国内工业机器人掌握核心算法

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中国已经连续5年成为世界机器人应用市场第一,但高端机器人仍依赖进口。核心算法的差距是国产工业机器人走向高端制造的拦路虎。


工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,它能自动执行工作,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器装置。它能自动做功,是一种依靠自身动力和控制能力实现各种功能的机器。


这四大机器人家族分别是日本的FANUC、安川电气、瑞典的ABB和德国的KUKA。其中,全球工业机器人销量纪录保持者、利润保持者、技术引领者Fanuc表现最佳。

 

工业机器人要想完成复杂的动作,核心控制器(工业机器人的大脑)必须足够智能。因为没有掌握核心算法,国产工业机器人的大脑不够聪明,稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人“四大家族”。


一般来说,控制器基本上分为硬件和软件两部分。硬件部分是工业控制板,包括一些控制芯片、分立元件和信号处理电路,软件部分是控制算法和二次开发。

 

由于大部分硬件都是购买的,所以大多数工业机器人厂商购买的都是同样的硬件,软件部分成为工业机器人控制器的关键。大多数工业机器人制造商都有自己独立的开发环境和工业机器人编程语言。


作为工业级产品,衡量机器人优劣的主要标准有两个:稳定性和准确性。核心控制器是影响稳定性的关键部件,被称为工业机器人的“大脑”。而软件相当于语言,传达着“大脑”的想法。

 


要说好这种“语言”,需要底层的核心算法。“四大家族”可以销售伺服系统、减速器、编码器等关键零部件。,但核心算法一直保密,从未泄露。

 

如果不掌握核心算法,几乎无法生产出精度要求低的产品。如果应用到航空航天空和军工等高端领域,只能依靠进口工业机器人。


算法差距不仅体现在核心控制器上,还减缓了伺服系统的响应速度。很多伺服系统需要“大脑”提前计算。通过底层算法,国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机,实现高动态多轴非线性条件下的精确控制。因此,“四大家族”的机器人响应速度更快,定位更精准。

 


因为算法和软件的不同,最终产品的价格也不同。以伺服系统为例,即使核心部件几乎相同,成本几乎相同,国外产品的价格也贵了10倍。

 


机器人三大核心部件的关键技术:控制器(控制技术)、减速器、专用于机器人的伺服电机及其控制技术。以上都是控制器算法。让我们看看另外两种技术。

 

目前,机器人领域使用的减速器有两种,一种是RV减速器,另一种是谐波减速器。在铰接式机器人中,由于RV减速器具有较高的刚性和旋转精度,通常将RV减速器放置在底座、手臂和肩部等重载位置,而谐波减速器则放置在手臂、手腕或手部。


对于高精度机器人减速器,日本有绝对的领先优势。目前,全球机器人行业75%的精密减速器被日本的Nabtesco和Harmonic Drive垄断,国际主流机器人厂商的减速器由上述两家公司提供。

伺服电机是控制伺服系统中机械元件运行的发动机,是补充电机的间接变速装置。它将电压信号转换成转矩和速度来驱动被控对象,可以使控制速度和位置精度非常精确。它是工业机器人的动力系统,是机器人运动的“心脏”。

国外品牌约占中国交流伺服市场的80%。其中,日本产品占据主导地位,市场份额约为50%,其知名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士(其中,前三名为松下、三菱电机、安川,总份额约为45%),而以西门子、博世、施耐德为代表的欧洲品牌占据国内伺服电机高端市场,整体市场份额约为30%,而国内企业整体份额不足10%。

高精度编码器是伺服电机的核心技术之一,尤其是目前严重依赖进口的工业机器人用多圈绝对值编码器。高精度编码器国产化失败是制约我国高档伺服系统发展的重要瓶颈之一。

此外,国内伺服系统基础研究欠缺,包括绝对值编码器技术、高端电机的工业制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实际验证和考核标准的制定等。这些都需要国内机器人行业的核心零部件企业来完善。

 

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