2021-2022年5G+机器人应用发展研究报告.pdf

2021-2022年5G+机器人 nullnull应用发展研究报告 前 言 机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家创新 能力和产业竞争力的重要标志，已成为全球新一轮科技和产业革命 的重要切入点。中国作为全球第一大机器人市场，迎来了巨大发展 商机，中央及各地方相关主管部门陆续出台政策规划，在项目支 持、平台建设与应用示范等方面为机器人产业发展营造良好的生态 环境。 机器人产业是机器人制造与人工智能、通讯技术、操控技术 的融合发展的综合领域。 5G 的大带宽、低时延、广覆盖等特点，能 够帮助机器人实现功能突破，赢得 市场 。 本报告旨在综合分析机器人技术发展趋势与 5G 能力影响，围绕 利用 5G 通讯技 术解决机器人应用的痛点环节，展现当前或不远将来 5G 赋能机器人实现更广更好的应用场景，并为 5G 与机器人深度融 合提出合理发展建议。 目 录 一、 机器人技术发展概述 . 1 (一 ) 机器人技术概述及分类 . 1 1. 工业机器人 . 2 2. 服务机器人 . 8 3. 特种机器人 . 12 (二 ) 机器人产业发展概况 . 16 1. 国际机器人产业发展现状 . 16 2. 国内机器人产业发展现状 . 21 (三 ) 机器人产业发展趋势 . 26 1. 工业机器人产业发展趋势 . 26 2. 服务机器人产业发展趋势 . 27 3. 特种机器人产业发展趋势 . 27 二、 5G+机器人行业发展趋势分析 . 28 (一 ) 移动通信技术发展简介 . 28 (二 ) 5G 对机器人技术的影响分析 . 29 (三 ) 5G 对机器人行业产业链影响分析 . 31 三、 5G+机器人典型应用场景 . 32 (一 ) 5G+工业机器人 . 32 1. 5G 实现机器人控制云端化 . 32 2. 5G 实现机器人工作空间生产安全 . 34 3. 应用案例 . 37 (二 ) 5G+服务机器人 . 38 1. 5G 实现陪伴机器人云边协同 AI 能力 . 38 2. 应用案例 . 39 (三 ) 5G+特种机器人 . 40 1. 5G 实现安防巡检机器人 . 40 2. 应用案例 . 42 四、 总结与展望 . 43 (一 ) 技术标准待完善，行业场景存变数 . 44 (二 ) 通讯安全成为关切要点 . 44 (三 ) 服务机器人将最先与 5G 结合，网络覆盖成为关键 . 44 (四 ) 工业机器人与 5G 实现通讯无线化待市场认可 . 45 (五 ) 特种机器人与 5G 的结合应用待明确 . 46 五、 中国电信 5G+机器人业务发展建议 . 46 一、 机器人技术发展概述 (一 ) 机器人技术 概述 及分类 机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家创新 能力和产业竞争力的重要标志。 国际上很多 国家 已 将机器人发展纳 入 本 国 的 科技创新和产业发展的重点领域，机器人 将 成为新一轮科 技革命与产业变革背景下世界各国产业竞争的焦点。 根据机器人的应用环境，国际机器人联盟（ IFR）将机器人分为 工业机器人和服务机器人：工业机器人指应用于生产过程与环境的 机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些 单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括实现工艺过程的多关节 机器人和完成物料传输的自动引导运输车；服务机器人则是在非结 构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的先进机器人，主 要包括家用服务机器人、医疗服务机器人和公共服务机器人，其 中，公共服务机器人指在农业、金融、物流、教育等除医学领域外 的公共场合为人类提供一般服务的机器人。同时，考虑到目前在应 对自然灾害和公共安全事件中，特种机器 人相对于服务机器人在性 能要求、功能特点上有着较大区别，需求持续增长，将特种机器人 也作为机器人的分类之一，主要包括军事应用机器人、极限作业机 器人 、 应急救援机器人 、医疗手术机器人等 。 图 1 机器人分类 资料来源： IFR，中国电子学会 1. 工业机器人 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器 装置，能自动执行工作，依靠自身动力和控制能力来实现各种功能 的一种机器。 