机器人产业链梳理之核心零部件解析
导语：阅读文章，了解产业链梳理之核心解析。
工业机器人产业链可以分为上中下游：
上游是关键零部件生产厂商，主要是减速器、控制系统和系统；中游是，即机座和执行机构，包括手臂、腕部等，部分机器人本体还包括行走结构，是机器人的机械传统和支撑基础。下游是商，根据不同的应用场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发，国内企业都集中在这个环节上。生产出来的机器人只有通过系统集成之后，才能投入到下游的汽车、电子、金属加工等产业，为终端客户所用。
工业机器人产业链梳理
整体来看，工业机器人的总成本中，核心零部件的比例接近70%，其中减速器、伺服电机和控制器占比分别为32%、22%和12%。
▲工业机器人核心零部件及本体成本占比
▲中国工业机器人减速器市场格局
▲中国工业机器人市场格局
▲中国工业机器人控制系统市场格局
核心零部件技术是机器人本体企业的核心竞争力力
1.减速器：工业机器人不可或缺的明珠
技术分析：RV 与谐波减速器占据主流地位
伺服电机由于脉动信号的驱动，本身具备调速功能，那么机器人为何需要减速器？
由于工业机器人需要重复、可靠地完成大量工序任务，对其定位精度和重复定位精度要求很高，因此需要专门的减速器以保证精度。减速器的另一作用是传递负载：当负载较大时，伺服电机功率有限导致输出扭矩较小，此时需要通过减速器来提高扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动，对于长时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。
精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。
工业机器人用精密主要分为5类，不同类型的精密减速机在传动效率、减速比方面各不相同。衡量精密减速机的主要指标包括：扭转刚度、传动精度、启动转矩、空程、背隙、传动误差、传动效率等。
目前，大量应用于多关节机器人的减速器主要有两种：RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部；二者之间适用的场景不同，属于相辅相成的关系。而行星减速器一般用在上。
RV（Rotary Vector）减速器
在摆线针轮行星传动的基础上发展而来，结构主要分为两级：第一级为渐开线圆柱齿轮传动，第二级为摆线针轮行星传动，包括转臂曲柄、摆线轮、针齿壳，特点在于承受大负载的同时保证高精度。因此，其技术难点主要在于工艺和方面：1.材料成型技术。RV减速齿轮需要具有耐磨性和高刚性，对于材料成型过程提出了较高要求，尤其是材料化学元素控制、表面热处理方面。2.精密加工及装配技术。RV减速器的减速比较高，具备无侧隙、微进给的特点，这就需要特殊部件加工和精密装配技术。
▲RV减速器结构拆分
工作原理：1.第一减速部：伺服电机的旋转从输入齿轮传递至正齿轮，按二者的齿数比进行减速；曲轴直接与正齿轮相连，以相同的转速旋转。2.曲轴部：曲轴旋转，带动偏心部的RV齿轮进行偏心。3.第二减速部：另一方面，针齿数目比RV齿轮的齿数多1个；如果曲轴旋转1圈，RV齿轮与针齿接触的同时进行1圈的偏心运动，使得RV齿轮沿着相反方向旋转1个齿数的距离，并通过曲轴传递至输出轴，实现减速。而总体减速比为第一、第二减速部的减速比之积。
▲RV减速器工作原理
谐波减速器
基于行星齿轮传动发展起来，由波发生器、柔轮、刚轮和轴承组成。其工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，而柔轮比钢轮少N个齿轮位。因此，当波发生器转一圈，柔轮移动N个齿轮位，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动，其优势是传动比大、零部件数目少；其缺点是弹性变形回差大，这就不可避免地会影响机器人的动态特性抗冲击能力等。
▲谐波减速器结构拆分
从国内外产品技术指标来看，国外产品信息相对完善，每种规格对应的各技术指标都有精确的数值呈现。而国内在这方面略显欠缺，表明国内企业在能力方面的不足，缺少严格的质量管理体系。目前，国产减速器还存在两方面的问题：1.产品系列不健全。日本纳博具备全系列产品，基本上可以应用于所有领域。根据纳博官网的披露，其RV-N系列产品还处于期，而国内产品系列相对残缺；2.一致性问题。国产减速器在实际使用环境下的性能，与实验室性能无法完全匹配，个别产品存在漏油、精度降低等情况，是阻碍国产减速器进军高端市场的原因之一。
从RV减速器的技术指标来看，对比纳博RV-E系列和南通振康的产品，可以看到在同一输出转速和输入功率下，二者的输出扭矩范围相当，说明国内产品在传动效率上已经可以与国外媲美。然而工艺水平是限制RV减速器发展的主要原因，例如非标特殊轴承是RV减速器的精密机构，其间隙需根据零部件加工尺寸动态调整。为了结构紧凑，薄壁角接触球轴承精度要求较高，加预紧力后轴承的游隙为零。因此，今后需要在传动精度、扭转刚度等方面加强研究。
