工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)（第三版）課件 2.1 工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)

第二篇認(rèn)識(shí)篇——工業(yè)機(jī)器人家族本領(lǐng)任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)第二篇認(rèn)識(shí)篇——工業(yè)機(jī)器人家族本領(lǐng)

2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)一、按照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類按照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類，可以分為直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人和并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人，各類型實(shí)物圖如圖2-1所示。2.1.1工業(yè)機(jī)器人的分類(a)直角坐標(biāo)型(b)圓柱坐標(biāo)型(c)球坐標(biāo)型(d)多關(guān)節(jié)型(e)平面關(guān)節(jié)型(f)并聯(lián)型圖2-1工業(yè)機(jī)器人類型2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)1、直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。手部空間的位置變化是通過沿著3個(gè)相互垂直的軸線移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，常用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料和高精度的裝配和檢測作業(yè)。一般直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的手臂可以垂直上下移動(dòng)（Z軸方向），并可以沿著滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平二維平面的移動(dòng)（X、Y方向）。顯然直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人有3個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，即3個(gè)自由度。圖2-2直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；編程容易，在X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)沒有耦合，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；直線運(yùn)動(dòng)速度快，定位精度高，蔽障性能較好；（2）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人有如下缺點(diǎn)：動(dòng)作范圍小，靈活性較差；導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)比較困難，導(dǎo)軌暴露面大，不如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)密封性好；結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大；移動(dòng)部分慣量較大，增加了對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求；2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)2、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示。有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線的位姿由（z，r,θ）坐標(biāo)予以表示，其主體具有3個(gè)自由度：腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)、手臂伸縮運(yùn)動(dòng)。圖2-3圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人主要有如下優(yōu)點(diǎn)：控制精度較高，控制較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊；對(duì)比直角坐標(biāo)形式，在垂直和經(jīng)向的兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以采用伸縮套簡式結(jié)構(gòu)，在腰部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以把手臂縮回，從而減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善了力學(xué)負(fù)載?？臻g尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度。（2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人主要有如下缺點(diǎn)：由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的原因，手臂不能到達(dá)底部，末端操作器離z軸愈遠(yuǎn)，減小了機(jī)器人的工作范圍，其切向線位移的分辨精度就愈低。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)3、球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示，有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，末端操作器的安裝軸線的位姿由（θ，φ，r）坐標(biāo)予以表示。機(jī)械手能夠里外伸縮移動(dòng)，在垂直平面內(nèi)擺動(dòng)已經(jīng)繞底座在水平面內(nèi)移動(dòng)，因?yàn)檫@種機(jī)器人的工作空間形成球面的一部分。很多知名企業(yè)球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人其手臂采用液壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)，繞垂直和水平軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)也采用了液壓伺服系統(tǒng)。圖2-4球坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是：占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可；蔽障性能較差，存在平衡問題；2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-5所示，主要由底座、大臂和小臂組成。大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。底座可以繞垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為腰關(guān)節(jié)。它是一種廣泛應(yīng)用的擬人化機(jī)器人。圖2-5關(guān)節(jié)坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)示意2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)（1）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小；靈活性好，手部到達(dá)位置好，具有較好的蔽障性能；沒有移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量??；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力小，能耗較低；（2）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的缺點(diǎn)有：運(yùn)動(dòng)過程中存在平衡問題，控制存在耦合；當(dāng)大臂和小臂舒展開時(shí)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度較低；2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)5、并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人并聯(lián)型機(jī)構(gòu)，是動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)可以具有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或六個(gè)自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。（a）二自由度（b）三自由度（c）四自由度圖2-6并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)從運(yùn)動(dòng)形式來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、平面移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純移動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間混合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；承載能力大；微動(dòng)精度高；運(yùn)動(dòng)負(fù)荷?。