前言

未來三年全球還需要超過 130 萬台!「三大因素」讓中國成為工業機器人最大需求者!

在上一篇文章中

我們介紹了工業機器人的定義

以及該產業的市場規模

預計未來三年全球還會購入 130 萬台以上

而相較之下前十大工業機器人生產國的產量

不到 31 萬台

此外也強調了在人口紅利消散、

工資提升、工業機器人密度低於其他製造大國

這三因素的影響下

中國成為了拉抬市場的主要力量

 

而在本篇文章中

我們將繼續介紹工業機器人

讓讀者們認識常見的五種工業機器人

了解不同型態工業機器人的功能與主要應用產業

此外也將剖析工業機器人的產業鏈

一探一台工業機器人從原料到成型的步驟

以及揭開成本結構的面紗

 

本文將分成幾個重點來呈現
 【工業機器人機械結構的組成:關節、手軸、手腕、基底】
【五種型態的工業機器人:不同的機械結構界定出各異的型態】
【工業機器人產業的上下游:零組件、整機、出貨】
【工業機器人的成本主要由機構、驅動模組、整機構成】
【讓你帶走的結論】 

 

 


工業機器人機械結構的組成:關節、手軸、手腕、基底

工業機器人誕生後,隨著不同的產業應用
而開發出五種具有不同機械結構特徵的類型

如之前提到過的

工業機器人誕生在 1961 年

最早是應用在汽車工業

而且功用相當單一

只是重覆汽車製造環節中的壓鑄( die casting )步驟

即將金屬壓製成特定形狀的工序

當時一台工業機器人的成本高達 65,000 美元

若以每年通膨率 3.7% 來計算的話

大約等於今天的 55 萬美元

 

不過隨著各產業大幅度應用工業機器人後

不只因為規模經濟的關係

使得工業機器人的價格開始下降

而且不同產業的應用場景

催生出不同型態的工業機器人

 

根據國際機器人聯盟( International Federation of Robotics, IFR )的分類

工業機器人可以依據其機械結構區分成五種型態

但在正式介紹之前

我們先來了解一下機械結構是甚麼意思

 

機械結構包含關節跟手軸
形塑了不同類型工業機器人在外觀上的差異

直白地說

所謂的機械結構可以體現在工業機器人的內、外在造型上

而這個造型的差異可以由其擁有的手軸、關節的數量決定

圖中提到可附加在手腕的是末端效應器( End-effector )

一般分成夾爪類和工具類兩大種

夾爪用在夾取生產線上的物體

而工具則有多種功能

像是有些是用來上漆

也有些可以用來鎖螺絲等

因此在工業機器人手腕裝上不同的末端效應器

即可賦予它們不同的能力

 

工業機器人擁有越多的關節就有越多的自由度
能夠更方便地抵達空間中的指定位置

能處理多任務的工業機器人通常有更複雜的結構

像是有較多關節跟手軸的工業機器人

常意味著它能夠抵達空間中越多的位置

 

這就是工業機器人領域談到的自由度( Degree of Freedom, DoF )

越多關節就越「自由」

也就能應用在更難處理的任務上

 

就以人類的手臂當作一個例子

正常的手臂可以碰觸到的範圍

相比同一支手臂但卻少了一個關節的情況

勢必是後者來的受侷限、不自由

同樣要拿桌上的東西

如果無法彎曲或伸長手臂

則要移動整個身體才拿得到

所以這種手臂的自由度就小於正常手臂

 

另一方面

也由於越多自由度意味著

一台工業機器人可以更加任意地移到空間中的不同位置

所以通常也就是售價越高的工業機器人

因此對要引進工業機器人的公司來說

一定要釐清自己想讓工業機器人負責的生產環節

到底是適用於多少自由度的工業機器人來處理

否則就殺雞用牛刀了

多花不必要的錢在購置工業機器人上

 

五種型態的工業機器人:不同的機械結構界定出各異的型態
 

搞懂了工業機器人的基本機械結構後

就讓我們回歸正題開始介紹五種型態的工業機器人:

 

直角坐標機器人( Cartesian robot )

三個稜柱接點( prismatic joints )構成三個方向上的軸

稜柱接點是關節的一種

每個稜柱接點可在單軸上做線性滑動

因此三個方向上的線性滑動

構成的移動範圍為一長方體空間

直角坐標機器人常用在搬運重物上

可應用在檢測、切割、包裝等工序中

我們可以在許多產業看到它的身影

如汽車工業、半導體產業

同時也常是最便宜跟較容易打造的工業機器人

 

