作者:韩峰涛(毕业于浙江大学,珞石机器人联合创始人)

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来源:知乎


协作机器人是当前工业机器人领域一个非常热门的研究方向,国际机器人大厂陆续推出了多款协作机器人产品,国内也有很多厂商已经或者准备进入这个领域。对于这样一个传统机器人行业里的“新兴领域”,我们可以抓住哪些机遇,又面临着什么挑战呢?


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协作机器人近几年才开始获得广泛关注,但实际上协作机器人的概念首次提出是在上世纪90年代。


我们知道世界上第一台工业机器人是部署在GM的工厂,协作机器人的起源同样与GM有关。在1995年GM Motor Foundation赞助了一个项目,试图找出让机器人变得足够安全的方法,以便机器人可以和工人协同工作。之后在1996年,西北大学 (伊利诺伊州)的两位教授(J. Edward Colgate and Michael Peshkin)首次提出了协作机器人的概念(cobot)。


之后几年,出现了很多在运动学结构上与传统机械臂不太一样的协作机器人,但最终没有获得大规模发展。个人更倾向于把欧洲在2005年开始的SME计划作为协作机器人正式兴起的起点,SME计划的很多成果是使用传统工业机器人完成的,与现在流行的协作机器人更为接近。


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经过几年的发展,市场上已经出现了很多款协作机器人,上图列举了几种主流的产品。


  1. UR5是世界上第一台协作机器人,由丹麦的Universal Robot公司在2009年推出,这是第一设计目标就是协作的工业机器人产品。

  2. Franka,令人印象深刻的低价格,以及更为智能化简单化的编程方式,官方消息是2017年春天开始出货。

  3. Techman,来自台湾的协作机器人,从去年在国外开始亮相,今年的Ciros 2016第一次在国内大型展会上亮相。

  4. Life Robotics CORO,日本的协作机器人公司,其产品目前只针对日本本土市场出货,独特的本体结构设计。

  5. Rethink Baxter市场表现很差,到今天为止出货量应该在1000多台,后续推出的单臂Sawyer硬件配置很不错,但在国内的售价有点高。

  6. KUKA iiwa,这个大家很熟悉了。

  7. 来自德国的Gomtec Roberta,去年4月份被ABB收购,这样一来ABB除了Yumi之外,又多了单臂协作机器人产品线,加入了主流协作机器人的市场竞争。


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协作机器人作为新兴的、备受关注的机器人种类,其具备很多优点,概括起来主要有三个:安全,低成本以及易于上手的使用方式。使用协作机器人的地方,基本上不再需要系统集成商(System Integrator)的角色,大部分场合可以做到即插即用,非常好的符合中小企业的需求。


但是协作机器人并不是万能的,它只是现有机器人产品线中一个新兴的细分品类,具有很多传统机器人无法比拟的优势,但是也有不少缺点。比如说,为了降低碰撞造成的损失,整个机器人的速度和重量必须被限制在一定范围内,所以协作机器人的速度普遍都很慢,负载也比较低,较小的自重导致刚性比传统机器人差很多,重复定位精度一般比传统机器人要低一个数量级。


如果要用一句话来概括协作机器人的应用范围的话,那就是:

Human class,human-scale task in a human environment .

来自Baxter的广告词,写的非常贴切。


机遇


简单了解完协作机器人的背景,接下来看一下协作机器人带给我们的机遇。


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协作机器人的主要目标客户是中小企业( SMEs),目前全球共拥有超过600万家中小企业,提供了全世界接近70%的制造能力,基于如此庞大的潜在用户基数,整个协作机器人工业市场的增长预期是非常高的。


根据巴克莱的预测,到2025年,全球协作机器人的销售额将从2015年的1.16亿美金,增长到114亿美金,增幅超过100倍,这几乎相当于2015年全球工业机器人整机市场的销售额。


但是我认为协作机器人的表现将会超过这个预测,原因是协作机器人不光可以用在工业领域,更大的增长动力来自于非工业领域,或者说商业领域(具备实用价值的消费级机械臂短期内还不太现实)。在不久的将来,非工业领域的销量就会获得巨大增长。


协作机器人在工业领域的增长方向是比较清晰的,在这方面有很多市场分析报告,感兴趣的知友可自行Google,接下来我们主要讲一下非工业(商业)领域的市场。


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我们所说的商业领域其实包括了很多细分方面。协作机器人用于商业领域,也是ToB的一种,但市场规模会比工业领域大很多。


