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中國協作機器人將走向何方？

距離2008年丹麥優傲機器人公司研制出世界上第一臺輕量化、小型化、人機協作機的六關節協作機器人UR5至今，已經過去了12年的時間。當前，從為適應中小型企業需求而產生的概念性產品，協作機器人已經成功進化為戰略性產品，從世界上第一家專注協作機器人的企業優傲機器人公司誕生到如今，全球協作機器人廠商數量已經超過120家。通過數據，我們看出協作機器人行業似乎發展的不錯，然而，通過對比協作機器人行業國內外頭部公司的產品，我們卻可以發現：中國國內協作機器人行業的發展似乎沒有我們想象中那么樂觀。單單從國內外幾家協作機器人行業頭部公司的產品外形和參數我們就可以看出：協作機器人廠商產品同質化非常嚴重，大多數公司所“研發”的協作機器人仍然是以優傲所研發的產品為主要模仿對象，協作機器人研發初期敢于創新實驗的精神好像在試錯成本的壓迫下逐漸消失殆盡。 ▍一、協作機器人的起步與發展（國外）被大家所公認的協作機器人兩大鼻祖優傲和Rethink Robotics是較早開展協作機器人研制的公司。優傲于2008年推出全球首款協作機器人UR5，UR5由6個自由度的關節組成，自重18.4kg，有效負載為5kg，工作范圍800mm，是一款重復定位精度在±0.1mm的小型協作機器人。從外形來講，UR5更像是縮小版的工業機械臂，在縮小機械臂體積的同時其有效負載也同比下降，但相應的，其對人體的傷害也同比下降，達到了協助工人安全作業、減小機器人占地面積和降低機器人制作成本以滿足中小企業需求的目的，從這一點上來講，UR5無疑是成功的。與優傲推出的小型單機械臂式協作機器人不同，Rethink Robotics一開始的研究方向就是研發雙機械臂協作機器人，RethinkRobotics 2011年推出的主力產品Baxter由5部分組成包括：兩個7自由度、工作范圍為1m的機械臂，一張可以轉動、點頭的“臉”（置于基座上方的顯示屏），頭上的攝像頭，手腕上的攝像頭，頭頂的12個超聲波傳感器。最值得一提的是，平板式臉部和手腕處攝像頭的創新使Baxter擁有了更多與人相似的感知能力和反應能力，能更好地與人協作，不同于工業機械臂的特殊設計也讓人消除恐怯心理，更容易對其產生親切感。從外形和構思來講，Baxter可以說是協作機器人研發創新邁出的重要一步。 2012年，優傲推出了其二代協作機器人UR10，同樣由6個自由度的關節組成，自重28.9kg，有效負載已達到10kg，重復定位精度在±0.1mm。優傲接連商業上的成功，Rethink Robotics別具一格的外形設計和無需編程協作機器人（Cobot）的概念，引燃了協作機器人行業，也吸引了以“四大家族“為首的傳統工業機器人企業目光，一大批工業機器人企業開始嘗試涉足這一領域。 2013年，作為工業機器人四大家族之一的庫卡發布了其首款協作機器人LBR iwwa，相比UR10，LBR iwwa具備7個自由度，自重同UR5一樣控制在了30kg以下，在有效負載方面，則分了7kg和14kg兩個不同的量級，在自重和UR10相差不多的情況下有效負載有了4kg的提升，庫卡成為當時首家也是唯一一家提供10kg以上有效負載的輕型機器人制造商。與此同時，庫卡也還是第一個在協作機器人上加裝力覺傳感器的公司。 2014年，四大家族之一的發那科也發布了其第一個協作機器人系列CR系列，包括CR-35iA、CR-4iA、CR-7iA、CR-7iA/L幾個型號，這幾個型號均采用了6軸單臂機器人的設計，CR-35iA有效負載35kg，自重990kg，工作范圍1813mm，重復定位精度±0.03mm，從其外形和參數上看更像是其工業機器人的mini版，也更加適用于大型的包裝和碼垛。而CR-35iA的mini版CR-4iA、CR-7iA及CR-7iA／L無論是從外形還是從參數上，都更加接近當時大家對協作機器人安全、輕便概念的理解。