工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢（ABB為例）

發(fā)展歷程：工業(yè)機(jī)器人走向智能化/通用化發(fā)展

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段： 技術(shù)萌芽階段（20 世紀(jì) 50-60 年代，第一代工業(yè)機(jī)器人）：第二次世界大戰(zhàn)期間工業(yè)機(jī)器 人的雛形始成，其最初是出于軍事、核工業(yè)的發(fā)展需要，用來滿足代替人類進(jìn)行放射性物 質(zhì)處理的遙控機(jī)械手。此后，美國發(fā)明家喬治·德沃爾最早提出工業(yè)機(jī)器人的概念并于 1954 年申請“可編輯關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物料裝置”的專利。1958 年，世界上第一家機(jī)器人公司 Unimation 成立，并于 1959 年利用喬治·德沃爾的專利推出了世界上第一臺(tái)真正意義上的工業(yè)機(jī)器人 Unimate，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。在此期間主要為第一代工業(yè)機(jī)器人，即沒有自主決 策能力和環(huán)境感知能力的示教再現(xiàn)型機(jī)器人。

產(chǎn)業(yè)崛起階段（20 世紀(jì)末期，第二代工業(yè)機(jī)器人）：1968 年起，Unimation 先后將機(jī)器人 制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓給日本川崎、英國 GKN 公司，工業(yè)機(jī)器人業(yè)務(wù)擴(kuò)張到日本和歐洲，開始走向 產(chǎn)業(yè)化和全球化。1969 年，ASEA 公司研制出全球首臺(tái)噴涂機(jī)器人，川崎成功推出了日本 第一臺(tái)液壓動(dòng)力機(jī)器人“川崎 Unimate 2000”。此后，更多公司入局工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，形 成了以 ABB、庫卡為代表的歐洲機(jī)器人企業(yè)以及以川崎、發(fā)那科、安川為代表的日本機(jī)器 人企業(yè)格局，機(jī)器人市場穩(wěn)步增長。在此期間，工業(yè)機(jī)器人從第一代發(fā)展到第二代，能夠 感知外界信息并進(jìn)行簡單的處理和反饋。

產(chǎn)業(yè)升級階段（21 世紀(jì)初期，第三代工業(yè)機(jī)器人）：隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人 不斷拓展應(yīng)用場景、發(fā)展核心技術(shù)。1）從應(yīng)用場景來看，工業(yè)機(jī)器人能達(dá)到更快速度、更 高精準(zhǔn)度，以及更大范圍的大小型號和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)在大型工件搬運(yùn)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸、食品 飲料、生物制藥、汽車制造等更加廣泛和智能的場景應(yīng)用。2）從技術(shù)發(fā)展來看，工業(yè)機(jī)器 人核心技術(shù)得到快速發(fā)展。2002 年美國波士頓公司和日本公司共同申請了第一臺(tái)“機(jī)械狗” 智能軍用機(jī)器人專利；2004 年安川和 ABB 均開發(fā)了可以同步控制多臺(tái)機(jī)器人的控制器； 2006 年意大利柯馬公司推出了第一款無線示教器；2015 年 ABB 推出世界上第一臺(tái)真正意 義上的協(xié)作機(jī)器人 YuMi。在此期間工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入第三代，具備智能化特點(diǎn)，可以利用各 種傳感器、測量器獲取信息并利用智能技術(shù)進(jìn)行識(shí)別、理解和反饋。

工業(yè)機(jī)器人四大家族憑借在原有業(yè)務(wù)的領(lǐng)先優(yōu)勢和對機(jī)器人技術(shù)的高度掌握占據(jù)高位。以 ABB 的發(fā)展歷程為例，公司成立于 1988 年，是由具有百年歷史的兩家著名電氣公司—— 電氣照明和發(fā)電機(jī)制造商 ASEA 和高壓電氣傳輸公司 BBC 合并而來，此后 ABB 成為了電 氣和自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，提供全面且日益數(shù)字化的電氣化、運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化解決方案。 在此基礎(chǔ)之上，ABB 對業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，延續(xù)其前身 ASEA 公司在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng) 先布局，開始快速發(fā)展機(jī)器人業(yè)務(wù)，自 1974 年推出世界上第一臺(tái)微電腦控制的機(jī)器人以來， ABB 不斷取得突破性創(chuàng)新，不斷完善工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)鏈上的產(chǎn)品布局，并通過技術(shù)創(chuàng)新 提升性能。

