机器人：自动化设备的皇冠更是下一代智能化终端

1、一、工业机器人自动化的明珠1、工业机器人，智能制造的代言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，主要用于代替人工从事柔性生产环节，是靠自身动力和控制能力实现各种功能的一种机器。图 1：KUKA 公司生产的多轴工业机器人资料来源：KUKA 官网、目前工业机器人已有较完整的产业链，大致可分为原材料、核心零部件、本体制造、系统集成服务等环节：最上游原材料：主要包括钢材、铸铁、铝合金及少量塑料制品和各种电子元器件。核心零部件：包括控制系统、伺服电机、精密减速器、及传感器等。工业机器人本体制造：机器人的结构和功能设计及实现。系统集成：按照客户需求，进行产线的设计和组装。图 2：工业

2、机器人产业链全景概览资料来源：易观智库、控制器、伺服电机以及减速器是构成工业机器人的三大核心零部件。三大核心零部件的性能、稳定性很大程度上决定了工业机器人的性能与稳定性。由于核心零部件的生产技术壁垒较高，大多关键技术被少数公司垄断，使得机器人生产商在采购时议价能力不足，采购价格较高。控制器是工业机器人的“大脑”。控制器负责将动作指令发布和传递给执行机构。由硬件和软件两部分构成：硬件就是工业控制板卡，包括一些主控单元、信号处理部分等电路；软件主要是控制算法、二次开发等。伺服系统是工业机器人的“动力源”。伺服系统通常由伺服电机和伺服驱动器组成，主要负责将接收到的电压信号转变为转矩与转速以驱动控制对

3、象。减速器是工业机器人的“关节”。减速器是核心零部件中技术壁垒最高的一环，也是工业机器人中成本占比最大的零部件，主要起到匹配转速与传递转矩的作用。减速器分为谐波齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、RV 减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器，其中工业机器人主要使用的是谐波减速器与 RV 减速器。图 3：工业机器人零部件图 4：工业机器人三大核心零部件图示资料来源：Ofweek、资料来源：Ofweek、工业机器人可以按机械结构、坐标形式以及程序输入方式等进行分类。根据坐标形式的不同，工业机器人可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、多关节型和平面关节型等。其中，多关节型（六轴工业机器人）与平面关节

4、型（SCARA型机器人）最为常见，被广泛的应用在了汽车、3C 行业中。表 1：各类机器人简述类型图示优缺点用途圆柱坐标型控制精度高，控制较简单，结构紧凑；由于结构原因，手臂无法达到底部。搬运极坐标型占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可；避障性能较差，存在平衡问题。装配平面关节型（SCARA 型）垂直平面具有较好的刚度，在水平面具装配；在 3C 行业广泛使用于装有较好柔顺性，动作灵活、速度快、定配印刷电路板和电子零部件，位精准；工作半径小，负荷较小。在食品、汽车等行业也有使用电机安装在固定基座上，可以大大减少可以实现快速抓取，用于 3C、机器人运动过程中的惯量。 食品、药品等行业需要快速抓取、装配

5、、分拣环节。DELTA结构紧凑，占地面积小，灵活性好，手部达到位置好；运动中存在平衡问题，喷漆、点焊、搬运等；在汽车高精确定位有难度。行业中大量使用多关节型装配占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可；避障性能较差，存在平衡问题。球坐标型结构简单，编程容易，直线运动速度快；运动范围小，灵活性差，占地面积搬运；可用于食品、汽车、3C大。等行业直角坐标型资料来源：Ofweek、安川官网、拓斯达官网、埃斯顿官网、2、工业机器人于美国发源，于日本兴盛工业机器人诞生于美国，兴盛于日本。1959 年，发明家德沃尔与约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人，它结构和功能都十分简单，只能进行简单的重物搬运。但由于失

6、业率高、工会阻挠等原因，工业机器人并未在美国生根发芽。日本由于其各方面的优势，接过了美国的接力棒，成为了工业机器人产业的引领者，目前日本已经形成了从上游核心零部件到中游本体制造再到下游系统集成的完整产业链。其中，最有名的公司莫过于“工业机器人四大家族”中的发那科与安川，以及减速器龙头哈默纳科以及纳博特斯克。图 5：第一台工业机器人图 6：工业机器人四大家族资料来源：Feed、资料来源：工控网、中国工业机器人产业起步较晚。虽然早在 20 世纪 70 年代，科技部就将工业机器人列入了科技攻关计划，原机械工业部也牵头组织了点焊、弧焊、搬运等工业机器人相关领域的攻关，但由于当时国内人口红利正盛，市场需

