An Overview and Analysis of the Current State of the Market for Industrial Robot Manipulators

Промышленное устройство, которым человек может управлять в ручном режиме называется роботом манипулятором. Такое устройство может не только существовать как отдельная единица, но и входить в сложный роботизированный комплекс. Манипулятор состоит из узлов, каждый из них отвечает за конкретные задачи, одни позволяют совершать вращательное движение, другие же поступательное

Современные технологии в настоящее время заняли очень высокие позиции, производства стали чаще устанавливать роботов, тем самым минимизируя человеческий ручной труд. В самых сложных производственных процессах роботы могут исполнять управляющие и двигательные функции. Все роботы-манипуляторы могут с успехом заместить собой несколько десятков профессионалов. На данный момент времени данный вопрос актуален, так как применение роботов-манипуляторов позволяет автоматизировать практически любой процесс промышленности.

Целью работы является рассмотрение всевозможных видов роботов-манипуляторов и анализ современного рынка.

Каждый год перед промышленностью остро стоит вопрос о сокращении экономических затрат. Благодаря применению роботов-манипуляторов на производстве можно сократить количество ошибок во время производственного процесса, сократить бракованные изделия, а также уменьшить потери сырья и снизить уровень травмоопасности. С помощью робототехники предприятие можно оптимизировать под разные технологии, обеспечить должный уровень труда и безопасности

Так как общей классификации роботов-манипуляторов нет, условно их можно разделить на несколько видов, которые объединяются по технологическому назначению, особенностям конструкции и другим параметрам.

По типу монтажа роботизированного оборудования (рис. 1)

Рисунок 1 - Классификация роботов-манипуляторов по типу монтажа

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.3

Главным плюсом мобильных устройств являются их небольшие габариты, они не займут много места при перемещении, но при этом с легкостью преодолевают преграды, а из минусов – это высокая стоимость и работа с небольшими весами.

Самыми популярными роботами-манипуляторами являются стационарные. Различаются по типу закрепления (напольный, потолочный, настенный), среди преимуществ – обширный радиус применения и увеличенная грузоподъемность.

Горизонтальные могут быть иметь протяженность до нескольких десяток метром и используются в местах эксплуатации нескольких объектов.

Вертикальные – используются там, где мало места.

По типу применения (рис. 2)

Рисунок 2 - Классификация роботов-манипуляторов по типу применения

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.4

Автономные роботы-манипуляторы (программируемые). Такой манипулятор можно расположить возле обрабатываемых объектов, а также применять рядом с другими программируемыми устройствами.

Если оснастить робота колесами всенаправляющего движения, то такое устройство может передвигаться в любые труднодоступные места для человека без его помощи.

Роботы-манипуляторы с ручным управлением обеспечивают высокую точность при изготовлении деталей.

Коллаборативные манипуляторы или коботы. Здесь отмечаются самые жесткие условия к конструкционной безопасности и программному обеспечению, такие меры должны минимизировать травмированные работников

По типу выполняемых функций (рис. 3)

Рисунок 3 - Классификация роботов-манипуляторов по типу выполняемых функций

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.5

Сборочные роботы-манипуляторы (сборка/разборка). С помощью манипуляторов в этой в области можно собирать изделия любых габаритов без непосредственного участия человека, что уменьшает необходимость использования устройств большой грузоподъемности.

Пайка и сварка. Благодаря роботам можно добиться высокого уровня сварных швов и стабильности дуг, увеличивается скорость работы и можно применить очень низкий ток, то, чего нельзя при ручной аппаратной сварке.

Обработка материалов. Манипулятором можно добиться совершенно гладких поверхностей при условии повышения прочности стенок металла и его укрепления свыше чем на 30%, так как применяется холодная ковка.

Очистка, покраска, дозирование. Устройство можно использовать для очистки поверхностей водой под большим напором, пескоструйной обработке, либо покраске уже готового товара

Резка и обработка. Такая процедура очень опасна для человека, для робота она не принесет никакого вреда, также роботы очень точно выполняют резку, при этом сокращается время обработки и минимизируется потеря материала. 

Строительные. В строительной сфере роботы-манипуляторы позволяют увеличивать скорость строительства до максимальной с сохранением предельной точности. Устройство работает круглосуточно, не подвержено внешним погодным факторам и техническим особенностям процесса

По типу привода (рис. 4)

Рисунок 4 - Классификация роботов-манипуляторов по типу привода

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.6

Гидравлические роботы-манипуляторы. Для движения исполнительного органа применяют жидкость и применят такие устройства для грузов массой более 100 кг.

Электрические. Приводятся в движение электрическим током, характеризуется хорошей производительностью и точностью действий.

Пневматические. Рабочий орган движется за счет энергии сжатого воздуха, который закачивается компрессором в пневмолинию.

По полезной нагрузке (рис. 5)

Рисунок 5 - Классификация роботов-манипуляторов по полезной нагрузке

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.7

0–20 кг. Такие роботы имеют небольшие габариты, быстро двигаются и точны при невеликой грузоподъемности и небольшой рабочей зоне.

20–80 кг. Универсальны в своем применении и обладают хорошей производительностью, их используют для неоднократных быстрых процессов.

80–300 кг. Применимы для тяжелых условий производств, мало подвержены износу, надежды и просты в своем использовании.

300–1000 кг. Используются для трудных условий, например, ими поворачивают кузова автомобилей или применяют в цехах для литья.