市場現(xiàn)狀：“四大家族”占據(jù)的穩(wěn)增長市場

工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模穩(wěn)步增長，全球新增裝機(jī)量快速增長。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2021 年全球新 增工業(yè)機(jī)器人安裝量為 51.7 萬臺(tái)，同比增長 31.2%，2012-2021 年復(fù)合增長率為 12.0%。 根據(jù) Inkwood Research 數(shù)據(jù)，未來全球工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模將保持穩(wěn)定增長，從 2020 年 的 553.7 億美元增長至 2028 年的 1653.5 億美元，2021-2028 年復(fù)合增長率為 14.7%。

工業(yè)機(jī)器人市場集中度較高，以機(jī)器人“四大家族”為主。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2020 年全球工 業(yè)機(jī)器人市場中，發(fā)那科、ABB、安川、庫卡四家占比超過 65%，其中發(fā)那科排名第一占 比 17.3%，ABB 第二占比 15.7%，安川和庫卡分別占比 12.9%和 12.1%?！八拇蠹易濉钡?主要業(yè)務(wù)和在機(jī)器人領(lǐng)域的核心技術(shù)各不相同，安川和庫卡以機(jī)器人業(yè)務(wù)為核心，而發(fā)那 科和 ABB 則分別起家于工廠自動(dòng)化設(shè)備和電力業(yè)務(wù)。其中 ABB 的業(yè)務(wù)以電氣、運(yùn)動(dòng)控制、 過程自動(dòng)化、機(jī)器人與離散自動(dòng)化為核心的，2022 年電氣業(yè)務(wù)營收占比 47.9%，機(jī)器人與 自動(dòng)化業(yè)務(wù)占比 10.8%。

驅(qū)動(dòng)力：人口供給收縮和下游需求釋放驅(qū)動(dòng)行業(yè)增長

人口老齡化導(dǎo)致人力成本上升，機(jī)器替人為大勢所趨。世界各國的生育率已連續(xù)多年下降， 據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局，2021 年中國 15-64 歲人口占比已降至 68.3%。企業(yè)用人成本不斷攀升，根 據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2022 年中國制造業(yè)就業(yè)人員人均工資已達(dá) 86933 元，同比增長 5.2%， 高于 GDP 增速。勞動(dòng)力成本上升的長期趨勢將成為工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。

新能源汽車的爆發(fā)為工業(yè)機(jī)器人帶來需求釋放。由于新能源汽車的帶動(dòng)，汽車行業(yè)進(jìn)入下 一輪擴(kuò)張周期，工業(yè)機(jī)器人將持續(xù)受益。以中國為例，據(jù)同花順數(shù)據(jù)，從 2021 年起新能源 汽車銷量進(jìn)入爆發(fā)式增長階段，2023 年 6 月銷量超過 80 萬輛。 半導(dǎo)體、光伏、鋰電等行業(yè)也有望帶來大量工業(yè)機(jī)器人需求。汽車與 3C 電子是工業(yè)機(jī)器人 需求量最大的兩個(gè)行業(yè)，如今 3C 電子需求相對疲軟，大部分企業(yè)開始積極探索汽車和 3C 之外的業(yè)績增長點(diǎn)，如半導(dǎo)體、光伏、鋰電等。2022 年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá) 5735 億美 元，隨著 AI 帶動(dòng)算力芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝等產(chǎn)業(yè)需求，半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn)有望帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 建設(shè)需求。

IT 架構(gòu)是智能化核心，軟件重要性有望逐步提升

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈：可分為上游核心零部件、中游機(jī)器人本體及軟件以及下游系統(tǒng)集成及 應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。上游核心零部件包括傳感器、控制器、減速器、伺服系統(tǒng)，傳感器主要分 為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，伺服系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩個(gè)部件；中游包 括機(jī)器人本體制造及配套軟件產(chǎn)品；下游包括系統(tǒng)集成及應(yīng)用，系統(tǒng)集成即將各種機(jī)器人、 傳感器、控制器、軟件等組合以形成一個(gè)完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用覆蓋廣泛， 其中主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槠囍圃?、電子電氣、食品制造、金屬加工及制藥行業(yè)等。