R-4iA、CR-7iA及CR-7iA／L是以CR-35iA為基礎設計的，因此在外形上同樣采用了6軸單臂機器人的設計，他們的有效負載和自重比分別是4/48kg、7/53kg、7/55kg，重復定位精度均為±0.01mm。不得不說，雖然發那科發布的協作機器人在外形方面沒有太多突破，但其推出的新品協作機器人卻以一己之力拉高了協作機器人整個行業的重復定位精度標準。 2015年，已經在協作機器人領域摸爬滾打了一圈的協作機器人鼻祖優傲和RethinkRobotics陸續推出自家新品，剩余兩家四大家族ABB和安川也按耐不住開始涉足協作機器人領域，發布自己家的新品協作機器人。優傲推出其新品UR3，UR3和第一臺協作機器人UR5形式相同，只在尺寸和負載方面有些許差異。UR3的自重僅為11kg，然而其有效負載卻高達3公斤，工作范圍50cm，所有腕關節均可360°旋轉，而末關節可作無線旋轉，UR3機體小巧、靈活輕便，是第一款臺式協作機器人； Rethink Robotics在Baxter失敗后在2015年選擇向成本妥協，推出了其7軸單臂協作機器人Sawyer。較Baxter相比Sawyer體型更小，自重19公斤，具備7個自由度，有效負載4kg，工作范圍126cm；ABB則在2015推出了雙臂協作機器人Yumi，雙臂Yumi整體重量38kg，采用了雙臂14軸（單臂七軸）的設計，有效負載 0.5kg，工作范圍500mm，Yumi的出現可以說填補了當時輕量化協作機器人的市場空白；安川在2015年推出了其首款協作機器人MotoMINI-HC10和MotoMINI，兩個都是6個自由度關節的設計，MOTOMAN-HC10有效負載10kg，工作范圍1200mm，MotoMINI自重4.3kg，工作范圍246mm，有效負載0.5kg，重復定位精度在±0.02mm，是世界級的工業用小型6軸機器人；研發雙臂協作機器人的先行者Rethink Robotics在推出Baxter時，為節省成本對一系列硬件選擇的妥協最終導致了機械臂性能的弱化，使其在傳統小型化機械臂工業領域的競爭中以失敗告終，最終選擇向現實妥協發布單臂版協作機器人Sawyer。而ABB的雙臂機器人Yumi雖然在外形和技術上得到了良好的展現，但由于當時的ABB推行無人工廠，協作機器人與其無人工廠的理念相悖，因此雙臂Yumi基本處于閑置狀態并沒有得到很好的應用。也許是兩大公司的以身試“險”，讓后來者投鼠忌器，自2017年ABB推出其單臂協作機器人Yumi之后，大部分協作機器人廠商的研發都以單臂協作機器人為主，很少有廠商推出雙臂協作機器人。 2017年，最讓人耳目一新的是來自韓國的斗山機器人，在經過眾多業界優秀研發人員3年的研究后發布了其自主創新的新品協作機器人M0609、M0617、M1013和M1509，四個型號的協作機器人均有6個自由度，有效負載分別為6kg、6kg、10kg、15kg，工作范圍分別為900mm、1700mm、1300mm和900mm。這四型號的協作機器人每個軸上都安裝有高性能扭矩傳感器，以確保機器人的精度和靈活性，適用于組裝、檢驗、膠合、包裝等各種產業及工藝。值得一提的是，斗山機器人設計研發時主要考慮的是在制造領域的應用，但或許是由于設計的仿生化，斗山機器人出乎意料地在餐飲業、服務業也深受歡迎，許多炸雞、炒年糕的著名連鎖店在油炸等高溫環節引入機器人進行協作，家具、物流、消費品方面的需求也越來越多，其應用范圍在不斷擴大。協作機器人兩大鼻祖UR和Rethink Robotics以及工業機器人四大家族發布的協作機器人產品和研究方向為后期其他中小型協作機器人企業研究和生產協作機器人產品的方向指明了方向，許多公司對協作機器人的研究都是在他們的基礎上進行的，甚至很多都是照抄他們協作機器人的外形和結構，很少有創新。現在我們縱觀各個公司的協作機器人產品，再很少看到有像斗山公司一樣完全自主創新的、讓人眼前一亮的協作機器人外形出現。 ▍二、國內協作機器人發展歷程在中國眾多協作機器人廠商中，遨博可以說是最早進入協作機器人行業的廠商。遨博董事長魏洪興早在2010年就以科研人員的身份帶領科研團隊在美國開始研發協作機器人。