目前研究和产品化比较多的是物流仓储和医疗两个领域。


例如仓储物流领域中的拣货环节,目前主要有两种方案:一种是货架移动而拣货员不动,以亚马逊的kiva Amazon Robotics 系统为代表;另一个思路是保持货架不动,而使用移动机器人+机械臂来代替工人完成移动拣货的功能。例如右上角的IAM Robotics,使用了FANUC的LR Mate 200系列轻型机器人搭配3d视觉系统来做货架分拣,在电商如此发达的今天,这是一个非常有潜力的市场。


再一个是医疗康复机器人、义肢机器人,由于协作机器人比较安全,加上机械臂模仿人类手臂的灵活特性,非常适合用在这些场合。


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除了以上两个领域,还有很多机器人在生活中的尝试,都取得了不错的效果,但是由于传统机器人安全性较差,在使用时有很多限制,而协作机器人的出现,将在很大程度上加快机器人的普及。


例如视频/电影拍摄,2014年的一部电影《地心引力》,由于要实现失重情况下的大范围快速旋转拍摄,传统方式存在很多局限,因此很多镜头就是Bot&Dolly这家公司使用工业机器人来完成。还有左上角的Bolt系统,使用了史陶比尔的机器人,也有很多可参考的成功案例。但是这些都是面向大型商业广告和商业电影市场的,价格昂贵且使用不方便。目前还没有面向小型工作室的机器人低成本摄像系统,存在着很大的市场空间。


再有一个比较成功的案例是用作商业展示,例如右上角是MESO为 BMW xDrive做的一个互动展示系统,其中使用了ABB 120来作演示的主角,相比单纯的播放视频,互动性更好,大家如果感兴趣可以去搜一搜。


其他的诸如按摩,餐饮等等,都是很不错的应用方向,协作机器人可以非常好的满足这些需求。


协作机器人带给我们的巨大机遇当然不止以上提到的几个领域,生活中还有无数个可以用到机器人的环节有待我们去发掘。


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之所以认为协作机器人如此重要,是因为协作机器人的出现为我们提供了一个让机器人走入普通人生活的可能性。


机器人行业其实和计算机行业有很多类似的地方,一开始计算机主要用于科研机构以及大型公司,直到70年代出现了微处理器和较为简单的BASIC编程环境,再加上整机成本大幅下降,个人电脑才慢慢走上历史舞台。


而现在的协作机器人就类似于40年前刚刚起步的个人电脑,虽然还有很多不完美的地方,但是代表了一个新的开始,从协作机器人开始,普通人将越来越多的接触到先进的机器人技术,并从中获益。


挑战


一个新兴市场中,机遇与挑战并存是一个必然的状态。


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首要挑战就是人才缺乏,这体现在了产品研发的整个链条中:


  • 研发团队:系统架构,运动控制,伺服驱动,机械/硬件设计,安全功能开发等。

  • 产品团队:产品定义,竞争策略,用户体验,工业设计等。

  • 生产团队:加工、组装,供应链体系建设,质量控制等。


请注意这里强调的是团队,机器人是一个涉及很多专业的交叉学科,只在某些方面做得好,是无法做出好的机器人产品的。


本来国内以前搞机械臂的人就不多,创业潮一来,人才更加难找。

优秀人员的匮乏导致优秀的团队建设进展缓慢,进而影响产品的研发速度。


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国内机器人核心零部件一直是个大问题,我们常说的控制系统、伺服系统、减速器三大零部件的国产化一直没有得到很好的解决。


这个问题在协作机器人产品中更为突出,因为协作机器人使用了很多传统机器人没有使用的零部件,例如直驱电机,模块化的编码器,关节力矩传感器,安全控制器等等。


以电机为例,传统机器人使用交流伺服系统,国产的交流伺服虽然性能比不上国外产品,但至少有勉强可用的替代产品。而协作机器人大部分使用中空直流电机,这个在国内就很难找到合适的产品。


如果选择外资品牌,例如科尔摩根的直驱电机,同样扭矩下,直驱电机的价格大约在交流电机的3~4倍,使用这样的零部件成本是肯定无法降低的,国产机器人就失去了“价格”这个可能是最大的竞争优势。