上游核心零部件為工業(yè)機(jī)器人主要成本來源，盈利能力強(qiáng)勁。從成本來看，2020 年工業(yè)機(jī) 器人 60%的成本由上游核心零部件構(gòu)成，其中減速器、伺服系統(tǒng)、控制器分別占比 35%、 25%、10%，機(jī)器人本體僅占比 15%。從毛利率來看，盈利能力較強(qiáng)的環(huán)節(jié)主要集中在上 游核心零部件，2020 年減速器、伺服系統(tǒng)、控制器的毛利率分別約為 40%、35%和 25%， 中游本體制造毛利率較低僅 15%，下游系統(tǒng)集成毛利率較高為 35%。

以 ABB 為例，按照具體功能結(jié)構(gòu)，我們可以將工業(yè)機(jī)器人核心部件歸納為：感知層、執(zhí)行 層、決策層。具體來看：

感知層：工業(yè)機(jī)器人的信息最初來源

傳感器是機(jī)器人的“感知器官”，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境交互及精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的信息來源。傳感器 用來感應(yīng)和采集各種信息，并按照一定規(guī)律將被測量的信息轉(zhuǎn)化成便于傳輸和處理的有用 信號。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中直接感應(yīng)被測 量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指傳感器能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和處理的電信號部分。 傳感器一般分為內(nèi)部和外部傳感器，內(nèi)部傳感器主要測量機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)狀態(tài)，如溫度、 轉(zhuǎn)速、電壓等；外部傳感器主要測量外界環(huán)境的信息，包括位置傳感器、速度傳感器、力 傳感器、視覺傳感器等。

機(jī)器人傳感器市場規(guī)模穩(wěn)步增長，市場集中度較低。根據(jù) Mordor Intelligence 預(yù)測，全球 機(jī)器人傳感器市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從 2023 年的 6.16 億美元升至 2028 年的 9.24 億美元， 2024-2028 年 CAGR 為 8.4%。機(jī)器人傳感器市場主要參與者來自全球不同國家的眾多企 業(yè)，包括瑞士寶盟集團(tuán)、泰科電子；美國 ATI、Tekscan、Futek、森薩塔、霍尼韋爾；日本 發(fā)那科、TDK、歐姆龍集團(tuán)等。

力傳感器是工業(yè)機(jī)器人的重要傳感器，ABB 集成力控技術(shù)是力傳感器主要技術(shù)之一。工業(yè) 機(jī)器人大多為機(jī)械臂形態(tài)，由機(jī)器人的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件組成，力傳感器可以對機(jī)械臂 上的力度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行反饋。隨著機(jī)器人向智能化發(fā)展，對與外界交互的柔順控制 需求更高，對力控技術(shù)提出了更高的要求。為了提高傳感器的靈活度和精度，2014 年 ABB 成功開發(fā)了集成力控技術(shù)，基于此技術(shù)，ABB 提供 3 種集成式力控傳感器，兼容其 IRB 140 到 IRB 6700 的大部分工業(yè)機(jī)器人。配備該技術(shù)的機(jī)器人能根據(jù)外部實(shí)時(shí)回饋信號應(yīng)對制造 過程中的細(xì)微變化，像人類一樣拿捏易碎物品或執(zhí)行精密作業(yè)，編程時(shí)間也可縮短。

執(zhí)行層：決定工業(yè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度

機(jī)器人的“肌肉”——伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是機(jī)器人的“肌肉”，是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程。伺 服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伺服編碼器及配套軟件組成。伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，其 作用是將控制信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺 服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。伺服電機(jī)是控制機(jī)械元件進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng) 機(jī)，接收到伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號后，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。伺服編碼器一般安裝在伺服電機(jī)末端，用于測量轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，是伺 服系統(tǒng)的信號反饋裝置，對伺服系統(tǒng)的精度有著關(guān)節(jié)作用。

ABB 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)產(chǎn)品性能優(yōu)越，覆蓋電壓及功率范圍較大。ABB 的伺服驅(qū)動(dòng)器 能滿足大部分電壓范圍應(yīng)用場合，定位精度較高。MicroFlex e190 和 MotiFlex e180 高度 集成了以太網(wǎng)的靈活連接和電機(jī)反饋技術(shù)，并針對要求苛刻的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。ABB 伺 服電機(jī)也同樣擁有完整的產(chǎn)品系列，功率覆蓋范圍滿足大部分應(yīng)用場合，高轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)矩 滿足能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)及精準(zhǔn)控制。

