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前瞻者说|专访加拿大工程院院士张丹:中国人口红利拐点临近,并联机器人迎来新机遇

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 April Ye ? 2021-09-20 16:38:01 来源:前瞻网 E18068G1
100大行业全景图谱

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“工业机器人”,这个诞生于上世纪五十年代的概念发展至今已有70多年的历史了,从简单的抓取物体到能够独立成一条生产线,工业机器人行业也随着科技的发展不断升级。

中国要成为世界制造强国,工业机器人就是其中不可或缺的一环。

而近年来,一类以并联机构为主机构的新型工业机器人为某些特定工业领域不断提供出更为完美的解决方案,引起了工业界和学术界的普遍关注,并被认为是拯救工业机器人发展的新生力量。那么并联机器人发展程度如何?未来市场潜力怎么样?国内厂商将迎来哪些机遇和挑战……

为此,前瞻经济学人访谈栏目《前瞻者说》非常有幸邀请到了加拿大约克大学教授、加拿大工程院院士张丹博士,就“并联机器人如何赋能智能制造”进行了线上深度探讨,希冀为广大从业者带来更多真知和远见。

张博士是一位成果斐然、贡献卓越的学者、教育家,同时也是国际上并联机器人与现代制造系统领域的国际领军人物。张博士在新一代机器人系统设计和创新机构的构型综合等方面作出了极具影响力的科学贡献,他提出的全局刚度综合模型,是学术界公认的杰出成就,其成果完美解决了动态高性能工业机器人系统中一些世界级最具挑战性的难题,被应用于加工中心、医疗设备、微机电系统等多个场景。近日,张博士应邀参与了第七届中国机器人峰会,并在会后接受了前瞻经济学人的采访。

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崛起中的并联机器人

机器人替代人工生产是未来制造业重要的发展趋势,是实现智能制造的基础,也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障。

当前,传统的4、6轴串联机器人已比较成熟,每年的安装量在稳步增长,占据着主要市场。不过近几年逐渐兴起的另一种机器人—并联机器人,正在开拓各行业的应用场景,每年的安装量在快速增长中。

GGII数据显示,2014-2018年,并联机器人年均以50%的增速发展。在2019年,并联机器人销量约4620台,同比增长30.14%,其市场产值规模5.94亿元,同比增长12.50%。

张博士表示,与串联机器人相比,并联机器人的优势主要体现在以下三个方面:

1、由于并联机构是由多个运动支链通过并联的方式连接而成的,所以末端操作平台的累积误差较小,精度较高,且机构整体的刚度高,具有更强的承载能力。

2、并联机器人上所有的驱动装置可以布置在基座上,从而减小运动支链杆件与动平台的质量,可以实现高速运动,具有良好的动态响应特性。

3、通过对称方式布局各运动支链的位置,可以获得较好的各向同性。

目前,并联机器人已经被广泛应用于航空航天、物流、食品生产、电子生产、工业制造、娱乐等领域,如飞机和星际探测器的起落架、驾驶模拟器、战斗机的矢量喷管、物流分拣机器人、并联机床等。

虽然从销量来看,并联机器人在工业机器人中的占比不高,但并联机器人已出现不少商业化成功的案例。

例如,在食品、电子、化工行业的分拣及包装领域,欧姆龙(Adept)机器人公司的Quattro并联机器人、ABB公司的FlexPicker机器人(Delta机器人)展现出不俗的成绩,其中 Quattro 机器人是全球速度最快的并联机器人。

而在用于飞行器、坦克等驾驶训练的模拟器方面,如波音公司的747飞行模拟器,我国新舟系列飞机的MA60飞行模拟器等(基于Stewart并联机构)都是佼佼者。另外,用于机械加工的并联机床,如瑞典NOUSE公司的Tricept并联机床等。

展望未来,张博士认为并联机器人将会更多的参与到人类的生活活动中来,如采用并联机构的康复医疗机器人,可以用于颈部、踝关节、肩关节等康复训练;采用并联结构的外骨骼机器人,可以帮助人们进行辅助作业或重新站立行走;采用并联结构的飞行器起落架,可以实现自适应起降以及空中抓取双功能;采用并联结构的仿生机器人,可以进行勘探、搬运、救援等活动。

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并联机器人在国内大有可为

我国并联机器人行业于20世纪90年代初期开始发展,经过技术与经验的不断进步与积累,行业中涌现出一批竞争实力较强的国产企业。尤其是近年来,国内并联机器人的发展势如破竹。

由于在该领域深入布局的外资厂商较少,近年来国产厂商呈野蛮生长态势,随着竞争实力不断提升,国产并联机器人市场份额持续攀升。GGII数据显示,2017-2019年国产并联机器人的市场份额分别为55%、68.22%、75.32%,在本土市场上,国产目前处于领跑地位。

