，提高产品级寿命；提高系统零部件的可靠性，开展系统可靠性分析与设计改进。

　　3、汽车、备用电源、深海潜器等燃料电池通用化技术研究。开展燃料电池通用化技术研究，2020年，实现关键技术攻关，研发出新一代的金属双极板电堆，2025年，完成商业化产品全产业链的建设。

　　4、燃料电池汽车整车可靠性提升和成本控制技术。开展燃料电池发动机系统集成与优化，实现燃料电池整车可靠性提高；推动燃料电池关键材料（膜、炭纸、催化剂、MEA、双极板等）及系统关键部件（空压机、膜增湿器、电磁阀、车载70MPa氢瓶等）国产化，开发超低铂，非铂催化剂，降低材料成本，促进燃料电池系统产品化和工程化，实现燃料电池系统设计模块化，并改进生产制造工艺。

　　6.5 氢燃料电池汽车相关企业

　　美国通用电气公司、戴姆勒、克莱斯勒、丰田、通用、本田、布鲁姆能源、联合技术动力公司、巴拉德动力系统公司、中科院大连化学物理研究所、FuelCell Energy、北京世纪富源燃料电池公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、上海神力科技有限公司……

　　结语

　　科技拥有彻底改变人们生活方式的潜力，像3D打印正改变着制造业，移动应用正改变人们的购物行为，纳滤技术改变人们饮用水的方式。每个领域的每一小步，都是全球科技水平前进的一大步。

　　机器人、无人驾驶、智能家居、虚拟现实、3D打印、氢燃料电池技术所描述的世界并不是水中月、镜中花，而是通过无数人的努力终会跨越并到达的时代！

　　来源新材料在线，如需转载，请加小编微信：13510323202，并注明“媒体合作”。未经允许私自转载或未按照要求格式转载，新材料在线将保留追究其法律责任的权利。

　　2017能源科技高峰论坛

　　会议时间：2017年5月中旬（拟定）

　　会议地点：广州

　　规模及受众：400人

　　来自全国各地相关政府领导、园区代表、上市公司高管、知名能源企业家、科研机构专家、知名投资人、金融机构负责人、媒体代表等

　　活动咨询：会务组向秋 158 7492 0409

　　（扫码添加 向小姐微信）

新材料在线商务合作

请联系：王小姐 0755-86060912（9:30-18:30）

点击“阅读原文”下载app