ABB 為其伺服產(chǎn)品提供了專門的選型和調(diào)試工具。Servosize 是針對 ABB 伺服產(chǎn)品的選型 工具，支持的產(chǎn)品有 MotiFlexe180、MicroFlexe190 和 E530 伺服驅(qū)動(dòng)器以及 eSM、DSM 和 HDS 伺服電機(jī)。MintWorkbench、ServoComposer 和 AutomationBuilder 是針對 ABB 產(chǎn)品的編程和調(diào)試工具。MintWorkbench 可用于 MotiFlexe180 和 MicroFlexe190 伺服驅(qū)動(dòng) 器的編程和調(diào)試，ServoComposer 可用于 E530 伺服驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試，而 AutomationBuilder 則可用于運(yùn)動(dòng)控制 PLC 的編程和調(diào)試。

機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”——減速器

減速器機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，是連接伺服電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間裝置。減速器通過齒輪嚙合將 伺服電機(jī)高轉(zhuǎn)速的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，起到匹配轉(zhuǎn) 速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。減速器的輸出轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)精度、輸出轉(zhuǎn)矩等決定了對應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn) 動(dòng)速度、定位精度和承載能力。一般來說，工業(yè)機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)都需要搭配一個(gè)減速 器，工業(yè)機(jī)器人大多為六軸，故一般一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人需要六個(gè)減速器。減速器可以分為諧 波減速器和 RV 減速器，諧波減速器使用簡單、精度較高，但結(jié)構(gòu)剛性不及 RV 減速器，日 本哈莫納科為全球最大諧波減速器生產(chǎn)商；RV 減速器結(jié)構(gòu)剛性較好、輸出轉(zhuǎn)矩大，但其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、制造成本高、傳動(dòng)精度略低，日本納博特斯克為全球最大 RV 減速器生產(chǎn) 商。

工業(yè)機(jī)器人企業(yè)減速器自產(chǎn)程度較低，大多采取外購。減速器市場集中程度較高，據(jù)哈工 大 2021 年發(fā)布的《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，日本哈默納科、納博特斯克和住友占據(jù)了 85%的份額，其中納博特斯克是 RV 減速器的發(fā)明者，占據(jù)全球工業(yè)機(jī)器人減速器市場的 60%，并在以及數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀（ATC）裝置的 RV 減速器市場占比 80%，工業(yè)機(jī)器人 四大家族減速器自產(chǎn)能力較弱，均外購納博特斯克的減速器。日本哈默納科是全球最早研 發(fā)生產(chǎn)諧波減速器的企業(yè)，減速器市場占比第二位 15%。

決策層：決定工業(yè)機(jī)器人性能的關(guān)鍵

控制器在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中承擔(dān)“小腦”的作用，是決定機(jī)器人性能的主要因素?？刂破鹘邮?傳感信息并據(jù)此生成對應(yīng)的控制指令，控制機(jī)器人完成動(dòng)作任務(wù)?？刂破靼?a target="_blank">硬件和軟件 兩部分，硬件為控制計(jì)算機(jī)和示教器，其中示教器是進(jìn)行機(jī)器人手動(dòng)操縱及配置與編程的 手持裝置；軟件主要為以控制算法為核心的運(yùn)用軟件和系統(tǒng)?？刂破鞯?a href="http://ttokpm.com/v/tag/773/" target="_blank">工作原理是將檢測 單元的輸入信號與設(shè)定值信號進(jìn)行比較，并對偏差信號進(jìn)行運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果輸出到 執(zhí)行器，又執(zhí)行器改變操縱變量再輸出到被控對象。

以 ABB 為例，OmniCore 工業(yè)機(jī)器人控制器為工業(yè)機(jī)器人提供強(qiáng)勁性能。其中 C 系列是 OmniCore 家族的緊湊型控制器，不僅在尺寸上大大減小，而且具備靈活的集成能力；E 系列是超緊湊控制器，旨在滿足客戶運(yùn)行緊湊電子產(chǎn)品裝配線的需要；V 系列（特韌型）是 模塊化 OmniCore 控制器系列中的中型控制器，主要面向工業(yè)環(huán)境中的中型和大型機(jī)器人 進(jìn)行優(yōu)化，例如 MH/MT、弧焊。