SCARA機器人( SCARA robot )

SCARA 為 Selective Compliance Articulated Robot Arm 的簡稱

直譯為選擇順應性關節機械手臂

由一個稜柱接點和兩個旋轉關節構成

前面講過稜柱接點是線性滑動的關節

而旋轉關節則是可以 360 度旋轉

構成的移動範圍為一扁平的空心半圓柱體

相較於直角坐標機器人

SCARA機器人的體積較小、可搬運的重量沒那麼大

但是在空間中移取物品的速度較快

 

由於結構更為複雜

所以一般在售價上也比直角坐標機器人貴

常用在快速分揀、精密裝配等工序上

一樣也會出現在許多產業中

如晶圓製造業、面板業、終端電子產品組裝

 

平行機器人( Parallel robot )

這種工業機器人具有多個機械臂

而在臂上裝有稜柱接點或旋轉關節

這些臂是同步運作的

由於高準確度、高搬運速度的特性

平行機器人常用在流水式的生產線上

會出現在汽車零件製造、電子零組件生產等產業中

 

圓柱座標型機器人( Cylindrical robot )

由兩個稜柱接點和一個旋轉關節構成

構成的移動範圍為一直長的圓柱體

至今已經不太常使用圓柱座標型機器人

所以可以看到許多統計數字已經不包含此一型的工業機器人

 

多關節機器人( Articulated robot )

正如它的名字所表示的

這種工業機器人至少由三個旋轉關節構成

構成的移動範圍為一圓球體

移動的靈敏度相當高

自由度最高

由於應用的領域相當廣泛

可以執行組裝、搬運、包裝、焊接等工序

在售價上則是較其他型態的工業機器人貴

也是目前最常見的工業機器人

 

這一點我們可以觀察全球最大市場中國的資料來判斷出:

將近 70% 的工業機器人都是屬於多關節型態的!

足見其在目前的各產業中應用的有多廣

 

最後

我們可以把前面提到的五種工業機器人

在下表中一次整理出它們的特性:

 

工業機器人產業的上下游:零組件、整機、出貨

認識完五種工業機器人的型態後

接著我們就來一窺一台工業機器人如何從無到有

上游產業:工業機器人的零組件

工業機器人的上游零組件可以分成

機構模組、感測模組、驅動模組三大類

 

首先是機構模組

我們之前介紹過的傳動元件就是其中很重要的一種

扮演的角色是穩定傳遞動力

使得工業機器人可以實際擺出不同的動作

精確地移動到空間中的指定位置

 

接著是感測模組

扮演的角色是讓工業機器人可以感應來自外界的刺激

就如同人的眼睛、耳朵

有了相對應感測裝置的工業機器人

便可以感知到生產線上的物體在哪、壓力跟聲音的大小

常見的感測模組包括

壓力偵測器、位置感知裝置、影像掃描等

 

最後是驅動模組

扮演的角色是提供動力的來源

工業機器人能不能動起來

就是依靠它

常見的驅動模組有伺服馬達、減速器

伺服馬達供給機器人需要的動力

而減速器則是構成旋轉關節的部分

藉由調整機器內齒輪的轉速

將動力分配在不同的軸

 

中游產業:將工業機器人給組裝出來並裝上控制器

將工業機器人組裝成形

成為前面我們講到的五種型態的工業機器人

整機領域中

世界上有幾家重要的公司

三菱電機( Mitsubishi electric )、歐姆龍( Omron )、

發那科( Fanuc )、安川( Yaskawa )、 ABB、庫卡( KUKA )

而台灣本土的公司則有上銀( 2049 )、台達電( 2308 )、廣運( 6125 )

當中不乏有能力整合上游者

像是上銀就可以自製部分的驅動模組跟機構模組

 

控制模組

扮演著工業機器人的大腦的角色

可歸在中游到下游

有些整機廠會安裝自己的系統

同時有的下游代理商或者工廠

可能會在買入工業機器人後使用自己的系統

這些控制系統的功用在於發號施令

藉由在上面重新編寫程式

可以安排工業機器人處理不同的任務

這一塊領域的主要廠商有台達電、西門子( Siemens )、

松下( Panasonic )、安川( Yaskawa )等

 

下游產業:囊括所有需要大量製造的行業

最後出貨的對象則非常廣

上一篇文章中我們曾整理 IFR 的資料為下圖:

可以看到大宗的客戶為汽車產業和電子製造業

但同時在金屬加工、塑膠、化工、食品領域都有廠商在使用工業機器人

因此可說是幾乎囊括所有需要大規模生產的行業

 

工業機器人的成本主要由機構、驅動模組、整機構成

從上游到下游

實際是哪一個部分最耗費成本的呢?