7、求不足，工业机器人产业的发展出现了较长时间的停滞。等到 2010 年以后，市场重新将目光投向该领域时，日德等制造强国已经建立起了完善的产业链，在市场竞争中占据了先发优势。国内工业机器人无论是本体还是核心零部件，都与国外巨头存在着巨大的差距。2010 年以后，国内的工业机器人产业开始全面发展。当前，国内的工业机器人仍以本体制造的组装为主，零部件尚需要大量进口，且产品主要定位在中低端市场。3、协作机器人、特种机器人、人形机器人协作机器人：更安全，更适应未来商用、家用空间。工业机器人随着技术进步逐步小型化，分化出具备安全、柔性、与人协作特点的协作机器人。机器人下游行业中，汽车是 20kg 以上应用场

8、景，家电、3C 在 4kg 左右，半导体行业在 12kg 左右。在轻负载工作环境下，安全性得到保障，可实现机器人与人在同一空间内进行协同工作的机器人协作机器人应运而生。图 7：ABB 双臂协作机器人资料来源：ABB 官网、协作机器人与工业机器人最大的区别在于安全性，当触碰障碍物时会自动停下。现多家公司正在开发环境感应技术，已有试用机型可实现碰撞前停止运行。其他区别包括：应用场景不同，工业机器人精度更高，末端速度在 7.8m/s，负载大；协作机器人注重灵活性，对编程要求低，可拖拽示教（精度更低）。图 8：工业机器人 VS 协作机器人资料来源：高工机器人、遨博、特种机器人：针对特殊高危场景的解决方

9、案。特种机器人指除工业机器人、公共服务机器人和个人服务机器人外的机器人，主要应用于专业领域，一般由经过专门培训的人员操作或使用，辅助和/或代替人执行任务。2021 年特种机器人销售额占全球机器人市场的 28.17%，占国内机器人市场的 7.93%。特种机器人分类：（1）根据行业分类：农业机器人、电力机器人、建筑机器人、物流机器人、医用机器人、护理机器人、康复机器人、安防与救援机器人、军用机器人、核工业机器人、矿业机器人、石油化工机器人、市政工程机器人和其他行业机器人。（2）根据功能分类：采掘、安装、检测、维护、维修、巡检、侦察、排爆、搜救、输送、诊断、治疗、康复、清洁等。（3）根据使用的空间分

10、类：地面机器人、地下机器人、水面机器人、水下机器人、空中机器人、空间机器人和其他机器人。（4）根据运动方式分类：轮式机器人、履带式机器人、足腿式机器人、蠕动式机器人、飞行式机器人、潜游式机器人、固定式机器人、喷射式机器人、穿戴式机器人、复合式机器人和其他运动方式机器人。图 9：亿嘉和智能操作机器人、室外带电作业机器人、室内智能巡检机器人资料来源：亿嘉和、人型机器人是旨在模仿人类外观和行为的机器人，被誉为机器人皇冠上的明珠。人形机器人的挑战难度是业界公认最高的，对基础三大要素包括规划、控制和感测所对应的装置要求非常高。特斯拉首席执行官马斯克称 Tesla Bot 有望在 2023 年投入生产，其

11、将用来填补劳动力缺口。人形机器人目前主流的技术路线包括以下几种：（1）以本田 Asimo 为代表的传统电控+控制方法。该方法在控制方面通过力控+位置控制实现，使用传统电机驱动和传统的机械结构，本质类似于意大利 IIT 的 iRonCub 与力控的结合。（2）以波士顿动力 Altas 为代表的液压驱动+控制方法。液压驱动可以实现仿人机器人运动的极致，目前在运动能力上首屈一指。（3）以 Agility 的 Cassie 为代表，重心上移的新方式，腿很细，上半身较大，该方式可以节约功耗。图 10：人形机器人分类资料来源：Ofweek、人形机器人供应链：（1）齿轮：小仿人可选传统齿轮、精密性齿轮、谐波

