我國(guó)已經(jīng)連續(xù)5年成為世界第一的機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)，但高端機(jī)器人仍然依賴于進(jìn)口。核心算法的差距，是國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人向高端制造邁進(jìn)的攔路虎。

 

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。

 

機(jī)器人四大家族，分別是日本發(fā)那科、安川電機(jī)，瑞典ABB，德國(guó)庫(kù)卡。其中*牛的是發(fā)那科——全球工業(yè)機(jī)器人銷售記錄保持者、利潤(rùn)保持者以及技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。德國(guó)庫(kù)卡*弱，其核心技術(shù)基本來(lái)自外購(gòu)，目前已經(jīng)被中國(guó)美的集團(tuán)收購(gòu)。

 

工業(yè)機(jī)器人想要完成復(fù)雜的動(dòng)作，核心控制器（工業(yè)機(jī)器人的大腦）必須足夠聰明。由于我們沒(méi)有掌握核心算法，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人“大腦”還不夠聰明，穩(wěn)定性、故障率、易用性等關(guān)鍵指標(biāo)遠(yuǎn)不如工業(yè)機(jī)器人“四大家族”。

 

一般而言，控制器基本上分為硬件和軟件兩大部分，硬件部分就是工業(yè)控制板卡，包括一些控制芯片、分立式元件與訊號(hào)處理電路等，至于軟件部分則是控制算法、二次開(kāi)發(fā)等。

由于硬件大部分都是外購(gòu)，多數(shù)工業(yè)機(jī)器人廠商買到的是相同硬件，而軟件部分就成為工業(yè)機(jī)器人控制器的關(guān)鍵，大部分工業(yè)機(jī)器人廠商都有其獨(dú)立的開(kāi)發(fā)環(huán)境和工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

 

作為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，衡量機(jī)器人優(yōu)劣主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性和精確性。核心控制器是影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，有著工業(yè)機(jī)器人“大腦”之稱。而軟件相當(dāng)于語(yǔ)言，把“大腦”的想法傳遞出去。

 

要講好這門“語(yǔ)言”，需要底層核心算法。“四大家族”可以出售伺服系統(tǒng)、減速器、編碼器等關(guān)鍵部件，但對(duì)核心算法一直秘而不宣，絕不外泄。

 

不掌握核心算法，生產(chǎn)精度需求不高的產(chǎn)品還勉強(qiáng)可以，倘若應(yīng)用到航天航空、軍工等高端領(lǐng)域，就只能依賴進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人了。

 

算法的差距不只體現(xiàn)在核心控制器上，更拖慢了伺服系統(tǒng)響應(yīng)的速度，多臺(tái)伺服系統(tǒng)需要“大腦”提前進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)底層算法，國(guó)外核心控制器可以通過(guò)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)直接操作電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)多軸非線性條件下的精密控制，因此“四大家族”的機(jī)器人響應(yīng)速度更快、定位更準(zhǔn)確。

 

由于算法、軟件的差距，*終產(chǎn)品的售價(jià)也天差地別。以伺服系統(tǒng)為例，即使核心元器件幾乎完全一樣，成本其實(shí)相差無(wú)幾，但國(guó)外的產(chǎn)品售價(jià)貴10倍。

 

工業(yè)機(jī)器人三大核心零部件的關(guān)鍵技術(shù)：控制器（控制技術(shù)），減速機(jī)，機(jī)器人專用伺服電機(jī)及其控制技術(shù)。上面說(shuō)的都是控制器算法，我們?cè)倏纯雌渌麅身?xiàng)技術(shù)。

 

目前應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的減速機(jī)主要有兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。

 

對(duì)于高精度機(jī)器人減速器，日本具備絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，目前全球機(jī)器人行業(yè)75%的精密減速機(jī)被日本的Nabtesco和Harmonic Drive兩家壟斷，國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速器均由上述兩家公司提供。

 

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)充馬達(dá)間接變速裝置，它將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確，是工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”。

 

國(guó)外品牌占據(jù)了中國(guó)交流伺服市場(chǎng)80%左右的市場(chǎng)份額。其中，日系產(chǎn)品以50%左右的市場(chǎng)份額居首，其著名品牌包括松下、三菱電機(jī)、安川、三洋和富士等等（其中，前三名分別為松下、三菱電機(jī)和安川，總份額約占45%），以西門子、博世和施耐德為代表的歐系品牌占據(jù)國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)的高端市場(chǎng)，整體市場(chǎng)份額在30%左右，國(guó)內(nèi)企業(yè)整體份額不足10%。

 

高精度編碼器是伺服電機(jī)的核心技術(shù)之一，尤其工業(yè)機(jī)器人上用的多圈絕對(duì)值編碼器，目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口。高精度編碼器未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，是制約我國(guó)高檔伺服系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸之一。

 

另外，國(guó)內(nèi)伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究缺失，包括絕對(duì)值編碼器技術(shù)、高端電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實(shí)用性驗(yàn)證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定等等。這些都需要國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的核心零部件企業(yè)去完善。