以台灣的工業機器人為例

調查中不包括感測模組

 

一般來說驅動模組是最貴的部分

其中伺服馬達佔比約 20% - 25%

被稱為工業機器人心臟的減速器

則是佔比 30% - 35%

堪稱工業機器人最昂貴的零件

 

所以對整機廠商來說

往上游整合的好處便是壓低購買驅動模組的成本

尤其是要生產多關節機器人時

所需要的減速器也越多

因此成本更是水漲船高

 

接著是機構模組跟整機服務

佔去了成本的 25% - 30%

最後才是控制模組

由於大部份是軟體層面的應用

進入門檻相對不高

所以這一塊市場有著大量的廠商在競爭

導致了其對整機廠商來說不是太耗費成本的部分

 

到此

我們對於工業機器人的五種型態

有了基本的認識

像是機械結構特性、目前的市佔比率等

也了解一台工業機器人的成本結構

 

下一篇文章中

我們將會從本篇文章提到的這些廠商入手

一一分析跟比較國際大廠和台灣廠商

帶大家認識他們的發展概況、獲利表現

以及對工業機器人產業來說

未來幾年的展望跟技術走向為何

 

讓你帶走的結論

1. 工業機器人依據其機械結構分成五種類型
2. 公司視自己的需求購置適當的工業機器人,不盲目追求高自由度
3. 目前最常見的為多關節機器人,在中國市佔 68%,且價格較高
4. 工業機器人中最有價值的部分為驅動模組,佔成本的一半以上

 

免責聲明:

此為產業分析文,並非投資進出建議!

本文由主編的產業研究室授權轉載原文在此
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  2. 股市

一文弄懂五大類工業機器人:原來「這一個」零件佔成本超過 3 成!六成的工業機器人都是同一種!

前言

未來三年全球還需要超過 130 萬台!「三大因素」讓中國成為工業機器人最大需求者!

在上一篇文章中

我們介紹了工業機器人的定義

以及該產業的市場規模

預計未來三年全球還會購入 130 萬台以上

而相較之下前十大工業機器人生產國的產量

不到 31 萬台

此外也強調了在人口紅利消散、

工資提升、工業機器人密度低於其他製造大國

這三因素的影響下

中國成為了拉抬市場的主要力量

 

而在本篇文章中

我們將繼續介紹工業機器人

讓讀者們認識常見的五種工業機器人

了解不同型態工業機器人的功能與主要應用產業

此外也將剖析工業機器人的產業鏈

一探一台工業機器人從原料到成型的步驟

以及揭開成本結構的面紗

 

本文將分成幾個重點來呈現
 【工業機器人機械結構的組成:關節、手軸、手腕、基底】
【五種型態的工業機器人:不同的機械結構界定出各異的型態】
【工業機器人產業的上下游:零組件、整機、出貨】
【工業機器人的成本主要由機構、驅動模組、整機構成】
【讓你帶走的結論】 

 

 


工業機器人機械結構的組成:關節、手軸、手腕、基底

工業機器人誕生後,隨著不同的產業應用
而開發出五種具有不同機械結構特徵的類型

如之前提到過的

工業機器人誕生在 1961 年

最早是應用在汽車工業

而且功用相當單一

只是重覆汽車製造環節中的壓鑄( die casting )步驟

即將金屬壓製成特定形狀的工序

當時一台工業機器人的成本高達 65,000 美元

若以每年通膨率 3.7% 來計算的話

大約等於今天的 55 萬美元

 

不過隨著各產業大幅度應用工業機器人後

不只因為規模經濟的關係

使得工業機器人的價格開始下降

而且不同產業的應用場景

催生出不同型態的工業機器人

 

根據國際機器人聯盟( International Federation of Robotics, IFR )的分類

工業機器人可以依據其機械結構區分成五種型態

但在正式介紹之前

我們先來了解一下機械結構是甚麼意思

 