在國內協作機器人市場仍是一片空白的2013年，遨博智能科技有限公司的前身Smokie Robotics就推出第一代協作機器人OUR-1，亮相ICR/CES等國際展會現場。 2014年，遨博智能美國研發團隊回歸中國，2015年遨博（北京）智能科技有限公司成立，成為我國首家致力于協作機器人研發、生產和銷售的企業，2015年10月，第二代遨博智能協作機器人AUBO-i5全球發售。雖然AUBO-i5是當時國內面世的首款具有核心自主知識產權的輕型協作機器人，實現了從操作系統、控制系統到關鍵部件的整機全國產化，并通過歐盟CE認證。其推出的國內首個自主可控的及核心部件國產化的i系列協作機器人，后續又先后通過NRTL，CE、KCs等國際認證。成為國內首家以協作機器人形態產品獲得ISO、13849 PL=d認證、ISO10218認證的產品，23種安全功能全部獲得PL=dCat.3認證。遨博協作機器人憑借高安全、易操作、開放性等特點，開始廣泛應用于3C電子、汽車零部件、家電、五金、醫療、教育、生活服務等多個行業領域。也同樣是在2015年，IEEE評選全球11家最具創新性和成長性的協作機器人企業，遨博智能成為亞洲唯一上榜企業。2016年，遨博智能完成從技術到量產的蛻變，成為國內首家實現量產的協作機器人企業。2017年，遨博智能國內產銷已達800臺，銷售收入超5000萬。同時，遨博智能成為當時國內唯一一家成功出口歐洲和美國的協作機器人企業，美國和歐洲市場銷量持續增加。目前AUBO-i5協作機器人重復定位精度為±0.02毫米，絕對定位精度±0.2毫米，與全球工業機器人“四大家族”精度保持一致。從2015年創辦公司至今，遨博新品頻發，科研創新突破明顯，市場信心雄厚。旗下協作機器人的核心零部件已經全部國產化，不用在核心技術上被“掐著脖子”。新松機器人自動化股份有限公司作為全球機器人產品線最全廠商之一，擁有國內最大機器人產業化基地，新松機器人隸屬中國科學院，是以機器人技術為核心，致力于全智能產品及服務的高科技上市企業。全球設立了八大研發機構，形成以自主核心技術、核心零部件、核心產品及行業系統解決方案為一體的全產業價值鏈。新松機器人于2015年開始踏入協作機器人行業。2015年 11月，中科新松推出了國內首臺自主研發的7自由度協作機器人。7軸柔性多關節機器人具備快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能，特別適用于布局緊湊、精準度高的柔性化生產線，滿足裝配、產品包裝、打磨、檢測、機床上下料等工業操作需要。 2019年，在漢諾威工業展會上，新松展出了自己的最新產品HSCR5復合機器人和DSCR3雙臂協作機器人。HSCR5復合機器人是當時國內首臺智能柔性7軸復合機器人，DSCR3雙臂協作機器人是新松自主研發設計的國內首臺雙臂協作機器人，集成了2個7自由度協作機器人并配置頭部視覺，重復定位精度達到±0.02mm，達到國際先進水平。成立于2015年的珞石（北京）科技有限公司，發展勢頭迅猛，成立六周年來，接連發布XB輕型六軸工業機器人系列、六軸柔性機器人xMate、七軸柔性機器人xMate Pro。其中的柔性機器人xMate可以說是中國協作機器人行業一次成功的大膽創新。xMate系列柔性機器人分為六軸xMate和七軸xMate Pro兩個版本， xMate3和xMate3 Pro工作范圍均為760mm，有效負載均為3kg，自重分別為19kg、20kg；xMate7和xMate7 Pro工作范圍均為850mm，有效負載均為7kg，自重分別為27kg、29kg；四個型號的重復定位精度均為±0.03。在技術與應用方面，xMate系列擁有與傳統工業機器人、協作機器人不同的軟硬件體系結構，采用基于關節力閉環的力位混合控制技術，每個關節都配置高精度扭矩傳感器，兼具高動態性的力控能力和柔順控制能力，能夠最大程度復現人類手臂般的靈活運動，不僅應用在柔順力控裝配、精密打磨等復雜工業領域場景，也為醫療、教育、商業等領域提供高效解決方案。