1954 年美国学者戴沃尔在其发表的专利论文中最早提 出了工业机器人的概念，将其定义为借助伺服技术控制机器人的关 节，利用人手对机器人进行动作示教，实现动作的记录和再现的装 置。我国国家标准 GB/T 12643-2013 中将工业机器人定义为“自动控 制的、可重复编程、多用途的操作机，可对三个或三个以上轴进行 编程。它可以是固定式或移动式。在工业自动化中使用 。 ” a) 关节式工业机器人 关节式工业机器人是目前市场占有率最高、 应用最广、技术最 成熟的产品系列，主要使用在汽车、电子、机械等劳动强度大、动 机器人 工业机器人 串联多关 节机器人 并联多关 节机器人 自动引导 运输车 服务机器人 家用服务 机器人 医疗服务 机器人 公共服务 机器人 特种机器人 军事应用 机器人 极限作业 机器人 应急救援 机器人 作重复的生产制造场景。关节式机器人根据 不同的运动结构特点， 为适应不同的应用需求，又可分 为以 下四种 。 串联关节式 工业机器人 根据人类手臂运动结构仿生设计，又称 机械臂， 通过末端安装不同的执行器 可代替人类手臂完成生产动 作，如搬运、加工、安装等 。 图 2 串联关节式工业机器人 并联关节式 工业机器人 通过并联的 多 个连杆联动实现机器人末 端在指定平面范围内高速运动 或实现指定平面的俯仰偏摆运动 ，主 要 以倒置安装 配合视觉技术实现物料分拣 （ DELTA 工业机器人） ，也 有特殊应用场合将其正置实现 平台运动（模拟飞行器驾驶舱）。 图 3 并联关节式工业机器人 平面关节式 工业机器人是 基于 圆柱坐标系设计的机器人，在传 统串联关节式机器人的基础上优化了轴的数量、形式和顺序，以使 其可实现在较大平面范围内的快速往复运动，主要应用于电子制造 行业 ，又称 SCARA 机器人 。 图 4 平面关节式工业机器人 直角坐标式 工业机器人是 基于笛卡尔坐标系设计的机器人， 具 有 结构简单、 运动范围大、 负载高 等特点 ，在多类行业中有广泛应 用，尤其是自动化仓储和汽车制造，又称桁架机器人。 图 5 直角坐标式工业机器人 b) 自动引导运输车 自动引导运输车 （ AGV， Automated Guided Vehicles），是指以电 池为动力，装备有非接触式（电磁 、 光学 、激光灯 ）自动导引装 置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能 的运输车，是轮式移动机器人的特殊应用。 AGV 从发明至今已经有 50 多 年的历史，随着应用领域的扩展，其种类和形式变得多种多 样 ， 根据 AGV 自动行驶过程中的导航方式将 AGV 主要分为 电磁感应 引导式、激光引导式、视觉引导式 三种类型 。 电磁感应引导式 AGV 的引导原理是 沿预先设定的行驶路径埋设 电线，当高频电流流经导线时，导线周围产生电磁场， AGV 上左右 对称安装有两个电磁感应器，它们所接收的电磁信号的强度差异可 以反映 AGV 偏离路径的程度。 AGV 的自动控制系统根据这种偏差来 控制车辆的转向，连续的动态闭环控制能够保证 AGV 对设定路径的 稳定自动跟踪。这种电磁感应引导式导航方法在绝大多数商业化的 AGVS 上使用，尤其是适用于大中型的 AGV。 图 6 电磁感应式 AGV 激光引导式 AGV 上安装有可旋转的激光扫描器，在运行路径沿 途的墙壁或支柱上安装有高反光性反射板的激光定位标志， AGV 依 靠激光扫描器发射激光束，然后接 收 由四周定位标志反射回的激光 束，车载控制器计算出车辆当前的位置以及运动的方向，通过和内 置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现 路径导航 。 虽然受制 于高成本，但 该种 AGV 的应用越来越普遍，并且依据同样的引导原 理可将激光扫描器更换为红外发射器或超声波发射器。 图 7 激光引导式 AGV SLAM 引导式 AGV 是正在快速发展和成熟的 AGV， SLAM （ Simultaneous Localization and Mapping）即同步定位与建图，指在 未知的环境中，机器人通过自身所携带的内部传感器（编码器、 IMU 等）和外部传感器（激光传感器或者视觉传感器）来对自身进 行定位，并在定位的基础上利用外部传感器获取的环境信息增量式 的构建环境地图 ，从而自行计算行进路径。 