京津冀工业机器人及其自动化系统应用与发展调研报告
京津冀工业机器人及其自动化系统应用与发展调研报告
一、调研背景
2015年《京津冀协同发展规划纲要》出台以来，京津冀三省市明确了各自的发展定位—北京“全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心”，天津“全国先进制造研发基地、北方国际航运核心区、金融创新运营示范区、改革开放先行区”，河北“全国现代商贸物流重要基地、产业转型升级试验区、新型城镇化与城乡统筹示范区、京津冀生态环境支撑区”。
美国、日本、德国等国纷纷推出与发展新一代机器人相关的新战略，希望借助机器人自主化、信息化、网络化技术推进再工业化和产业数据化，提高国际竞争力。《中国制造2025》指出，推进制造过程智能化。在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。在“关键岗位机器人替代”大潮下，2013年中国市场共销售的工业机器人3.65万台，约占全球销量的1/5，首次超过日本成为全球第一大工业机器人市场；2014年中国市场共销售的工业机器人5.6万台，约占到全球总销量的1/4（如图1所示）。机器人已成为快速发展的新兴产业，目前全国范围内机器人产业园（含在建和规划中的）共40个，其中长三角、珠三角及京津冀地区，是机器人产业园集聚之地。
二、调研情况
调研组在2015年7月至9月期间，对京津冀地区机器人应用和发展情况开展了调研，情况如下。
（一）北京打造智能机器人领域技术创新高地
2015年，北京市科委下发《关于促进北京市智能机器人科技创新与成果转化工作的意见》（以下简称《意见》），目标是：到2020年，掌握一批国际前沿核心技术和制造工艺，研制一批关键零部件，形成完善的智能机器人技术创新体系，支撑北京智能机器人产业协同创新发展。关键技术取得突破，重点攻克机器人结构设计、操作系统、人工智能、核心零部件、机器人本体、安全与可靠性等关键技术，智能机器人成套技术装备及自动化生产线系统集成水平得到大幅度提高。
2015年亦庄已成立“智造2025产业联盟”和“智造2025产业基金”，为智能制造产业搭建了资源平台。其中，大族企业湾已认定为工业4.0特色产业园，以承接亦庄机器人产业创新基地的运营工作。2015年入驻大族企业湾的哈尔滨工大机器人有限公司，主要从事机器人自动化装备、自动化立体仓库及仓储物流设备、机械电子设备制造安装及技术服务等。安川首钢机器人有限公司，自1996年落户亦庄以来，依托安川电机全球领先的机器人技术优势和自身强大的系统集成能力，每年生产上千台套机器人及其配套的自动化生产线，广泛应用于弧焊、点焊、涂胶、切割、搬运、码垛、喷漆等领域。北人集团积极探索从印机制造向智能制造转型升级，合资设立了北京北人合心机器人系统有限公司，积极推进“亦创智能机器人创新园”建设，成为人工智能产业聚集地。
（二）天津机器人助推先进制造
天津推出了“高端装备产业发展三年行动计划”，将重点发展工业机器人、服务机器人、特种机器人以及机器人零部件、机器人用先进材料与加工技术等。位于武清区的天津机器人产业园区坚持以机器人产业为主导产业，全面推进产业集聚、产业链整合以及产业之间联动共融发展，规划出1平方公里的土地以及11万平方米科技产业化中心和1.2万平方米孵化器，加速机器人产业发展壮大。已经引进鼎奇主轴、辰星自动化、纳恩博科技、天瑞博科技等多个国家863机器人科技成果转换项目。其中，鼎奇（天津）主轴科技有限公司2012年成立，从事数控机床高端主轴再制造与生产，为汽车、电气、工程机械等制造行业企业提供主轴服务。辰星(天津)自动化设备公司2013年成立，从事并联机器人研发和生产，主要研发重载码垛系列机器人、2-4自由度高速搬运系列机器人和5自由度高刚度混联机器人作业单元及其配套的工作站/生产线，为北京鸟巢和上海世博园等大型建筑工程提供服务。纳恩博科技有限公司2013年成立，创新短途交通机器人领域的生产基地及研发基地，生产自平衡车。天津天瑞博科技有限公司开展智能机器人关键技术研究与应用、智能型康复辅具研究与开发，服务面向教育机器人、智能轮椅和AGV等系统中。天津将正式设立机器人重大科技专项，大力推动机器人研发和产业发展，形成核心零部件、测控技术、执行机构和集成技术全产业链。
（三）河北机器人促进产业转型升级
1.唐山机器人创新型产业集群