ABB 的 IRC5 是機(jī)器人控制器技術(shù)的行業(yè)標(biāo)桿。ABB IRC5 控制器包含單柜型、雙柜型和 緊湊型，其中單柜型 IRC5 由控制器和 FlexPendant 示教器兩個(gè)硬件部分組成。使用者可以 在 FlexPendant 示教器或 FlexPendant 示教器上的 RobotStudio 上對機(jī)器人進(jìn)行編程。此 外，IRC5 采取靈活的模塊化分布設(shè)計(jì)。模塊化分布設(shè)計(jì)較集中式控制器更為靈活，IRC5 由控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成，可選增過程模塊，使得 IRC5 可以靈活控制一臺(tái)六軸機(jī)器人和 伺服驅(qū)動(dòng)工件定位器。其中，控制模塊自帶主計(jì)算機(jī)，能夠執(zhí)行高級控制算法，為多達(dá) 36 個(gè)伺服軸進(jìn)行復(fù)合路徑計(jì)算，并可指揮四個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊。此外，IRC5 還提供靈活性、安全性、 模塊化、應(yīng)用程序接口、多機(jī)器人控制和 PC 工具支持。

ABB 控制器由其優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)支持。QuickMove、TrueMove 和 MultiMove 是 ABB 的核心運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，它們對于機(jī)器人的精度、速度、周期時(shí)間、可編程性以及與外部設(shè) 備同步性等機(jī)器人性能指標(biāo)的提升起到了重要作用。TrueMove 保證了機(jī)器人的路徑精度， 能夠確保不論速度或運(yùn)行模式如何，甚至是在安全保護(hù)停止、進(jìn)程停止、程序停止或斷電 后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑也會(huì)遵循編程路徑；QuickMove 則能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制， 可以根據(jù)不同的工作任務(wù)自動(dòng)優(yōu)化軸的加速度和速度，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控 制，提高機(jī)器人的生產(chǎn)效率和精度，循環(huán)速度比競爭對手快 25%；MultiMove 的引入進(jìn)一 步鞏固了 ABB 在先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)和功能方面的領(lǐng)先地位，可以確保多達(dá) 4 臺(tái)機(jī)器人協(xié)同運(yùn) 行。

貝加萊控制系統(tǒng)為 ABB 機(jī)器人提供強(qiáng)大集成架構(gòu)。據(jù)公司官網(wǎng)，2017 年 4 月 ABB 宣布收 購貝加萊，貝加萊在工業(yè)軟件行業(yè)處于領(lǐng)先地位，是 PLC、工業(yè) PC 機(jī)、伺服系統(tǒng)控制的 真正領(lǐng)導(dǎo)者，其擁有完整的集成架構(gòu)。2019 年，ABB 和貝加萊聯(lián)合開發(fā)了一種將 ABB 機(jī) 器人集成到貝加萊機(jī)器控制系統(tǒng)中的解決方案。該方案簡化了機(jī)器人的編程，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái) 和機(jī)器人的并行工作、提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和傳感器的同步、實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的仿真模擬，使 開發(fā)更加便捷。

IT 架構(gòu)：軟件地位有望逐步提升

以 ABB 為例，工業(yè)機(jī)器人 IT 架構(gòu)是決策系統(tǒng)的底座。在工業(yè)機(jī)器人的決策系統(tǒng)中，我們 看到控制器起到了調(diào)度機(jī)器人行為、執(zhí)行復(fù)雜指令的重要作用。拆解決策系統(tǒng)來看，底層 的基礎(chǔ)控制硬件和控制軟件，是工業(yè)機(jī)器人 IT 架構(gòu)中的核心底座。