在外形方面，xMate同樣優秀，xMate于2021年憑借出色的設計理念、全球前沿的技術特性、卓越的產品性能，在近萬件參評產品中脫穎而出，成功斬獲全球知名的設計評選，有“設計界的奧斯卡”之稱的德國紅點產品設計大獎。在系統集成研發方面，針對初級使用者的需求，xMate搭配圖形化操作，用戶可以像使用手機一樣使用xMate，十分簡單易用；對于科研用戶的需求，xMate開放的底層控制能力，可以為科研用戶提供優秀的二次開發平臺，為探索機械臂全新應用方向提供基礎平臺支持。此外，珞石科技已于2015年 7月獲梅花天使等380萬元天使輪融資，2016年 5月獲德聯資本1500萬元Pre-A輪融資，2017年11月獲清控銀杏、德聯資本4000萬元A輪融資，2018年9月獲順為資本、金沙江聯合資本、清控銀杏、梅花天使創投1.6億B輪融資，2020年8月獲襄禾資本1億元C1融資，發展勢頭異常迅猛。成立于2014年的艾利特（蘇州）機器人有限公司是由北京航空航天大學機器人所及清華大學精儀系博士、博士后發起成立的企業，專注于智能工業機器人的研發與制造十五年之久。2016年6月開發出其第一款機器人控制系統，2018年艾利特推出六軸和七軸協作機器人EC系列，EC系列的協作機器人有效負載在3-12kg之間，自重在13-31kg之間。 2020年推出CS系列協作機器人對標UR的e系列產品，該系列產品在基礎架構、編程方式、安全規定、核心算法等方面進行軟硬件性能的全面提升，增強其協作機器人產品的安全性、易操作性、開放性。艾利特在2018年1月獲策源創投領投，元禾原點跟投5000萬人民幣的A輪融資，2019年獲國中創投領投，元禾原點、策源創投、索道資本跟投的近億B輪融資， 2020年年末獲2億元B1輪融資。成立于2015年的越疆科技，主要業務是做機械手臂，其產品主要是桌面級機械臂和協作式機械臂。但不同于其他機器人公司通過購買零部件回來后進行集成，越疆科技直接研發伺服驅動、控制系統，自主率較高。在過去5年的時間里，越疆科技推出了多款高性價比協作機器人，成為業內首家擁有0.5kg到16kg全產品矩陣的企業。值得一提的是越疆科技于2020年在發布協作機器人的同時還發布了其創新產品——協作機器人“安全皮膚”DobotSafeSkin。相對于以往市場上碰撞后感知的被動式響應方案，越疆安全皮膚采用碰前預感知技術，無需提前預警降速。可穿戴式碰撞檢測，柔性，覆蓋面積大，任何一個角度的入侵都可以感知到，在保證高效生產的同時，最大化保障了人的安全以及機器的作業效率。越疆科技曾獲深創投和前海母基金近7000萬元A輪投資，在2018年獲松禾資本領投的1億元A+輪融資，2021年獲中金資本領投，中車資本、溫氏資本、招商局資本、云暉資本、勢能資本以及老股東跟投的3.2億元新一輪融資。成立于2014年的節卡機器人是由朱向陽教授領導10名教授組成，主要成員來自于上海交通大學機器人所等專業從事機器人及智能制造領域的權威專家和專業研發人員，擁有一支12名企業博士后及50名機械、控制領域的資深工程師組成的工程師團隊。 2017年，節卡推出6軸小助系列協作機器人（JAKA Zu），JAKAZu有3Kg、7Kg和12Kg三個規格。在機器人本體設計上，小助使用了一體化關節技術，對電機、減速器、驅控板等進行了整體優化，減輕了機器人本體自重。 2019年，節卡推出JAKA Zu S系列產品，JAKA Zu S系列采用了多軸力傳感器一桿子方案，實現力控制阻抗/導納、力位混合控制，整個算法包括力控應用包、牽引示教、碰撞檢測、恒力跟蹤、法向跟蹤、速度模式等，運用最合理最經濟的一桿子方案來實現客戶所需要的關于力控方面所有應用的全覆蓋。實現了可視化編程，示教APP能實時顯示外界接觸力值，方便操作使用；滿足不同應用需求的快速適配，覆蓋更多應用場景；擁有更靈敏的力覺反饋等優勢，為客戶提供更安全的工作環境。 2020年，節卡推出新一代節卡All-in-one共融系列協作機器人——集成了節卡機器人自主研發的JAKA Lens視覺技術的六軸協作機器人。 