辉谖恢们蠼馍?，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)二、按照輸入信息的方式分類按照輸入信息的方式分類，可以分為操作機(jī)械手、固定程序工業(yè)機(jī)器人、可編程型工業(yè)機(jī)器人、程序控制工業(yè)機(jī)器人、示教型工業(yè)機(jī)器人、智能型工業(yè)機(jī)器人。各機(jī)器人的特點(diǎn)見表2-1。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)三、按照驅(qū)動(dòng)方式分類按照驅(qū)動(dòng)方式分類，可以分為液壓型工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人、氣壓型工業(yè)機(jī)器人。其特點(diǎn)見表2-2。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)四、按照運(yùn)動(dòng)軌跡分類按照運(yùn)動(dòng)軌跡分類，可以分為點(diǎn)位型工業(yè)機(jī)器人、連續(xù)軌跡型工業(yè)機(jī)器人。點(diǎn)位控制是控制機(jī)器人從一個(gè)位姿到另一個(gè)位姿，其路徑不限；連續(xù)軌跡控制是控制機(jī)器人的機(jī)械接口，按編程規(guī)定的位姿和速度，在指定的軌跡上運(yùn)動(dòng)。通常我們見到的工業(yè)機(jī)械手屬于智能型、連續(xù)軌跡、多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，末端手爪多為氣動(dòng)或者電動(dòng)。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)一、工業(yè)機(jī)器人市場快速增長2022年10月13日，國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)在法蘭克福發(fā)布新的全球機(jī)器人報(bào)告顯示，2021年，全球工業(yè)機(jī)器人新增裝機(jī)量達(dá)517385臺(tái)，堪稱巔峰之年，同比增長31%，超過新冠肺炎疫情前的2018年，增加幅度為22%。截至目前，全球在役機(jī)器人存量達(dá)到350萬臺(tái)，創(chuàng)歷史新高。2.1.2工業(yè)機(jī)器人的市場分析2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)從國內(nèi)市場來看，在國內(nèi)密集出臺(tái)的政策和不斷成熟的市場等多重因素驅(qū)動(dòng)下，工業(yè)機(jī)器人增長迅猛，除了汽車、3C電子兩大需求最為旺盛的行業(yè)，化工、石油等應(yīng)用市場逐步打開。中國作為疫情控制最好的國家，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展持續(xù)向好，已成為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主引擎，近五年中國工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模始終保持增長態(tài)勢，2022年市場規(guī)模將繼續(xù)保持增長，預(yù)計(jì)將達(dá)到87億美元，預(yù)計(jì)到2024年中國工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，將超過110億美元。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)圖2-72017-2024年中國工業(yè)機(jī)器人銷售額統(tǒng)計(jì)及預(yù)測2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)韓國的工業(yè)機(jī)器人2018年安裝量約38000臺(tái)，每年增長率12%,密度（774臺(tái)/萬人）是全世界平均值的八倍以上。韓國擁有了一批在世界上具有影響力的企業(yè)，比如現(xiàn)代重工旗下的HYUNDAI（韓國現(xiàn)代機(jī)器人）、韓國領(lǐng)先企業(yè)Robostar（羅普伺達(dá)機(jī)器人）、DongbuRobot（東部機(jī)器人）、Doosungrobot（斗星機(jī)器人）、AlphaRobotics（阿爾帕機(jī)器人）等。日本的工業(yè)機(jī)器人銷量增長了21%，達(dá)到55000臺(tái)，創(chuàng)下了該國有史以來的最高值。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)高度自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)市場來說，2013年以來17%的平均年增長率是驚人的。日本目前也是世界第一大工業(yè)機(jī)器人制造商，2018年交付了全球供應(yīng)量的52%。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)美國的工業(yè)機(jī)器人安裝量連續(xù)第八年增長，2018年安裝量約40300臺(tái)，達(dá)到新的峰值。這比2017年高出22%。自2010年以來，美國所有制造業(yè)的增長一直由自動(dòng)化生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)，以增強(qiáng)美國國內(nèi)和全球市場的產(chǎn)業(yè)實(shí)力。德國是世界第五大機(jī)器人市場，歐洲排名第一，其次是意大利和法國。2018年工業(yè)機(jī)器人銷量增長26%，達(dá)到近27000臺(tái)，創(chuàng)下歷史新高,安裝量主要來自汽車工業(yè)的驅(qū)動(dòng)。從工業(yè)機(jī)器人密度來看(每萬名制造業(yè)員工所擁有的機(jī)器人數(shù)量)，新加坡達(dá)到831臺(tái)，全球最高，其次是韓國(774臺(tái))與德國(338臺(tái))。中國的工業(yè)機(jī)器人密度為140臺(tái)，高于全球各地區(qū)的平均水平84臺(tái)。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)2019年進(jìn)入?yún)f(xié)作機(jī)器人時(shí)代，雖然份額較低，僅占安裝總量的3.24%，但增長較快，在整個(gè)市場中屬于利基市場。從2017年的11100臺(tái)到2018年的14000臺(tái)，協(xié)作機(jī)器人增長率達(dá)到了23%。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)二、工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用行業(yè)汽車、電子電氣、金屬和機(jī)械、化工和食品和飲料行業(yè)共五個(gè)行業(yè)是目前工業(yè)機(jī)器人重要的應(yīng)用行業(yè)，五個(gè)行業(yè)銷量占比超過了80%。汽車行業(yè)和電子電氣行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最重要的兩個(gè)行業(yè)，兩個(gè)行業(yè)銷量占比超過60%。根據(jù)2018年IFR數(shù)據(jù)來看，2018年全球工業(yè)機(jī)器人在汽車、電子電氣、金和機(jī)械、化工和食品行業(yè)銷量占比分別為37.44%、26.28%、11.16%、5.35%、2.79%。圖2-82018年國際市場工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域分布情況2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)1、汽車行業(yè)汽車行業(yè)仍然是全球最大的機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)，在2018年約占總供應(yīng)量的30%。對(duì)新車生產(chǎn)能力和現(xiàn)代化的投資推動(dòng)了該行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求。使用新材料、開發(fā)節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及所有主要汽車市場的激烈競爭都推動(dòng)了該項(xiàng)投資。目前79%的汽車工業(yè)機(jī)器人安裝量分布在5個(gè)主要市場：中國(39351臺(tái))、日本(17346臺(tái))、德國(15673臺(tái))、美國(15246臺(tái))和韓國(11034臺(tái))。據(jù)OICA的統(tǒng)計(jì)，作為世界第四大汽車生產(chǎn)國，印度的汽車工業(yè)也安裝了大約2100臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。2.1工業(yè)機(jī)器人的分類、市場分析與主要應(yīng)用行業(yè)

2、電氣/電子行業(yè)電氣/電子行業(yè)本將在未來幾年取代汽車行業(yè)，成為工業(yè)機(jī)器人最重要的應(yīng)用行業(yè)。然而，全球?qū)﹄娮釉O(shè)備和組件的需求大幅下降對(duì)這一趨勢造成了影響。該行業(yè)可能是受中美貿(mào)易危機(jī)影響最大的行業(yè)，因?yàn)閬喼迖沂侵圃祀娮赢a(chǎn)品和零部件的領(lǐng)頭羊。電氣/電子行業(yè)2018年的機(jī)器人安裝量約12.2萬臺(tái)，該行業(yè)總安裝量的79%分布在三個(gè)主要國家：中國(43%)、韓國(19%)、日本(17%)。在幾個(gè)重大項(xiàng)目的推動(dòng)下，越南在2017年實(shí)現(xiàn)了安裝量的一次性增長(7080臺(tái))，增長幅度最大的