这种 AGV 由于不要求人 为设置任何物理路径，因此在理论上具有最佳的引导柔性，随着 传 感 技术 、地图模型和导 航算法 的飞速发展，该种 AGV 的实用性越来 越强。 激光发射器 激光 反射板 图 8 SLAM 引导式 AGV c) 协作工业机器人 协作机器人（ Collaborative Robot）简称 Cobot 或 Co-Robot， 可 以实现与人类在共同工作空间中近距离互动完成某项工作的工业机 器人，其结构形式与串联关节式工业机器人相同。 Cobot 有许多不 同的 应用场景 ，包括在办公室环境下可以和人类一起工作的自动化 机器人，到没有 设置 防护 安全栏 的工业机器人。 图 9 协作工业机器人 协作机器人与传统工业机器人的主要差别有两点 。 面向的目标 市场不同：最初协作机器人的研发是为了提升中小企业的劳动力水 平 、 降低 人工 成本 、 提高竞争力，可以避免劳动力外包的情况，因 此协作机器人最初的市场就是中小企业，协作机器人的发展壮大也 和中小企业分不开。替代的对象不同：传统机器人代替生产线中的 机器，机器人 作为 整个生产线中的组成部分，如果某个环节的机器 人坏了，在没有备 机 的情况下，整个 生 产线要停工 ； 相比之下，协 作机器人具有柔性特点，代替的是人，二者之间可以互换，整个生 产流程灵活性 更 强。 d) 外骨骼 工业机器人 外骨骼机器人是融合传感、控制、信息、移动计算的综合性技 术，能够在保证人体各种动作与机械之间协调性的前提下，使人类 的力量成倍放大 的可穿戴装备 。 图 10 外骨骼工业机器人 外骨骼机器人发展至今，从研发到应用，已经走过了第一个百 年 ，初期发展主要应用于医疗康复领域 。在工业领域，人口红利的 消失促进了工业用外骨骼机器人的应用，尤其是在国内物流巨头的 推动下，辅助搬运的外骨骼机器人正在快速发展中。尽管如此，目 前外骨骼机器人行业应用仍处于初期阶段，真正要实现大规模商用 还要再等几年 。 2. 服务机器人 随着现代科技的高速发展，“人工智能”时代的到来，科技改变 生活，智能化对社会和人们的生活冲击将越来越大。 根据中国机器 人产业联盟发布的数据，我国从 2013 年起连续两年成为全球第一大 机器人消费市场，机器人使用量约占全球销量的 1/4。 近年来中国人口红利逐渐消失，人口老龄化、劳动力不足以及 人力成本上升，导致对服务机器人需求逐步增加 ，同时 伴随着收入 水平持续提高，人们也有意愿 利用机器人 追求更高品质的生活 。 技 术的成熟 也 为服务机器人的发展提供了有利保障，服务机器人的机 器视觉、人机交互能力以及基于大数据的机器 学习能力也将呈现质 的飞跃，甚至具有“人格化”的特征，机器人越来越频繁地出现在 教育、娱乐、医疗等行业以及银行、机场、大型卖场、餐厅等商用 服务领域。 a) 家用服务机器人 扫地机器人是智能家电的一种，借助 导航技术和智能算法 ，可 自动在房间内完成地板清洁工作。一般采用刷扫和真空方式，将地 面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。 目前 产品 已经比较成熟，为市面上普及率较广的一种 家用机器人 产 品。 图 11 扫地机器人 随着人类社会的发展和进步，人们的生活追求也逐步从物质温 饱上升到精神追求。老龄化的 加剧 和典型的“ 4-2-1” 式 家庭结构， 为能够提供情感交流、儿童陪伴等服务功能的智能陪伴机器人奠定 巨大市场基础 ， 单身青年和宠物主人 也 对陪伴机器人表现出较大需 求。 目前市场上已出现多款不同功能、不同价格的陪伴机器人产 品，一般可实现 通过内置的摄像头和麦克风对环境信息进行采集， 处理后可以分辨出语音语义、容貌表情、手势动作，甚至是情绪变 化，从而对应做出各种动作反馈，如通过面部屏幕显示表情、通过 扬声器播放语音或音乐等。 图 12 陪伴机器人 b) 商用服务机器人 引导介绍机器人 适用于机场、办公场所、酒店、银行、商场等 公共服务场所，用于咨询 、 讲解 、 迎宾接待以及打印取票等工作 ， 一般具备语音对话、智能导引、自动巡视、自主导航、自动回充、 远程监控等功能 。引导介绍机器人能够提供方便、快捷的办事窗口 位置指引服务，避免群众难以找到办事窗口的烦恼；能够提供便捷 的咨询服务，免去了排队等候的时间；能够提供快捷的业务办理服 务，降低群众业务办理的排队等候时间。 图 13 引导介绍机器人 送餐机器人具有自动送餐、空盘回收、菜品介绍、自动充电等 实用功能，能够代替或者部分代替餐厅服务员为顾客提供服务，提 升餐厅的品牌形象，具有较高的经济价值。 