1000–3000 кг. Легко справляются с очень тяжелыми грузами, с точностью передвигают очень крупногабаритные грузы, поэтому применимы на погрузке и разгрузке

По оценке Research and Markets промышленные роботы на мировом рынке (в эти цифры не закладывается стоимость компонентов, программного обеспечения и системный инжиниринг) в 2018 дошли до значения в 16,9 млрд долл. Предполагается, что средний темп роста рынка в последние 5 лет составит 12%, а в объёмных показателях 31,7 млрд. долл. Вся продукция, которую предполагалось перевозить в 2018 году остановилась на цифре четыреста двадцать тысяч роботов.

Данный показатель будет возрастать каждый год на 13% и установится на цифре 774 тысячи роботизированных устройств через два года. Общая цифра мирового рынка роботизированных устройств в 2018 году приближенно значится как 46 млрд.долл. Известно, что спустя 2 года эта цифра будет уже почти 70 с ежегодной прибавкой 7,9%.

Но, стоит отметить, что в 2019 Research and Markets пересмотрели параметры оценивания и последующие выводы, получив при этом число в 2018 году около 48,7 млрд.долл. индустриальных роботов, а спустя 6 лет объемный рост должен дойти до 75,7 млрд.долл., при примерном росте в год 10% по новому прогнозированию. По полученным данным выявляется тенденция уменьшения высококвалифицированных работников на производствах, что в перспективе ведет к автоматизированному производству с использованием коллаборативных роботов.

В конце 2020 года, всемирная ассоциация робототехники (International Federation of Robotics, IFR), оценила, что суммарное количество промышленных роботов, которых установили 4 года назад, на производствах составляет 422 271 штук, а весь рынок достиг почти 17 млрд.долл. (не учитывая составляющие и системные разработки). После 2018 года уменьшение продаж роботов для промышленности составило 12%, однако, общая цифра роботов, использующихся для эксплуатации, составляет почти 3 млн. единиц.

Данные о количестве устанавливаемых мировых промышленных роботов можно увидеть на (рис.6)

Рисунок 6 - Количество устанавливаемых промышленных роботов в мире за 2013-2022 гг

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.8

По данным IFR, самое большое количество устанавливаемых промышленных роботов приходится на страны Азии – двести восемьдесят пять тысяч штук в 2019 году. Количество экспортируемых роботов в Европе в 2019 составляет 27% от азиатских поставок (или семьдесят четыре тысячи штук), Американские поставки занимают 19% (или же пятьдесят четыре тысячи штук от азиатских поставок).

Статистические данные устанавливаемых промышленных роботов по регионам мира представлена на (рис.7)

Рисунок 7 - Статистические данные устанавливаемых промышленных роботов в данное время по регионам мира за 2017-2022 гг

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.9

Среди компаний, поставляющих промышленных роботов на данный момент, можно выделить следующие пять крупнейших (рис. 8)

[14]

:

- Fanuc – 400 тыс. роботов;

- Yaskawa – 360 тыс. роботов;

- KUKA – 350 тыс. роботов;

- ABB – 300 тыс. роботов;

- Kawasaki – 160 тыс. роботов.

Рисунок 8 - Лидирующие компании по устанавливаемым промышленным роботам на всем промежутке времени

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.10

В нашем регионе в 2018 году было поставлено чуть больше тысячи промышленных роботов (в 2017 году чуть больше семисот), по данным Национальной ассоциации участников рынка робототехники (НАУРР) – поставки увеличились на 40%, по сравнению с 2017 годом.

Однако в процентном соотношении было выявлено, что всего 5 роботов будет использоваться на десять тысяч работников промышленности, что в двадцать раз уменьшает среднее значение по миру, и только пять процентов роботов будут роботами отечественного производства

Рисунок 9 - Изменение количества продаваемых роботов на территории нашей страны

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.11

Отраслевая структура закупок промышленных роботов на конец 2018 года была следующей (рис. 10)

[14]

:

Рисунок 10 - Продажи промышленных роботов в России по отраслям в 2018 г

DOI:10.23670/IRJ.2023.128.26.12

Прочие отрасли на диаграмме составляют – 37%.

Россия занимает лишь 27 место по количеству продаваемых роботов. Весь рынок промышленных роботов нашей страны составляет около трех млрд.руб., рынок же роботизированных систем занимает около девяти млрд.руб. (сюда входят все этапы разработки, оснащения, написания программ и налаживания на производстве)

Российская промышленность встречается со сложностями на начальном этапе проектирования и дальнейшего создания роботов, поскольку в государстве нет базовых необходимых деталей (сервомоторы, редукторы, системы линейного перемещения, контроллеры и др., которые привозятся из других стран), нет необходимой базы для включения робота в производственный процесс (быстро настраиваемое ПО, шаблоны, машинное зрение и т.д.), нет четких планов на ближайшее будущее, а также на данный момент экономически затратно внедрять проекты с роботами, поскольку ручной труд стоит дешевле, поэтому на выходе получаются долгие сроки окупаемости.

Подводя итоги, перспективами развития в направлении промышленных роботов можно выделить такие пункты: введение машинного зрения, искусственного интеллекта, развитие коллаборативных роботов, способных к общему труду с человеком, совершенствование потенциала использования, развертывания и обслуживания. Роботы становятся многогранными, приспособленными и безошибочными. Для их создания применяют открытый программный код, цифровые технологии управления.

Сфера применения промышленных роботов с каждым годом увеличивается: не так давно промышленные роботы были нужны только в области автомобилестроения, сейчас же произошел резкий скачок потребности в таких роботах в области пищевой, фармацевтической, электротехнической/электронной и других направлениях промышленности, связанных с обработкой, что говорит о том, что применение и создание роботов становится популярным с каждым днем.