从应用场景来看,并联机器人在我国食品、药品、3C电子、日化、印刷等轻工业行业的应用呈高速增长趋势,由于其产品数量多,体积小、生产能力强的特点,符合并联机器人的优势特点。

不过另一方面,与串联机器人相比,并联机器人工作空间体积与机器人自身体积的比值较低,限制了并联机器人在需要重载、大行程的行业领域的应用。

因此,张博士认为,结合串联机器人大工作空间和并联机器人高精度、高承载、高刚度的优点的混联可重构机器人技术将推动并联机器人的大规模应用。

在谈及国产并联机器人与外资并联机器人的差距时,张博士表示国内并联机器人的研究(包括构型设计和尺度优化设计)已经处于世界一流水平,国产的并联机器人完全有能力成为世界顶尖的并联机器人,但是在核心零部件如伺服电机、减速器和驱动器上离世界顶尖水平还有一定的差距。

而从产业链配套方面来看,中国并联机器人既有促进发展的肥沃土壤,也有需要加紧补齐短板的弱项。

并联机器人产业链主要分为上游底层硬件、中游技术支持和下游产品应用三个环节。其中,上游的底层硬件包括芯片技术、伺服电机、减速器、驱动器、运动控制器、传感器技术等。中游的技术支持包括机器视觉、机器学习、语音识别、大数据技术、物联网技术、机器人操作系统等技术。下游的产品应用包括工业机器人产品、服务机器人产品、定制化行业应用等。

我国在底层硬件的开发上具有比较完善的布局和产业集群,但是在伺服电机、减速器、芯片技术等核心技术的开发上仍缺少世界领先的企业。在技术支持环节,我国具有丰富的研究基础及良好的产业环境,相关技术呈快速发展的趋势。

另外,在产品和应用环节,我国具有广阔的市场空间和行业需求,促进了并联机器人产品和行业应用的推广。另一方面,随着国内疫情的有效控制和国外疫情的防控失利,势必会加速中国并联机器人产业链的完善和发展。

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人口拐点给国内厂商带来新的机遇

5月11日,第七次全国人口普查结果公布。数据表明,我国人口10年来继续保持低速增长态势,人口拐点正日益逼近。有业界人士认为随着中国人口红利迎来拐点,而3C行业的回暖,势必带来并联机器人市场迅猛爆发。对此,张博士也表示赞同。

张博士称,随着中国人口红利的逐渐消失,若要实现生产力的持续发展,实现智能制造,势必要求以机器人红利来代替人口红利,这也是未来并联机器人的发展方向。

一方面,在工业生产领域,通过混联可重构机器人技术,助力并联机器人在汽车、钢铁等重工业方向的发展。同时,随着疫情和后疫情时代的到来,非接触式的生活、生产方式加速了3C行业的发展,将进一步促进并联机器人在3C制造业的发展。

另一方面,人口红利的消失势意味着老龄社会的到来,老龄人的生活、医疗护理需求将逐步增加,将促进并联机器人在陪护、康复医疗等领域的发展。

因此,国内企业应该抓住机遇率先出圈。同时,当前的市场竞争格局也有利于企业发展壮大。

《2020 年并联机器人产业发展蓝皮书》显示:增长迅速但尚未有巨头出现,是目前并联机器人市场的真实写照,这也说明并联机器人市场的竞争格局并未完全形成。

在此,张博士给国内企业提出了几点建议:

虽然中国具有较为完善的并联机器人产业链,但大部分企业都处于产业链的中下游环节,集中在机器人产品开发及系统集成上,而中下游环节能获取的利润要低于上游环节。同时,我国的制造业企业在产品的工艺、质量流程和制造流程上与发达国家存在差距。

因此,我国需要重点发展并联机器人产业链上游技术,并提升产品的工艺与质量,同时加速并联机器人在重工业生产、社会服务、医疗护理行业的推广应用,进而抓住机遇实现率先出圈。

张丹院士简介:张丹,曾任加拿大约克大学机械工程系系主任,加拿大安大略省理工大学汽车、机械以及制造工程系创系系主任。张博士是一位成果斐然、贡献卓越的学者、教育家,同时也是国际上并联机器人与现代制造系统领域的国际领军人物。张博士在新一代机器人系统设计和创新机构的构型综合等方面作出了极具影响力的科学贡献,他提出的全局刚度综合模型,是学术界公认的杰出成就,其成果完美解决了动态高性能工业机器人系统中一些最具挑战性的难题,被应用于加工中心、医疗设备、微机电系统等多个场景。张博士2020年入选美国斯坦福大学发布的世界排名前2%顶尖科学家排行榜榜单。他是加拿大工程院院士,加拿大工程研究院院士,ASME Fellow以及CSME Fellow,并两度被授予“加拿大先进机器人及自动化领域研究主席”荣誉。在国际杂志发表论文214篇,国际会议论文182篇以及出版专著12部。

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