位于唐山高新区的唐山机器人创新型产业集群是河北省6个产业集群试点之一，生产的焊接机器人在国内市场占有率超过30%，矿用抢险机器人已率先实现了量产，产业规模已达到20亿元，主要技术指标国内领先，建成富有特色的机器人产业基地—集机器人产业研究院、自动化研究所、机器人视觉跟踪、机器人系统、机器人生产线和机器人本体研发、生产、销售、技术服务为一体，主要应用于矿用抢险探测、钢材打捆、水泥包装、矿用巡检等工业生产和服务领域。其中唐山开元机器人系统有限公司2008年成立，主要从事中厚板机器人自动化焊接装备的系统集成和系统维护，生产机器人焊接系统、智能化柔性焊接生产线、数字化焊接车间、工程机械变位机、MICROBO便携式全自动焊接机器人等。
2.沧州中国国际机器人产业园
沧州中国国际机器人产业园2015年在沧州高新区开工建设，总投资26亿元，占地550亩，规划建设科研孵化区、产业服务区、装备制造区、展览展示区、机器人大厦等，立足机器人产业化和示范应用两个环节，聚焦工业机器人、服务机器人领域，壮大发展机器人本体研发制造。
3.香河机器人产业园
香河机器人产业园定位不是一个机器人企业的大聚合，而是一个能形成完善产业生态链的产业集群。到2015年底，入园企业投资将达4亿元，包括医疗服务机器人、建筑安装机器人、无人机机器人等项目，涉及机器人产业链中的控制系统、伺服电机、减速器、系统集成及示范应用等多个领域。
三、调研分析
（一）国产机器人市场份额小
如图2所示，以2012 年中国工业机器人市场销量为例，国外机器人ABB、KUKA、YASKAWA、FUNAC四大巨头共占53%，OTC、松下和川崎重工共占17%。国产机器人市场占有率仅13%，普遍存在规模小和创新能力弱等问题。
目前，在中国汽车制造业中，国外机器人与大企业紧密绑定在一起。例如，大众只用KUKA的，经常一个新工厂购买1000-2000台KUKA机器人；通用主要用FUNAC的，欧系汽车品牌也更多考虑ABB；长城用YASKAWA的MOTOMAN；江淮汽车用ABB的。从应用看，机器人在焊接、喷涂、搬运、码垛、装配五大领域占比84%。焊接主要使用FUNAC机器人，喷涂主要使用川崎机器人，搬运主要使用KUKA机器人，码垛主要使用ABB机器人，装配主要使用YASKAWA的MOTOMAN机器人。国产机器人企业竞争不过国外机器人企业。例如，国产焊接机器人大多服务于汽车零部件市场，小到门锁和离合器，大到电动机和发动机，在自动化生产线上批量工作的机会很少。
（二）核心零部件依赖进口
从机器人产业链来看，上游是核心零部件，中间是机器人本体，下游是系统集成。精密减速机、交流伺服电机及控制器是机器人最核心的零部件。核心技术主要集中在零部件，技术难度从高到低排序是减速机>伺服电机>控制器。目前全球机器人行业，75%的精密减速机被日本的Nabtesco和Harmonic Drive两家垄断（业界俗称RV减速机和谐波减速机），其中Nabtesco在工业机器人关节领域拥有60%的市场占有率；而RV 减速机国内尚未有成熟产品，谐波减速机国内虽然有苏州绿的、中技克美等厂家生产，但在输入转速、传动精度等方面仍与进口产品有较大差距。交流伺服电机及控制器基本被日本、德国、美国垄断，代表企业有日本的安川、松下，德国的西门子和美国的PMAC，汇川、埃斯顿等国内运动控制厂商尚处于小批量试用阶段。如图3所示，核心零部件占总成本的 70-80%。目前核心零部件国内的发展现状是控制器研究好于伺服电机、伺服电机好于减速机。由于精度和可靠性等指标与进口产品比还存在较大距离，国产机器人生产厂商很少使用国产的核心零部件，而主要依赖进口，采购价大大高于国外同行，不具备价格优势。因此，解决零部件国产化问题是当务之急。
（三）自动化系统集成是突破口
机器人要工作，必须依靠自动化系统集成。在机器人工作的生产线中，机器人本体只占总造价的20%到25%左右，其余为与它配套的自动化系统和末端执行装置等。欧美和日本等一些国外机器人企业，在中国不直接提供机器人自动化系统集成，而是将机器人单机交给系统集成商，由系统集成商根据实际需求对终端用户负责。中国机器人发展的突破口在机器人自动化系统集成领域。预计2017年，机器人产业链的上游核心零部件市场容量为100亿元—伺服电机及驱动市场容量52亿元、控制器市场容量8.8亿元、减速机市场容量46亿元；产业链中游，机器人本体市场容量195亿元；产业链下游，系统集成市场容量612亿元。
（四）人才缺乏制约机器人发展