再比如安全控制器,市面上也有不少现成的安全控制器,但多是以面向流程工业的安全PLC为主,绝大部分只能处理数字IO信号。这些安全控制器不但价格昂贵(5k+,比整个控制器的硬件成本还贵),并且无法实现机器人某些专用的安全功能,例如速度限制,力矩限制,空间限位等。


类似的问题还有很多,由于协作机器人关节的集成度很高,很多看似不起眼的小部件都会影响最终的产品定型和量产。


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对于一个产品来讲,要想在市场上站稳脚跟,性能、品牌、价格这三个方面至少要有一个具备较强的竞争力,否则很难在市场竞争中获得优势。


对于协作机器人来说,在当前市场上已经有很多竞品存在的情况下,如何定位自己的产品和目标市场是一个值得大家认真思考的问题。


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前面说协作机器人的一大特点是低成本,但实际上现在的协作机器人还是不够便宜。上图右侧给出了三款主流机器人的售价,最早的UR5国外售价35000刀,国内大概15~16w人民币;Rethink Sawyer在美国的售价是29000刀,国内价格较高,现在看来不会低于25w;公开售价最低的就是今年刚刚发布的franka,但是目前看来,franka的思路可能不是靠卖硬件赚钱,而是想通过软件来赚钱,这样的话与前两个没有太大的可比性。


那我们说的低成本,要低到多少呢?就是投资回报期ROI要在6~12个月(UR宣称它可以有6个月的ROI,但那是按照国外的工资标准来计算,在国内16w的售价,基本要1~2年)


以前面我们说的商业领域为例,如果把机器人用于餐饮行业,目前北上广一个普通的餐厅服务人员月薪在4000左右,一年下来餐厅的总体支出在6w(含社保/公积金/其他)左右,即$10k,因此机器人的批量售价最好控制在6w元以内(ROI = 1年)。


这个价格对于工业机器人来讲成本压力很大,但是商业市场相对于工业市场的一个非常大的优势在于,它的市场空间比工业市场大很多。对于工业机器人来讲,一年5000台的出货量已经很高了,而这个数字对于商业机器人来说,可能都不值得一提。量上去了,价格下来就很容易,想一想20年前的大哥大多少钱,现在的手机多少钱。


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现有的协作机器人已经足够简单好用了吗?我觉得不是,如果你使用过UR,或者Sawyer,你会发现他们提供的图形界面只能完成一些简单的Pick&Place任务,稍微复杂的工作还是会涉及到使用机器人语言进行编程。


随着协作机器人应用领域的不断扩展,为了让更多的人可以使用机器人,提供更简单直观,功能更强大的编程方法是一个必然的趋势。


目前业内有几家公司在进行这方面的尝试,例如日本的MUJIN,他们提供了一种简单快速的3D环境重建方法,以及一种针对复杂环境进行自动轨迹规划的技术,可以极大的降低机器人部署时间和工作量。


另外,前一段时间发布的Franka也有自己的一套图形化编程环境,根据官方资料,这是一套非常完备的图形化编程系统,通过组合不同的基本元素,用户可以在不具备任何专业知识的情况下编写非常复杂的机器人程序。


机器人在灵活性和智能性方面还很不好用,如何降低机器人的使用门槛,让机器人更好用,是一个很好的切入点和创业方向。


国产弯道超车?


很多媒体喜欢用“弯道超车”这个词,好像我们在传统工业机器人落后了,就可以凭借协作机器人翻身,这是一个非常不现实的想法。


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前面我们说过,由于供应链和技术积累的原因,国内协作机器人产品化的难度实际上比传统机器人还要高,如果把中国庞大的市场需求当做车道,那我们的车在哪里?没有一个好的或者至少是靠谱的产品,我们拿什么超车?


上图右侧给出了目前业界一些著名公司的成立时间,不考虑他们之前的技术积累,仅从这一点上,我们就已经落后十年了。


那我们就没有机会了么,当然不是,我对国产机器人还是充满信心的。近几年选择从国外著名实验室、高校以及公司回国的人才越来越多,带来很多新的思想和技术,这对国内机器人产业实现快速发展打下了一些技术基础。


此外,我们国内的劳动力市场由人口红利转到了工程师红利,相对于国外技术公司较高的运营成本,国内公司的总体运营成本要低很多。


再一个,市场的突破并不一定是技术领先,创新的市场策略同样可以带领公司成功突围。


我一直坚信中国机器人的未来一定是由国产机器人主导,因此希望大家多交流,多学习,端正心态,树立信心,共同把中国机器人的事业做大、做强。



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