目前一些高档酒店也利 用此类机器人提供送餐 /货到房间的服务。 图 14 送餐服务机器人 c) 安 防 服务 机器人 安防 服务 机器人，是通过遥控或自主方式执行巡视任务的机器 人，可为高端社区、园区、厂区、场馆、商业综合体等场地，面向 物业、地产、安保、生产单位的全天候巡检安保。安防巡检机器人 可以单机独立或多机协同的 方式工作，并将巡视情况实时通报控制 后台相关人员，也可与固定摄像头协同工作，有效弥补监控盲区， 大大降低安全事故发生率并一定程度解放人力、物力，从而促进解 决特定环境的安全问题。 安 防 服务机器人集成了人工智能及安防领域的先进技术，可实 现音视频对讲、室内外无线导航、人机交互、人脸识别等功能，更 是拥有监控巡逻、陌生人员报警、异常声音报警、夜间值守等安保 功能，能有效辅助并提升人员任务完成能力和效率 。 图 15 安 防 服务机器人 3. 特种机器人 从应用场景来看，特种机器人目前已涉及了电力巡检、防爆灭 火、管道检测、采矿挖掘、水下作业 、医疗手术 等多个适用场景， 不管是在军事、极限操作还是应急救援领域，危险性高、人力难以 完成的工作都存在机器换人的刚需市场，也是特种机器人率先出现 的领域。 目前特种机器人应用较广的是电力巡检与 排爆救援 两大领域， 其中电力巡检头部企业已经显现，而在 排爆救援 领域，市场较为分 散，多家独角兽企业已入局该领域。目前特种机器人市场规模的增 长主要依赖于场景的扩张，但每个细分领域的市场规模均有限，需 要未来特种机器人厂商拥有多场景扩张的能力。 a) 电力巡检机器人 目前，智能电网建设和增强供电可靠性已上升为国家战略，电 力设备状态检测、监测作为近几年发展起来的新兴行业，呈现出巨 大的成长潜力和发展空间。“十二五”以来，我国智能电网建设进入 全面快速发展的新阶段 ，也 极大地推动智能巡检机器人的市场需 求，成为巡检机器人行业持续增长的长期推动力。 近年来，随着信息技术发展和危机监控技术在变电站、配电站 房的推广使用， 电力 巡检机器人系统因其灵活的控制 /运行方式、不 受天气因素影响等优点，逐渐在无人值班或少人值守的变电站和配 电站房执行巡检任务，为及时发现和消除设备缺陷，预防 事故发 生，确保设备安全运行发挥了一定的作用。 图 16 电力巡检机器人 b) 排 爆 消防 机器人 排爆机器人是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器 材 ，可实现 代替排爆人员实地勘察 、 搬运转移爆炸可疑物品及其它 有害危险品 ， 使用爆炸物销毁器销毁炸弹， 可 避免不必要的人员伤 亡 。目前排爆机器人由车辆底盘、操作手、摄像头和远程控制器等 组件构成，底盘采用履带形式可适应多种复杂地形，操作手灵活准 确稳定地拾取目标物体，摄像头分为全景、特写、双目等不同形式 用来观察周边环境和目标物体细节特征并回传，控制人员通过远程 控制器实现对机器人的行进和动作控制，从而在远端完成对可疑物 品的处理。 近年来，随着智能制造产业已入列我国重点产业发展序列，消 防机器人迎来创新发展、开放合作的新态势。随着技术的高速发 展，适用于石油化工、地下管廊、隧道、大跨度 /大空间场所等人不 能及、人不能进、人不能救的情况下，消防机 器人能够代替消防救 援人员进入易燃易爆、有毒、浓烟等危险灾害事故现场进行侦查和 灭火，有助于减少火场烟热、有害气体对作战人员的威胁，有利于 提升应对复杂灭火救援任务的能力快速控制火情的同时，有效防止 火灾现场二次灾害的发生。 图 17 排爆 消防 机器人 c) 管道 巡检 机器人 管道 巡检 机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携 带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或自动控 制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道 巡检 机 器人通过主机控制爬行器 在 管道内 外 爬行，对 管 道内部情况进行实 时监测记录、视频回放、 图 像抓拍等操作，了解管道绣层、结垢、 腐蚀、穿孔、裂纹等情况，进行 全 方位观察与检测 ，做到提前预防 与准确 定位 。 图 18 管道检测机器人 d) 医疗服务机器人 医疗服务机器人主要指能够为根据病情需要，应用在帮助医生 对病人完成治疗过程、辅助患者进行康复训练以及为残障人士提供 义肢替代等场景的机器人。 