12、齿轮；（2）驱动器（电机）：国产电机与海外电机相差不大，得益于军工电机转民用；（3）传感器：用于感知设备驱动器内部的转速、位置的传感器，目前以进口为主，技术被老牌海外企业掌握；（4）芯片：均以海外供应商为主，小仿人可以用国产主控芯片。主控芯片：写入电机、舵机、速度驱动器算法的芯片。常用的包括英特尔的 x86 系列芯片（有部分集成控制无法使用 GPU，因而仍在使用传统的 CPU）、基于 AI 计算的 AI 处理芯片，如英伟达芯片、高通的强 AI 算力处理器。国产选择较少；（5）传感器：国产化率较高，其中超声传感器、红外传感器（障碍物检测）、视觉传感器（双目、多目）等基本可以实现国产化。力矩传感器

13、以海外为主。图 11：法国 Aldebaran Robotics 人形机器人图 12：Tesla Bot资料来源：Aldebaran Robotics 官网、资料来源：Tesla 官网、二、安装量已居第一，自主品牌正迎头赶上1、我国成为机器人生产消费大国，21 年全球市场超千亿20112020 工业机器人安装量保持 10%以上年增速，劳动力替代及制造业升级双逻辑加持，长期向好趋势不变。其中中国十年复合增速超 25%，2013 年中国超过日本成为世界最大的机器人使用国，近 20 年来安装量占比从 0%提升至 44%。以我国机器人单台价格中位数 15 万元估计，全球 2021 年市场规模为 120

14、0 亿元。2020 年疫情得到控制后，海内外制造业需求爆发，我国机器人行业进入为期 2 年的增长期，月均产量越过 3 万台大关。仅在 2022 年 4 月后，因长三角疫情而陷入负增长。图 13：主要国家机器人安装量（台）及中国占比（%）图 14：我国工业机器人产量（台）及增速（%）5000004000003000002000001000000全球（台）中国（台）日本（台）美国（台）中国占比（%）50%40%30%20%10%200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920200%1000

15、00800006000040000200000工业机器人月产量（台）名义增速（%）实际增速（%）150%100%50%0%-50% 资料来源：IFR、资料来源：国家统计局、我国机器人密度稳步提升，但与发达国家仍有差距。根据 IFR 数据统计，2019 年全球工业机器人平均保有量已达到 113 台/万人，其中新加坡最高，已达到 918 台/万人，日本 364 台/万人，中国 187 台/万人。从每万制造人员使用量上来看，达到日本水平还有 1X 空间。图 15：2019 年全球每万工人使用机器人数排名（台/万人）图 16：我国机器人密度（台/万制造人员）1000900800700600500400

16、3002001000500400300200工业机器人密度（台/万人）新加坡韩国日本德国瑞典丹麦中国香港中国台湾美国意大利比利时+卢森堡荷兰西班牙奥地利中国 法国斯洛伐克加拿大瑞士斯洛文尼亚1000201620172018201920202025E 资料来源：IFR、资料来源：IFR、“十四五”机器人产业发展规划、机器人下游应用仍以电子、汽车为主，锂电、仓储增速居前。绝对数值上，工业机器人早期主要应用于汽车制造业的焊接、喷涂线，后小型工业机器人（含 SCARA、DELTA）在 3C 行业因成本优势快速替代人力的重复劳动。近年受 “双碳政策驱动”，锂电池板块快速扩产，锂电池生产工艺中叠片、焊接、

17、封装等工序，因一致性需求使用机器人较多，后道检测、组装和 PACK 主要依赖机器人进行大负载抓取、搬运提升自动化水平。仓储环节则主要由 AGV、中大型堆垛机器人组成。电子汽车整车汽车电子金属制品其他光伏汽车零部件锂电池 食品饮料家用电器医疗用品化学制品4.523.842.211.504.5626.676.936.967.2414.349.5811.64图 17：2021 年中国机器人下游行业分布（%）图 18：20202021 年中国机器人下游分行业增速（%）10374 70 62 60 6051 45 3932 30 28 19140% 131120%100%80%60%40%20%锂电池仓