硬件：主控設(shè)備由 DSQC1000 主計(jì)算機(jī)等核心硬件構(gòu)成。單柜型 IRC5 搭載 DSQC1000 主計(jì)算機(jī)，是整個(gè)控制器的大腦，用來接收機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和外圍信號，并將信號發(fā)送到 各單元；軸計(jì)算機(jī)接收機(jī)器人軸串行測量板返回的位置數(shù)據(jù)，并與原來的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比 較和運(yùn)算輸出新的位置和速度控制參數(shù)；主伺服驅(qū)動(dòng)器用來驅(qū)動(dòng)分布在機(jī)器人 6 個(gè)軸上的 伺服電機(jī)；I/O 模塊用來連接外部信號，是用戶自定義的輸入、輸出信號板；安全面板用來 連接安全相關(guān)的信號，正常工作時(shí) LED 燈保持點(diǎn)亮。

軟件：一般由操作系統(tǒng)和算法庫構(gòu)成。操作系統(tǒng)主要包括 VxWor（嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)） 及使用較多的開源操作系統(tǒng) Windows CE、嵌入式 Linux、嵌入式 Linux、μC/OS-Ⅱ以及 通用 ROS 平臺(tái)。其中算法庫包括底層算法庫和應(yīng)用工藝算法庫，底層算法庫是直接在計(jì)算 機(jī)操作系統(tǒng)上開發(fā)出的算法，控制算法用來規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位，動(dòng)力學(xué)算法用來識(shí)別 機(jī)身負(fù)載物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；應(yīng)用工藝算法庫是軟件使用人員二次開發(fā)的算法。RobotWare 是 ABB 嵌入式工業(yè)機(jī)器人控制器專用軟件系列，用于控制 ABB 公司生產(chǎn)的各種工業(yè)機(jī)器人。 所含選購插件可為機(jī)器人用戶提供一系列豐富系統(tǒng)功能，如多任務(wù)并行、對機(jī)器人傳輸文 件信息、外部系統(tǒng)通信、先進(jìn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)等。

ABB 還提供各種針對不同應(yīng)用場景下不同功能的軟件包。包括噴涂軟件包、上下料軟件包、 拾料軟件包、機(jī)加工軟件包、切割軟件包、碼垛軟件包、PickMaster 揀選包裝軟件包等。 為焊接、切割、拾料、碼垛等專門環(huán)節(jié)提供了定制化的軟件服務(wù)，提高特定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工 作效率。

此外，工業(yè)機(jī)器人的編程方法一般包括示教編程和虛擬仿真編程。示教編程需要由操作者 對機(jī)器人進(jìn)行逐步的作業(yè)引導(dǎo)，通過示教器操作告知機(jī)器人需要完成的動(dòng)作，示教操作完 成后即生成程序，機(jī)器人即可按照生成的程序復(fù)現(xiàn)全部示教動(dòng)作，適用于自動(dòng)生產(chǎn)線等重 復(fù)作業(yè)機(jī)器人。虛擬仿真編程是通過編程軟件實(shí)現(xiàn)編程和仿真兩個(gè)功能，不僅可以編寫程 序，還可以對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真以驗(yàn)證程序有效性。虛擬仿真編程需要配備機(jī)器人 廠家專門的編程軟件，例如 ABB 的 Robot Studio。 Robot Studio 是 ABB 機(jī)器人仿真和編程軟件，一方面提供可視化編程環(huán)境是機(jī)器人編程 更加靈活高效，另一方面強(qiáng)大的仿真功能可以幫助用戶進(jìn)行機(jī)器人應(yīng)用程序的開發(fā)和測試。 2023 年 1 月，ABB 通過云功能增強(qiáng)了其 RobotStudio 機(jī)器人編程和仿真軟件，新的 RobotStudio Cloud 使個(gè)人和團(tuán)隊(duì)能夠在任何設(shè)備上遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)協(xié)作進(jìn)行機(jī)器人單元設(shè)計(jì)。

IT 架構(gòu)：軟件地位有望逐步提升。我們認(rèn)為，隨著工業(yè)機(jī)器人向智能化發(fā)展，已經(jīng)逐步進(jìn) 入軟件定義階段，機(jī)器人不再是一個(gè)機(jī)械制造品（迭代慢/軟硬高度耦合），而逐步演化為 IT 產(chǎn)品（迭代快速/軟硬解耦）。不論是操作系統(tǒng)、算法庫、還是編程開發(fā)軟件，在機(jī)器人迭代 過程中，正扮演著越來越重要的角色，軟件算法的差異將對機(jī)器人最終能夠?qū)崿F(xiàn)的智能化 水平產(chǎn)生重要影響?；诖?，我們看好機(jī)器人產(chǎn)業(yè)變革下，IT 軟件發(fā)展機(jī)遇，軟件地位有 望逐步提升。