过去机器人主要用于汽车与电子制造行业，目前已经开始应用在毛坯制造（冲压、铸造、锻造）、机械加工、抛光打磨、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及自动化物流仓储作业等过程中。机器人将作为一种标准自动化设备得到广泛应用。目前国内直接从事机器人业务的企业接近400家，间接从事机器人业务的企业约4000家。对机器人及自动化生产线的设计、集成、安装、维护、使用操作等研发工程师和现场工程师需求情况如图4所示。未来8年内机器人相关行业需要从业者200万人左右，而从事机器人相关的研究院所300余家，研发人员仅约15000人，行业工程师仅约20000人。机器人研发和应用人才缺口巨大，已成为制约我国机器人行业发展的重大问题。
（五）京津冀机器人发展各自为政
通过调研不难看出，由于历史原因，京津冀地区机器人发展方面各自为政现象严重，具体表现有几方面：其一，京津冀三地都把机器人作为产业升级转型的重要抓手，地方政府都把机器人产业作为科技创新和经济发展的平台。其二，京津冀三地各地区机器人发展定位雷同，产业“复制”痕迹明显，政策引导和大小机器人产业园建设规划功能类似、结构相同、技术路线差不多、缺乏差异性和错位发展。其三，园区建设规划产能和产值预计虚高，没有客观分析所在区域的优势、劣势和实际需求。
四、建议
（一）跟进机器人未来发展
KUKA首席创新官贝恩德•利珀特在2015年德国汉堡举行的“国际智能机器人和系统会议”上演讲：“机器人技术将改变世界，它将在未来50年内释放出至少与信息技术与互联网相当的颠覆性、变革性的能量。”机器人发展进入了全新阶段—从关在安全笼中完成作业，到能摆脱防护，安全地与人类近距离“共事”，再到具备自主认知环境、相互交流的能力，在车间自如行走，完成多样化的复杂工作，工业机器人正使智能制造从愿景成为现实。今后像开车一样，操纵和指导机器人可能成为人类学习和生活的一项必需技能。同时也要考虑和应对机器人技术进步产生的新问题—数据安全、法律责任和身心健康。
（二）加强顶层设计与协同创新
京津冀在机器人产业发展方面需加强顶层设计与协同创新。要破解彼此各自为政和突围国外机器人对国产机器人的遏制，就需要成立京津冀机器人发展领导小组，发挥专家咨询委员会支撑作用，制定京津冀机器人发展技术路线，出台京津冀机器人产业发展规划，科学引导地方机器人产业发展。例如，可以机器人新型产业链上游、中游和下游分段分工，北京攻关机器人核心零部件的研发、创新加工工艺和开发大数据总控平台，天津致力于零部件智能制造和工业自动化系统集成方案设计，河北做好系统集成和配套设备开发。或者是北京研发、天津产业转化和河北深度使用。这样构建协同创新机器人产业生态体系，促进京津冀机器人企业差异化发展。同时，对从事机器人研发和产业化的企业给予政策扶持和倾斜，例如设立产业发展创新基金、税收优惠试点、大力支持国产机器人品牌推广应用。
（三）成立技术联盟共同攻克难题
目前中国机器人领域的难题主要有：一是减速器、伺服电机与驱动器等核心零部件无法与国外同类产品竞争。二是灵巧操作、感知与智能核心单元，传感器、实用化智能软件与国外产品差距显著。三是系统集成设计技术，与行业紧密配合的仿真环境试验数据积累不够，缺乏共性技术数据平台，应用工艺与集成设计、作业与操作工具、系统集成设计软件等较为落后。这样，京津冀必须集中三地优势，共同开展以应用为牵引的关键技术攻关、功能部件及成套装备研发，搭建科技创新公共服务平台，推动科技成果转化，优化创新布局以推动机器人创新集群式发展。
（四）组建专业联盟加快机器人人才培养
为满足机器人产业快速发展，京津冀在人才培养方面需要打破现有格局，协同谋划和重拳出击组建专业联盟，以新常态思路深化三地政府、学校、企业、行业和研究院所的多方融合和校校合作办学建专业。以机器人的“研”、“造”、“用”、“修”作为多样化人才培养的载体，自主对接机器人产业链的上游、中游和下游分段分工。建议清华大学和天津大学等组建研究型专业联盟在机器人创意、仿真、设计和优化等方面做优，北京航空航天大学、北京理工大学和河北大学等组建设计型专业联盟在机器人开发、工艺、制造、管理和销售等方面做强，北京电子科技职业学院和天津中德职业技术学院等组建应用型专业联盟在机器人安装、调试、集成、应用、维护和维修等方面做实。
本文摘编于《中国职业技术教育》杂志2015年第32期，转载请注明出处。
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