機械結構包含關節跟手軸
形塑了不同類型工業機器人在外觀上的差異

直白地說

所謂的機械結構可以體現在工業機器人的內、外在造型上

而這個造型的差異可以由其擁有的手軸、關節的數量決定

圖中提到可附加在手腕的是末端效應器( End-effector )

一般分成夾爪類和工具類兩大種

夾爪用在夾取生產線上的物體

而工具則有多種功能

像是有些是用來上漆

也有些可以用來鎖螺絲等

因此在工業機器人手腕裝上不同的末端效應器

即可賦予它們不同的能力

 

工業機器人擁有越多的關節就有越多的自由度
能夠更方便地抵達空間中的指定位置

能處理多任務的工業機器人通常有更複雜的結構

像是有較多關節跟手軸的工業機器人

常意味著它能夠抵達空間中越多的位置

 

這就是工業機器人領域談到的自由度( Degree of Freedom, DoF )

越多關節就越「自由」

也就能應用在更難處理的任務上

 

就以人類的手臂當作一個例子

正常的手臂可以碰觸到的範圍

相比同一支手臂但卻少了一個關節的情況

勢必是後者來的受侷限、不自由

同樣要拿桌上的東西

如果無法彎曲或伸長手臂

則要移動整個身體才拿得到

所以這種手臂的自由度就小於正常手臂

 

另一方面

也由於越多自由度意味著

一台工業機器人可以更加任意地移到空間中的不同位置

所以通常也就是售價越高的工業機器人

因此對要引進工業機器人的公司來說

一定要釐清自己想讓工業機器人負責的生產環節

到底是適用於多少自由度的工業機器人來處理

否則就殺雞用牛刀了

多花不必要的錢在購置工業機器人上

 

五種型態的工業機器人:不同的機械結構界定出各異的型態
 

搞懂了工業機器人的基本機械結構後

就讓我們回歸正題開始介紹五種型態的工業機器人:

 

直角坐標機器人( Cartesian robot )

三個稜柱接點( prismatic joints )構成三個方向上的軸

稜柱接點是關節的一種

每個稜柱接點可在單軸上做線性滑動

因此三個方向上的線性滑動

構成的移動範圍為一長方體空間

直角坐標機器人常用在搬運重物上

可應用在檢測、切割、包裝等工序中

我們可以在許多產業看到它的身影

如汽車工業、半導體產業

同時也常是最便宜跟較容易打造的工業機器人

 

SCARA機器人( SCARA robot )

SCARA 為 Selective Compliance Articulated Robot Arm 的簡稱

直譯為選擇順應性關節機械手臂

由一個稜柱接點和兩個旋轉關節構成

前面講過稜柱接點是線性滑動的關節

而旋轉關節則是可以 360 度旋轉

構成的移動範圍為一扁平的空心半圓柱體

相較於直角坐標機器人

SCARA機器人的體積較小、可搬運的重量沒那麼大

但是在空間中移取物品的速度較快

 

由於結構更為複雜

所以一般在售價上也比直角坐標機器人貴

常用在快速分揀、精密裝配等工序上

一樣也會出現在許多產業中

如晶圓製造業、面板業、終端電子產品組裝

 

平行機器人( Parallel robot )

這種工業機器人具有多個機械臂

而在臂上裝有稜柱接點或旋轉關節

這些臂是同步運作的

由於高準確度、高搬運速度的特性

平行機器人常用在流水式的生產線上

會出現在汽車零件製造、電子零組件生產等產業中

 

圓柱座標型機器人( Cylindrical robot )

由兩個稜柱接點和一個旋轉關節構成

構成的移動範圍為一直長的圓柱體

至今已經不太常使用圓柱座標型機器人

所以可以看到許多統計數字已經不包含此一型的工業機器人

 

多關節機器人( Articulated robot )

正如它的名字所表示的

這種工業機器人至少由三個旋轉關節構成

構成的移動範圍為一圓球體

移動的靈敏度相當高

自由度最高

由於應用的領域相當廣泛

可以執行組裝、搬運、包裝、焊接等工序

在售價上則是較其他型態的工業機器人貴

也是目前最常見的工業機器人

 

這一點我們可以觀察全球最大市場中國的資料來判斷出:

將近 70% 的工業機器人都是屬於多關節型態的!