AI 賦能有望助力產(chǎn)業(yè)變革加速到來

產(chǎn)業(yè)趨勢：工業(yè)機(jī)器人正在向具身智能演進(jìn)

ChatGPT 將人類從機(jī)器人流程中的 in-the-loop 變?yōu)?on-the-loop。目前，機(jī)器人 pipeline （流程）需要一個(gè)專門的工程師 in-the-loop 編寫代碼來改進(jìn)流程。而 ChatGPT 的引入，可 以替代人類在循環(huán)中的位置，人類（技術(shù)或非技術(shù)均可）用戶可以以 on-the-loop 的形式， 通過高級語言命令與語言模型交互，實(shí)現(xiàn)無縫部署各種平臺(tái)和任務(wù)。

人類用戶在機(jī)器人 pipeline 中評估 ChatGPT 輸出的質(zhì)量和安全性。人類在機(jī)器人 pipeline 中的任務(wù)主要包括：1）定義高級機(jī)器人函數(shù)庫。高級機(jī)器人函數(shù)庫（high-level robot function library）一方面面向機(jī)器人平臺(tái)，能夠調(diào)用和指導(dǎo)機(jī)器人相關(guān)動(dòng)作；另一方面面向 ChatGPT， 保證庫中函數(shù)的命名應(yīng)能便于 ChatGPT 理解和遵循。2）構(gòu)建 prompt。Pompt 描述任務(wù)目 標(biāo)，并標(biāo)識(shí)允許 ChatGPT 使用的高級函數(shù)庫中的函數(shù)。此外，還可以包括約束信息，或者 告知 ChatGPT 如何組織其響應(yīng)。3）分析評估 ChatGPT 輸出結(jié)果并反饋。用戶以 on-the-loop 的形式，通過直接分析或模擬來評估 ChatGPT 輸出的代碼，并就輸出代碼的質(zhì)量和安全性 向 ChatGPT 提供反饋。4）迭代。不斷迭代 chatgpt 生成的結(jié)果直到符合人類預(yù)期，并確 保最終的代碼可以部署到機(jī)器人上執(zhí)行。

簡單任務(wù)：ChatGPT 能夠以 zero-shot 的方式解決簡單的機(jī)器人任務(wù)。對于簡單的機(jī)器人 任務(wù)，用戶只需提供 prompt 和函數(shù)庫描述，不需要提供具體的代碼示例，ChatGPT 即可 zero-shot 解決時(shí)空推理、控制真實(shí)無人機(jī)和無人機(jī)工業(yè)檢測等問題。1）時(shí)空推理：要求 ChatGPT 控制一個(gè)平面機(jī)器人，用視覺伺服捕捉籃球位置。2）真實(shí)世界無人機(jī)飛行：使 用 ChatGPT 和 API 控制一個(gè)真實(shí)的無人機(jī)，完成物體尋找任務(wù)。3）AirSim 工業(yè)檢測：基 于 AirSim 模擬器，利用 ChatGPT 控制模擬域無人機(jī)進(jìn)行工業(yè)巡檢。

復(fù)雜任務(wù)：在人類用戶 on-the-loop 交互下，ChatGPT 能夠完成更復(fù)雜的機(jī)器人控制任務(wù)。 對于更復(fù)雜的問題，ChatGPT 沒法 zero-shot 完成或者完成效果有限，此時(shí)人類用戶可以 以文本反饋交互的方式輔助 ChatGPT，完成課程學(xué)習(xí)、AirSim 避障等任務(wù)。1）課程學(xué)習(xí)： 教授 ChatGPT 簡單的拾取和放置物體技能，并將所學(xué)會(huì)的技能按邏輯組合用于更復(fù)雜的區(qū) 塊排列任務(wù)。2）AirSim 避障：ChatGPT 構(gòu)建了避障算法的大部分關(guān)鍵模塊，但仍需要人 工反饋無人機(jī)朝向等部分信息。人工反饋均是高級的自然語言，但 ChatGPT 能夠理解并在 適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行代碼修正。