达芬奇手术 系统以美国麻省理工学院研发的机器人外科手术技 术为基础，由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分 组成。主刀医生坐在控制台 前 控制器械和三维高清内窥镜，手术器 械尖端与外科医生的双手同步运动。利用机器人完成手术，可以使 得手术操作更精确，减少手部颤动，机器人“内腕” 更 为灵活，能 以不同角度在靶器官周围操作，三维视觉可放大 10-15 倍，增加视 野角度，使手术精确度大大增加，创伤更小，减少术中的组织创 伤，术后恢复快 、 愈合好。 图 19 达芬奇手术系统 超微型 医疗 机器人 可携带摄像机，通过有弹性的导线或自主运 动，直接进入到人体消化道、内脏或血管等，检查病症情况，甚至 直接对病灶做细微的手术操作。 目前，超微型机器人的发展还处于 设想阶段， 尚无实际应用 。 图 20 超微型医疗机器人 (二 ) 机器人产业发展概况 1. 国际机器人产业发展现状 国际上机器人发展格局 基本 是美 国、 日 本、 欧 盟 三分天下 ， 韩 国 后发奋起直追的格局。机器人产业的发展需要深厚的工业基础和 科技底蕴， 美 日欧先发优势明显。 2019 年，全球机器人市场规模预 计将达到 294.1 亿美元， 2014-2019 年的平均增长率约为 12.3%。其 中，工业机器人 159.2 亿美元，服务机器人 94.6 亿美元，特种机器 人 40.3 亿美元。 图 21 2019 年全球机器人市场规模 资料来源： IFR 自 20 世纪 80 年代将机器人产业作为国家发展战略以来，日本 一直将机器人作为优先发展方向，其所积累的经验和技术优势，为 该产业的长远发展打下了良好基础。如今世界四大 工业 机器人企业 巨头中，日本独占其二， Fanuc 和 Yaskawa 的 市场地位难以撼动。 欧洲工业基础雄厚，德国 KUKA、瑞士 ABB 分别占据了 世界四大 工业机器人企业 剩余两席 。 为巩固领先地位，欧盟不仅在“第七个 框架计划”和“地平线 2020”项目中投入巨资用于机器人技术研 发，还于 2014 年 6 月推出了全球最大的民用机器人研发计划 工业机器人 54% 服务机器人 32% 特种机器人 14% “ SPARC”。同时，德国以“智能工厂”为重心的“工业 4.0 计划”、 英国首个官方机器人战略“ RAS2020”以及法国“机器人发展计 划”，皆彰显了占领机器人产业制高点的决心。 作为科技强国，美国虽有造出世界第一台工业机器人的荣耀， 但由于当时对机器人前景看淡而没能持续发展，终被日欧赶超。知 耻后勇的美国在 2011 年 6 月推出的 “先进制造伙伴计划”中，明确 指出要通过发展机器人重振制造业。依靠强大的工业基础和科技底 蕴，近些年美国开始在机器人产业领域发力，百特、 Adept 等企业 已有资本向传统四大机器人企业发起挑战。 韩国机器人产业近几年发展迅速。在 2009 年发布第一个机器人 产业发展五年规划后，韩 国 于 2014 年 8 月宣布了第二个智能机器人 开发五年规划，希望通过技术与其他产业的融合实现机器人产业的 扩张 ， 已成为世界机器人产业领域一股不可忽视的新生力量。 目前，工业机器人在汽车、金属制品、电子、橡胶及塑料等行 业已经得到了广泛的应用。随着性能的不 断提升，以及各种应用场 景的不断明晰， 2013 年以来，工业机器人的市场规模正以较快速度 增长。 2018 年中国、日本、美国、韩国和德国等主要国家销售额总 计超过全球销量的 3/4，这些国家对工业自动化改造的需求激活了工 业机器人市场，也使全球工业机器人使用密度大幅提升，目前在全 球制造业领域，工业机器人使用密度已经达到 85 台 /万人。 图 22 全球工业机器人销售额及增长率 资料来源： IFR 依托高性能芯片、无线通讯、智能算法等技术，智能公共服务 机器人应用场景和服务模式的不断拓展，带动服务机器人市场规模 高速增长。 2014 年以来全球服务机器人市场规模年均增速达 21.9%， 2019 年全球服务机器人市场规模预计将达到 94.6 亿美元， 2021 年将快速增长突破 130 亿美元。 服务机器人的市场规模最终将 超越工业机器人，已成为业内共识，且大多预计赶超时间仅需三至 五年。 