2021年，節卡推出高性價比的協作機器人JAKA C系列，該系列主打JAKA C5（負載5kg）和JAKAC7（負載7kg）兩款產品，重復定位精度為±0.05mm。節卡機器人在2015年獲得1500萬元A輪融資；2018年獲得6000萬元的A＋輪融資；2019年4月獲得億元B輪融資，2021年1月14日，節卡機器人宣布完成C輪融資，金額超3億元人民幣。創立于2005年的大族電機是上市公司大族激光的全資控股子公司，2014年，大族機器人研究院正式啟動。2017年，大族電機正式宣告將機器人事業部獨立出來，成立大族集團全資子公司——深圳市大族機器人有限公司。 2017年，大族機器人推出首款單臂協作型六軸機器人，Elfin機器人根據負載的不同分了三個不同的型號：Elfin 3（負載3kg）、Elfin5（負載5kg）和Elfin 10（負載10kg），他們的自由度均為6，重復定位精度都是±0.03。外殼主要材料是鋁合金。 2021年，大族機器人推出MAiRA系列——集合了3D視覺傳感器、3D聲識技術（360度全景傳聲器矩陣）、6-DOF電子皮膚精準響應手勢觸控的智能協作機器人。大族機器人在2020年完成1.65億元A輪融資。通過總結各個協作機器人廠商生產的產品我們發現：在協作機器人概念剛剛興起的早期階段，國外各大廠商對協作機器人的外形和性能方面做了多樣化的嘗試，單臂六軸、單臂七軸、雙臂七軸、小型桌面協作機器人、大型包裝碼垛機械臂、顯示屏與機械臂相結合、攝像頭與機械臂相結合、力矩傳感區與機械臂相結合… 可以看出，早期的國外協作機器人廠商在摸索中進行了各種各樣的大膽嘗試。中國的協作機器人廠商大多是出現在2015年左右，雖然中國國內協作機器人起步稍晚，但是通過圖片歸納總結我們可以看到：國內協作機器人更新換代速度較快，幾乎每個廠商每年都會推出新品。如果深入觀察我們就會發現，國內大多數協作機器人廠商所生產新品在外表和參數性能上似乎都有著較高重合度。雖然國內協作機器人廠商所推出的產品在重復定位精準度較國外早期的0.1mm有了較大幅度的提升，重復定位精準度基本穩定在0.01-0.05mm之間。但是其有效負載卻均集中在3-18kg左右，多家公司所生產產品出現了撞型的情況，產品同質化比較嚴重，且國內大部分協作機器人外形與第一代協作機器人UR5極為相似，有些公司看起來更像是協作機器人零部件的集成商而不是研發者。如果再往深處探尋，我們就會發現國內協作機器人的生產模式大部分都是：進口關鍵零部件+國產本體+半國產系統。目前，我國占協作機器人（工業機器人）成本比例高達70%的三大核心零部件，市場格局仍是主要被外資企業把持瓜分。雖然國內已出現了如匯川技術（伺服）、華中數控（控制、伺服）、中大力德（減速機）等快速成長的核心零部件自主品牌，但目前，我國85%的減速器市場、90%的伺服電機市場、超過80%的控制系統市場仍被海外品牌占據。不論是在技術上還是價格上，國內協作機器人都受到了極大的掣肘，國產替代進口仍然有很長一段路需要走。但無論如何，國內的協作機器人廠商企業都應努力探索，掌握三大核心零部件的核心技術，避免后期出現像華為芯片一樣被卡脖子的狀況。目前，由于用人成本的的增加，協作機器人行業技術的成熟和應用場景的拓展，協作機器人被廣泛應用于工業、醫療、物流、娛樂等各個方面。未來，隨著協作機器人技術的發展、中國社會人口老齡化的日益加重、人口出生率的連續下跌和人口紅利逐漸消失，協作機器人在中國將會有更大的市場。因此，國內個各大協作機器人廠商要抓住時機研發更具有場景普適性的協作機器人。例如在外觀設計、場景案例上多下功夫。系統集成是中國協作機器人崛起的重中之重，如果國內的集成商能夠研發出像手機的安卓、ios系統一樣簡單便捷的操作系統，將機器人不同的應用場景和用途有針對性開發成軟件置于系統之中，讓人們使用機器人像使用手機一樣簡單，那時，協作機器人的使用將不再局限于工業用途，尋常百姓家將成為協作機器人更加廣闊的市場。編輯：jq

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中國協作機器人將走向何方？