落地情況：ABB 等頭部廠商積極擁抱產(chǎn)業(yè)變化

工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域 AI 應(yīng)用還處于探索階段，賦能部分智能識(shí)別和智能編程環(huán)節(jié)。以 ABB 為 例，通過其人工智能機(jī)器人物品揀選器賦能電商物流領(lǐng)域。根據(jù) Statista 的數(shù)據(jù)，未來五年 內(nèi)全球電子商務(wù)收入預(yù)計(jì)將增長 50%以上，從 2019 年的 1.7 萬億歐元增至 2024 年的 2.6 萬億歐元。ABB 積極發(fā)掘人工智能機(jī)器人解決方案在物流、倉儲(chǔ)、包裹和郵件分揀等廣泛 應(yīng)用中的巨大機(jī)遇，據(jù)公司官網(wǎng)，2020 年 2 月公司和硅谷人工智能初創(chuàng)公司 Covariant 宣 布建立合作伙伴關(guān)系，將人工智能機(jī)器人解決方案推向市場。Covariant 的協(xié)變大腦是一種 通用人工智能，它允許機(jī)器人在周圍的世界中觀察、推理和行動(dòng)，完成對于傳統(tǒng)編程機(jī)器 人來說過于復(fù)雜和多樣化的任務(wù)。Covariant 的軟件使機(jī)器人能夠進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)：通過反復(fù) 試驗(yàn)自行適應(yīng)新任務(wù)，從而不斷擴(kuò)大它們可以挑選的物體范圍。ABB 和 Covariant AI 支 持解決方案在 Active Ants 首次部署，該公司是荷蘭電商服務(wù)領(lǐng)先提供商。

AI 和機(jī)器視覺提升賦予機(jī)器人人類靈巧性，提升揀選智能識(shí)別效率和揀選速度。據(jù)公司官 網(wǎng)，2023 年 4 月 25 日，ABB 通過推出基于人工智能和視覺可以在倉庫和履行中心的非結(jié) 構(gòu)化環(huán)境中準(zhǔn)確檢測和揀選物品，大大提高揀選速度和精準(zhǔn)度。使用機(jī)器視覺和人工智能， 物品拾取器可以在吸力夾具拾取物品并將其放入指定的箱子之前確定每個(gè)物品的最佳抓取 點(diǎn)。該系統(tǒng)不需要任何人工監(jiān)督或有關(guān)其挑選的物品的物理屬性的信息，能夠在動(dòng)態(tài)和非 結(jié)構(gòu)化環(huán)境中處理各種物品，并通過 ABB 視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度揀選，準(zhǔn)確度超過 99.5%， 每小時(shí)可拾取多達(dá) 1,400 個(gè)未分類的物品。該產(chǎn)品目前適用于各種負(fù)載和應(yīng)用，可安裝到 三種 ABB 機(jī)器人之一 - IRB1200、IRB 1300 和 IRB 2600。

ABB 與微軟合作，利用生成式 AI 賦能工業(yè)分析。據(jù)公司官網(wǎng)，2023 年 7 月 5 日，ABB 與 微軟合作將生成式 AI 功能整合到工業(yè)數(shù)字化解決方案中，本次合作旨在通過部署 Copilot 功能，使 ABB Ability Genix 工業(yè)分析和 AI 套件及其應(yīng)用可以進(jìn)行更直觀的用戶交互，進(jìn)一 步發(fā)揮關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的價(jià)值，從而提升效率和可持續(xù)發(fā)展性。ABB Ability Genix 是一個(gè)綜合性 的模塊化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、分析和 AI 平臺(tái)。ABB 將通過 Azure OpenAI 服務(wù)，包括 GPT-4 等大 型語言模型(LLM)將生成式 AI 整合到 Genix 平臺(tái)和應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)代碼、圖像和文本生成等 功能。新的 Genix Copilot 應(yīng)用將提供直觀的功能并簡化各個(gè)流程和運(yùn)營的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流來增 強(qiáng)用戶體驗(yàn)。通過為行業(yè)管理人員、職能專家和車間工程師提供實(shí)時(shí)的可執(zhí)行洞見，改善 決策質(zhì)量并提高生產(chǎn)力。據(jù) ABB，此類洞見有望將資產(chǎn)生命周期延長高達(dá) 20%，并將意外 停機(jī)時(shí)間減少多達(dá) 60%。

編輯：黃飛

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