107 111 131 154 154.8 159.2 168.5 181.4 12.6% 3.7% 18.0% 17.6% 0.5% 2.8% 5.8% 7.7% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0% 14.0% 16.0% 18.0% 20.0% 销售额（亿美元） 年增长率 图 23 全球服务机器人销售额及增长率 资料来源： IFR 全球特种机器人整机性能持续提升，不断催生新兴市场，引起 各国政府高度关注。 其中，美国、日本和欧盟在特种机器人创新和 市场推广方面全球领先。美国提出“机器人发展路线图”，计划将特 种机器人列为未来 15 年重点发展方向； 2018 年提出无人系统综 合路线图，明确特种无人系统未来发展的关键技术主题、阶段重点 和目标。日本提出“机器人革命”战略，涵盖特种机器人、新世纪 工业机器人和服务机器人三个主要方向，计划至 2020 年实现市场规 模翻番，扩大至 12 万亿日元，其中特种机器人将是增速最快的领 域。欧盟启动全球最大民用机 器人研发项目， 计划到 2020 年投入 28 亿欧元，开发包括特种机器人在内的机器人产品并迅速推向市 场。 2014 年以来全球特种机器人产业规模年均增速达 12.3%， 2019 年全球特种机器人市场规模将达到 40.3 亿美元；至 2021 年，预计 全球特种机器人市场规模将超过 50 亿美元。 35.1 41.8 54 69.3 82.9 94.6 110.3 131.4 9.0% 19.1% 29.2% 28.3% 19.6% 14.1% 16.6% 19.1% 0 20 40 60 80 100 120 140 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 销售额（亿美元） 年增长率 图 24 全球特种机器人销售额及增长率 资料来源： IFR 2. 国内 机器人产业发展现状 近年来，我国机器人产业规模快速增长，关键技术不断突破。 习近平总书记 2014 年在两院院士大会上强调， “ 机器人的研发、制 造与应用是衡量一个 国家科技创新和高端制造业水平的重要标志 ” ， 不仅要提高中国机器人水平，还要尽可能多地占领市场。 随着我国 机器人市场快速发展，机器人及其核心零部件产业链日渐成熟。其 中，工业机器人连续多年成为全球第一大应用市场；服务机器人需 求潜力巨大，市场不断扩张；特种机器人的应用也不断加深。整体 来看， 2019 年，我国机器人市场规模预计达到 86.8 亿美元， 2014- 2019 年的平均增长率达到 20.9%。其中工业机器人 57.3 亿美元，服 务机器人 22 亿美元，特种机器人 7.5 亿美元 。 22.6 26.2 29 32.4 36.6 40.3 45.3 52.3 13.0% 15.9% 10.7% 11.7% 13.0% 10.1% 12.4% 15.5% 0 10 20 30 40 50 60 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0% 14.0% 16.0% 18.0% 销售额（亿美元） 年增长率 图 25 2019 年中国机器人市场规模 资料来源： IFR 2016 年，工信部、发改委、财政部联合发布机器人产业发展 规划（ 2016-2020 年），充分肯定了机器人产业发展的重要作用，也 指出了我国发展机器人产业的必要性和紧迫性。 随着人工智能时代 的到来，在 “ 机器换人 ” 大潮下，机器人消费市场快速扩大。 2018 年中国机器人市场规模超 70 亿美元。随着技术不断提升、应用场景 拓宽，预计 2019 年中国机器人市场规模将达 86.8 亿美元。 工业机器人 66% 服务机器人 25% 特种机器人 9% 图 26 中国机器人市场规模预测 数据来源：中商产业 研究院 国内机器人产业已经形成四大区域集群，北部的环渤海地区、 南部的珠三角、东部的长三角和中西部，均呈现出比较迅猛的发展 势头。其中，环渤海地区科研机构扎堆，研发能力强，以中科院沈 阳自动化研究所、哈工大、北航为代表，具有人才培养优势；长三 角、珠三角地区产业基础雄厚、市场空间大，在电子信息技术和机 械制造等产业为机器人发展提供强大支撑；而以武汉、长沙、重庆 为代表中西部集聚区，则依托外部的科技资源，衍生出众多行业龙 头企业 当前，我国生产制造智能化改造升级的需求日益凸显，工业机 器人需求依然旺盛，我国工业机器人市场保持 向好发展，约占全球 市场份额三分之一，是全球第一大工业机器人应用市场。 近几年 来 ， 国产工业机器人已逐步获得了市场的认可 ， 国产化趋势逐渐显 现。 我国工业机器人密度在 2017 年达到 97 台 /万人，已经超过全球 34.8 41.5 50.1 59.9 72.1 86.