足見其在目前的各產業中應用的有多廣

 

最後

我們可以把前面提到的五種工業機器人

在下表中一次整理出它們的特性:

 

工業機器人產業的上下游:零組件、整機、出貨

認識完五種工業機器人的型態後

接著我們就來一窺一台工業機器人如何從無到有

上游產業:工業機器人的零組件

工業機器人的上游零組件可以分成

機構模組、感測模組、驅動模組三大類

 

首先是機構模組

我們之前介紹過的傳動元件就是其中很重要的一種

扮演的角色是穩定傳遞動力

使得工業機器人可以實際擺出不同的動作

精確地移動到空間中的指定位置

 

接著是感測模組

扮演的角色是讓工業機器人可以感應來自外界的刺激

就如同人的眼睛、耳朵

有了相對應感測裝置的工業機器人

便可以感知到生產線上的物體在哪、壓力跟聲音的大小

常見的感測模組包括

壓力偵測器、位置感知裝置、影像掃描等

 

最後是驅動模組

扮演的角色是提供動力的來源

工業機器人能不能動起來

就是依靠它

常見的驅動模組有伺服馬達、減速器

伺服馬達供給機器人需要的動力

而減速器則是構成旋轉關節的部分

藉由調整機器內齒輪的轉速

將動力分配在不同的軸

 

中游產業:將工業機器人給組裝出來並裝上控制器

將工業機器人組裝成形

成為前面我們講到的五種型態的工業機器人

整機領域中

世界上有幾家重要的公司

三菱電機( Mitsubishi electric )、歐姆龍( Omron )、

發那科( Fanuc )、安川( Yaskawa )、 ABB、庫卡( KUKA )

而台灣本土的公司則有上銀( 2049 )、台達電( 2308 )、廣運( 6125 )

當中不乏有能力整合上游者

像是上銀就可以自製部分的驅動模組跟機構模組

 

控制模組

扮演著工業機器人的大腦的角色

可歸在中游到下游

有些整機廠會安裝自己的系統

同時有的下游代理商或者工廠

可能會在買入工業機器人後使用自己的系統

這些控制系統的功用在於發號施令

藉由在上面重新編寫程式

可以安排工業機器人處理不同的任務

這一塊領域的主要廠商有台達電、西門子( Siemens )、

松下( Panasonic )、安川( Yaskawa )等

 

下游產業:囊括所有需要大量製造的行業

最後出貨的對象則非常廣

上一篇文章中我們曾整理 IFR 的資料為下圖:

可以看到大宗的客戶為汽車產業和電子製造業

但同時在金屬加工、塑膠、化工、食品領域都有廠商在使用工業機器人

因此可說是幾乎囊括所有需要大規模生產的行業

 

工業機器人的成本主要由機構、驅動模組、整機構成

從上游到下游

實際是哪一個部分最耗費成本的呢?

以台灣的工業機器人為例

調查中不包括感測模組

 

一般來說驅動模組是最貴的部分

其中伺服馬達佔比約 20% - 25%

被稱為工業機器人心臟的減速器

則是佔比 30% - 35%

堪稱工業機器人最昂貴的零件

 

所以對整機廠商來說

往上游整合的好處便是壓低購買驅動模組的成本

尤其是要生產多關節機器人時

所需要的減速器也越多

因此成本更是水漲船高

 

接著是機構模組跟整機服務

佔去了成本的 25% - 30%

最後才是控制模組

由於大部份是軟體層面的應用

進入門檻相對不高

所以這一塊市場有著大量的廠商在競爭

導致了其對整機廠商來說不是太耗費成本的部分

 

到此

我們對於工業機器人的五種型態

有了基本的認識

像是機械結構特性、目前的市佔比率等

也了解一台工業機器人的成本結構

 

下一篇文章中

我們將會從本篇文章提到的這些廠商入手

一一分析跟比較國際大廠和台灣廠商

帶大家認識他們的發展概況、獲利表現

以及對工業機器人產業來說

未來幾年的展望跟技術走向為何

 

讓你帶走的結論

1. 工業機器人依據其機械結構分成五種類型
2. 公司視自己的需求購置適當的工業機器人,不盲目追求高自由度
3. 目前最常見的為多關節機器人,在中國市佔 68%,且價格較高
4. 工業機器人中最有價值的部分為驅動模組,佔成本的一半以上

 

免責聲明:

此為產業分析文,並非投資進出建議!

本文由主編的產業研究室授權轉載原文在此
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