18、储物流医疗用品半导体 食品饮料化学制品金属制品光伏电子家用电器其他汽车电子 汽车零部件汽车整车0%资料来源：MIR、资料来源：MIR、我国工业机器人进出口均价差距大，高端机型更加明显。目前因为国产机器人核心零部件（控制器、伺服系统、减速器等）精度及一致性落后于进口品牌，单个细节的误差最终累积到整体误差上使得国产品牌难以与外资机器人竞争，只能在价格上让步。22Q1 喷涂机器人进出口差价达 4.1 万美元，多功能机器人进出口差价达 4500 美元。图 19：喷涂机器人进出口均价对比（美元/台）图 20：多功能机器人进出口均价对比（美元/台）200000150000100000500000喷涂机器人

19、出口均价（美元/台）喷涂机器人进口均价（美元/台）1600014000120001000080006000400020000多功能工业机器人出口均价（美元/台）多功能工业机器人进口均价（美元/台）资料来源：海关总署、资料来源：海关总署、2、四大家族锁定高端市场，国产双星率先突围“四大家族”全球市占率超 50%，国内市占率超 40%，自主品牌埃斯顿及汇川技术各占 4%。“四大家族”承袭原有机床、伺服系统、焊接设备技术优势，机器人领域继续占据鳌头。国内品牌埃斯顿、汇川技术快速成长，在 2021 年销量均突破 1 万台，进入中国工业机器人销量前十。前者以 6 关节机器人为主、后者以 SCARA 机器

20、人为主，现均向多种负载、全产品系列方向迈进，有望成为真正替代“四大家族”的国产机器人品牌。图 21：2020 年全球工业机器人格局（%）图 22：2021 年中国工业机器人格局（%）发那科11.8617.31.68.21.92.13.23.54.14.715.712.94.87.912.1发那科 ABB安川 库卡 爱普生欧地希川崎 松下 不二越雅马哈柯马史陶比尔电装其他国外品牌中国品牌新时代电气 3川崎3 汇川4埃斯顿 4其他 31雅马哈 515安川电机 9爱普生 9库卡 8ABB9资料来源：前瞻产业研究院、资料来源：MIR、实际应用积累 know-how 是艰难的一关。机器人行业自身周期成长

21、双属性，周期属性与通用自动化及中国自身信用周期相关，而成长性主要来自于制造业升级及劳动替代。后疫情时代，下游各细分行业龙头公司不会因为短期的经济周期波动而暂缓内部的产线升级，同样以宁德时代为首的锂电池厂商扩产方兴未艾，现“四大家族”机器人订单已排产至 2023 年中后。“四大家族”机器人供不应求给国产龙头品牌提供了切入高端下游应用场景的机会。过去国产机器人品牌的应用场景具有单一化、长尾化的特点，缺乏长时间完整生产线自动化的 know-how 积累，在高端应用场景往往难以满足全方位的需求，因而只能以工作站的形式在特点工位进行人力替代。以锂电池行业为例，其既涉及焊接，又涉及小工件高速节拍搬运，也涉

22、及大工件重负载搬运，需要全品类焊接机器人、堆垛机器人、SCARA 机器人的配套。以电池盒焊接工序为例，铝合金焊接需使用搅拌摩擦焊，需要重型负载机器人搭载径轴搅拌器，施加强压力配合高温融化材料再进行摩擦焊，在自身圆周运动的同时保持整体路径的直线。相似的成长路径，埃斯顿承袭控制器、汇川技术承袭伺服系统，快速响应能力助力国产替代。埃斯顿在机器人成长之路上与发那科相近，其拥有 20 年折弯机床数控系统开发经验，15 年折弯机床伺服系统，后收购 Trio 和 Cloos 完善其控制系统及焊接相关技术。汇川技术具备变频器、伺服系统、编码器、PLC&HMI、视觉系统等产品矩阵，可全方位理解运动控制，并具有高

23、度一致性和稳定性。在具备机器人核心零部件自主生产能力外，埃斯顿与汇川技术在配合客户阶段，可支持人员数量及反应速度上较外资品牌优势大。国产品牌正不断丰富自身技术及产品系列，从长尾的非标场景逐步往大批量的标准化场景应用，替代外资品牌。三、控制器、伺服电机、减速机，三核心零部件决定机器人性能1、三核心零部件占据成本 70%工业机器人的核心零部件包括控制器、伺服系统、减速器，决定了工业机器人的精度、稳定性、负荷能力等重要性能指标。核心零部件是产业链中壁垒最高的环节，占机器人成本的 70%。控制器是工业机器人的“大脑”，一般占总成本的 15%左右；伺服系统是工业机器人的“动力源”，一般占总成本的 20%