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2014 2015 2016 2017 2018 2019E 市场规模（亿美元） 平均水平，预计我国机器人密度将 2021 年突破 130 台 /万人，达到 发达国家平均水平。 图 27 中国工业机器人销售额及增长率 资料来源： IFR 受利好政策扶持、技术升级优化、老龄化带动需求等因素影 响， 国内 服务机器人市场迎来发展。服务机器人存在巨大的市场潜 力和发展空间， 2018 年我国服务机器人市场规模增速高于全球服务 机器人市场增速。 我国服务机器人产业起步相对较晚，部分产品还 处于研发试验阶段。但随着技术不断提升、居民消费水平提高，价 格多层次符合多个消费群体需求，服务机器人的应用范围越来越 广，消费市场不断扩大。 到 2021 年，随着停车机器人、超市机器人 等新兴应用场景机器人的快速发展，我国服务机器人市场规模有望 接近 40 亿美元。 26.8 30 39.3 51.2 54.2 57.3 63.2 72.6 40.8% 11.9% 31.0% 30.3% 5.9% 5.7% 10.3% 14.9% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 销售额（亿美元） 年增长率 图 28 中国服务机器人销售额及增长率 资料来源： IFR 当前，我国特种机器人市场保持较快发展，各种类型产品不断 出现，在 应对地震、洪涝灾害和极端天气，以及矿难、火灾、安防 等公共安全事件中，对特种机器人有着突出的需求。 2019 年，我国 特种机器人市场规模预计将达 7.5 亿美元，增速达到 17.7%，高于全 球水平。其中，军事应用机器人、极限作业机器人和应急救援机器 人市场规模预计分别为 5.2 亿美元、 1.7 亿美元和 0.6 亿美元。到 2021 年，特种机器人的国内市场需求规模有望突破 11 亿美元。 4.6 6.4 9.4 12.7 16.5 22 29.4 38.6 38.4% 39.1% 46.9% 35.1% 29.9% 33.3% 33.6% 31.3% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 50.0% 销售额（亿美元） 年增长率 图 29 中国特种机器人销售额及增长率 资料来源： IFR (三 ) 机器人 产业发展 趋势 1. 工业机器人 产业 发展趋势 当前， 工业机器人的应用场景愈加广泛，苛刻的生产环境对机 器人的体积、重量、灵活度等提出了更高的要求。与此同时，随着 研发水平不断提升、工艺设计不断创新，以及新材料相继投入使 用，工业机器人正在向着小型化、轻型化、柔性化的方向发展，应 用领域逐渐由搬运、焊接、装配等操作型任务向加工型任务拓展， 人机协作正在成为工业机器人研发的重要方向。 目前，我国已将突破机器人关键核心技术作为科技发展重要战 略，国内厂商攻克了减速机、伺服控制、伺服电机等关键核心零部 件领域的部分难题，核心零部件国产化的趋势逐渐显现。与此同 时，国产工业机器人在市场总销量中的比重稳步提高。国产控制器 等核心零部件在国产工业机器人中的使用也进一步增加，智能控制 2.2 3 3.9 5.2 6.3 7.5 9.1 11.1 45.0% 36.4% 30.0% 33.3% 21.2% 19.0% 21.3% 22.0% 0 2 4 6 8 10 12 2014 2015 2016 2017 2018 2019* 2020* 2021* 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 50.0% 销售额（亿美元） 年增长率 和应用系统的自主研发水平持续提高，制造工艺的自主设计能力不 断提升。 2. 服务机器人 产业 发展趋势 人工智能技术是服务机器人在下一阶段获得实质性发展的重要 引擎，目前正在从感知智能向认知智能加速迈进，并已经在深度学 习、抗干扰感知识别、听觉视觉语义理解与认知推理、自然语言理 解、情感识别与聊天等方面取得了明显的进步。 我国在人工智能领 域技术创新不断加快，中国专利申请数量与美国处于同等数量级， 特别是计算机视觉和智能语音等应用层专利数量快速增长，催生出 一批创新创业型企业。 我国已在医疗、烹饪、物流等机器人的应用领域开展了广泛的 研究，随着机器人技术水平进一步提升，市场对服务机器人的需求 快速扩大，应用场景不断拓展， 应用模 式不断丰富。 