从谐波减速器的技术指标来看，国内的苏州绿的和中技克美的减速比范围与日本哈默纳科水平相当，产品性能基本满足要求，目前已经大量应用于国产机器人。而国外产品在输出扭矩、平均寿命和一致性等技术指标上依然占据优势。
2.伺服电机与控制器，相辅相成的核心零部件
（1）伺服电机：国产替代空间最高
完整的伺服系统包括伺服电机、伺服编码器和伺服三个部分。
伺服驱动器又被称为伺服控制器，作用类似于之于交流马达，一般是通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制，实现高精度的传动系统定位。伺服编码器是安装在伺服电机末端用来测量转角及转速的一种，目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。作为伺服系统的信号反馈装置，编码器很大程度上决定了伺服系统的精度。
伺服电机作为执行元件，作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度，主要由定子和转子构成，定子上有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。其内部的转子是永磁铁或感应线圈，转子在由励磁绕组产生的旋转磁场作用下转动。机器人的关节驱动离不开伺服电机，关节越多，其柔性和精度就越高，所要求使用的伺服电机数量就越多。机器人对伺服电机的要求较高，必须满足快速响应、高启动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等条件。
伺服电机可以分为交流（AC）和直流（DC）两大类。具体来看，直流电机又分为有刷和无刷电机，前者成本低，但会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。而交流伺服电机与直流电子相比，主要优点包括：（1）无电刷和换向器；（2）惯量小，快速响应；（3）适用于大力矩环境；（4）定子绕组散热方便。目前工业机器人中使用较多的是交流伺服电机。
▲伺服编码器内部结构
▲无刷直流电机内部构造
交流伺服电机也称为无刷电机，分为同步和异步电机。异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系，有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。而同步电动机的功率因数可以调节，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低，因而适合做低速平稳运行的应用。在不要求调速的场合，应用同步电动机可以提高运行效率。到目前为止，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，典型生产厂家如德国伦茨、路斯特、西门子、日本安川等公司。
如今一般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化和高响应性等性能。国际上主要伺服电机厂家的电机手册也一般会收录机械时间常数、电器时间常数、发热时间常数、转动惯量和过载运动能力等参数，这些都是伺服电机的主要参考指标。
（2）控制器：与国际差距最小的零部件
控制器是机器人的大脑，主要负责发布和传递动作指令。其主要任务是对机器人的运动规划，以实现机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的相互转换，完成高速伺服插补运算、伺服。
控制器分为硬件结构和软件结构。硬件方面，目前市场已经研发了基于多CPU的分级分层控制系统。以典型的DSP控制器为例，该控制器采用模块化结构，以工业PC作为系统的硬件平台，通过DSP控制卡实现对机器人多个自由度的操控，提高了机器人控制器的运动控制性能。
软件方面，又分为上位机PC部分和下位机运动控制部分。其中，上位机模块主要功能是对系统的可调参数进行设置，对机器人的正、逆运动学建模求解，并把运动控制卡与控制程序在逻辑上连接起来。下位机模块由主控程序、运动程序和通讯程序构成，实现高速伺服插补运算、伺服运动控制。
▲机器人控制器硬件结构
▲机器人控制器软件结构
竞争格局：硬件差距较小，难点集中于软件。控制器本质上就是一个数据处理器，随着半导体技术的成熟，半导体芯片的性价比越来越高，因此控制器在硬件上并无太高门槛。在机器人的核心零部件中，控制器的技术难度是最低的，国内企业开发的控制器产品已经可以满足大部分功能要求。但控制器的核心在于算法要与机器人本体相匹配。目前，国外主流机器人厂商的控制器均是基于运动控制平台进行自主研发，以保证匹配性，导致国内企业控制器尚未形成竞争优势。可以说，国产控制机在硬件上与国外差距不大，差距主要是算法和兼容性方面。