3. 特种机器人 产业 发展趋势 当前特种机器人应用领域不断拓展，所处的环境变得更为复杂 与极端，传统的编程式、遥控式机器人由于程序固定、响应时间长 等问题，难以在环境快速改变时做出有效的应对。随着传感技术、 仿生与生物模型技术、生 物 电信息处理与识别技术不断进步，特种 机器人已逐步实现“感知 -决策 -行为 -反馈”的闭环工作流程，在某 些特定场景下，具备了初步的自主能力。与此同时，包括液态金属 控制技术和基于肌电信号的控制技术在内的前沿科技将推动新型材 料在机器人领域的使用和普及，仿生新材料与刚柔耦合结构也进一 步打破了传 统的机械模式，提升了特种机器人的环境适应性。 我国政府高度重视特种机器人技术研究与开发，并通过 863 计 划、特殊服役环境下作业机器人关键技术主题项目及深海关键技术 与装备等重点专项予以引导和支持。目前在反恐排爆及深海探索领 域部分关键核心技术已取得突破，例如多传感器信息融合技术、高 精度定位导航与避障技术、汽车底盘危险物品快速识别技术已初步 应用于反恐排爆机器人。与此同时，我国先后攻克了钛合金载人舱 球壳制造、大深度浮力材料制备、深海推进器等多项核心技术，使 我国在深海核心装备国产化方面取得了显著进步。 二、 5G+机器人 行 业 发展趋势分析 (一 ) 移动通信技术发展简介 从人类社会诞生以来，更加快捷高效的通讯就成为人类矢志不 渝的追求。自 19 世纪 80 年代开始，全球移动通信技术每十年出现 一次飞跃，经历了移动语音时代（ 1G）、文本时代（ 2G）、数据时代 （ 3G）、融合应用时代（ 4G）共 4 个时代的更替，实现了模拟向数 字、语音向数据、窄带向宽带的转变，成为推动经济社会发展的最 重要动力之一。现阶段， 5G 技术的成熟与应用，使得物与物的互联 时代即将到来。移动通讯技术标准也从群雄逐鹿到三足鼎立，最终 在 5G 时代实现融合统一，为全球化应用和产业链良性发展提供重 要 支撑。 图 30 移动通信技术发展历程 5G 将渗透到未来社会的各个领域，使信息突破时空限制，提供 极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴； 5G 将拉近万物 的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联 ； 5G 将为用户提供光纤般的接入速率， “零 ”时延的使用体验，千亿设 备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多 场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来 超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低。 图 31 5G 典型应用场景 (二 ) 5G 对机器人 技术的 影响分析 5G 属于通信技术范畴，其发展有望带来整个信息基础设施的革 命性升级。但 5G 对具体产业的影响，除了通信产业本身， 5G 并不 能单独发挥作用，而是需要与其他基建层技术和通用技术（如边缘 计算、视觉技术、传感技术、 AR/VR 技术等）结合，作用于不同产 业。 5G 的应用，不仅仅是简单的网速和连接数的提升，而是量变 引 发质变，带来全球数据量级的指数级跃升，驱动全球行业应用超过 12 万亿美元经济产出 ，掀起颠覆式的产业变革。 图 32 万物互联时代的技术层次结构 5G 的推广和应用，三大应用场景和本身具备的 MEC、切片等技 术特点，使得 5G 不仅仅提供了通讯能力，更是承载了 通讯技术 、 软 件技术 、 数据技术 、 人工智能 技术的融合体。机器人与 5G 技术的融 合，不仅实现了数据的互联互通，更可以借助 5G 技术及其所提供的 垂直行业能力，改变机器人的实现方式，在功能性、灵活性、性能 指标等方面得到突破。 5G 技术为机器人 在机器人与互联网、机器人与机器人、机器人 与智能终端 之间 的数据交互提供了统一的通讯接口，并优化整合了 主要的基础能力和通用技术，将数据 的 处理、存储、分析、可视化 转码 在传输过程中完成并直接应用 到机器人的行为动作 上 ，实现物 联网、 云能力 与人工智能的深度融合 ： 5G+物联网使得 机器人的数据 采集从仅依靠本身能力延伸扩展到利用 一切 联网 的 可交互终端 ； 5G+ 云使得机器人的数据存储和分析计算能力得到显著提升； 5G