24、左右。减速器是工业机器人的“关节”， 减速器一般占总成本的 35%左右。图 23：工业机器人成本构成其他 15机器人本体15减速器 35控制器 15伺服电机 20资料来源：Ofweek、2、控制器：工业机器人的大脑控制系统是决定机器人性能的关键要素，接收来自其他各组元的信号、根据已编程的系统进行处理后，向各组元发出指令，从而控制各组元的运行，它是工业机器人实现特定功能的中枢单元。图 24：工业机器人控制系统结构图 25：工业机器人控制系统图示 资料来源：工业机器人、资料来源：埃斯顿官网、目前常用的控制系统从结构上分为三类：以单片机为核心的控制系统，以可编程控制器（PLC）为核心的控制系统，以及

25、基于工业个人计算（IPC）+运动控制器的机器人控制系统。其中 IPC+运动控制器的控制系统凭借运行稳定、通用性强、抗干扰性能力强等优势，正在逐步成为工业机器人控制系统的主流。表 2：工业机器人控制系统分类分类组成特点单片机为核心单一芯片集成基本计算机系统系统集成度高，电路原理简洁，系统成本低，但系统运算速度、数据处理能力有限且抗干扰性 差，难以满足高性能机器人控制系统的要求。PLC 系统为核心自控技术与计算机集成工控系统系统可靠性高、体积小、环境适应性强，但不支持先进的、复杂的算法，不能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹。系统通用性强，构建速度快，能够满足复杂运动的算法要求，抗干扰能力和

26、开放性强。计算机通用平台与实时软件系统集成IPC+运动控制器资料来源：安川公司官网、图 26：全球控制系统市场份额柯马, 2%其他, 18%发那科,川崎重工, 3%那智不二越, 5%16%库卡, 14%OTC, 6%史陶比尔, 6%爱普生, 7%ABB, 12%安川电机, 11%资料来源：Ofweek、核心技术，本体厂家自产居多：工业机器人的控制系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件即工业控制板卡，软件主要是控制算法、二次开发等。控制系统的表现是一家工业机器人厂商设计理念的集中体现，成熟的机器人厂商一般自行开发控制器和伺服系统，从而保证机器人的稳定性和技术体系。因而全球控制系统的市场份额与工业机

27、器人本体情况接近。表 3：国外控制器品牌介绍分类公司控制器品牌介绍ABB 自主研发的 IRC5 控制器由一个控制模块和一个驱动模块组成，增装驱动模块和过程模块，最多可以控制四台机器人作业。ABB机器人公司KUKAKUKA 自主研发的 KRC4 是一个结构清晰、且注重使用开放高效数据标准的系统架构，这个系统架构中集成的所有安全控制、工业机器人控制、运动控制、逻辑控制及工艺过程控制，均拥有相同的数据基础和基础设施并可以对其进行智能化使用和分享。发那科最新研发的机器人控制器 FANUC Robot R-30iA 具有性能高、响应快、安全性强等特点，并且集成了视觉功能，可以节约柔性生产的周边设备成本。

28、发那科安川开发了基于 PC 的具有开放式结构、网络功能的工业机器人控制器，安川2016 年安川还推出了配备人工智能的机器人控制，高精度预测机器人主体的寿命。专业系统生产商KEBA 是专业的工业级伺服系统、运动控制系统生产商，其开发的KeMotion 可即刻投入使用多种软件包，便可快速、方便地获得最佳解决方案。KEBA资料来源：机器人网、各公司官网、智能化程度越来越高，是未来工业机器人发展的必然趋势，未来各本体制造商之间的差异化也将越来越显著，这种差异化最主要体现在控制系统上。随着国内厂商技术的逐步积累进步，目前控制系统与国外产品的差距在逐步缩小。国内知名的工业机器人生厂商均自主研发了自家的控制

29、系统，包括埃斯顿、华中数控、新时达、广州数控、汇川技术等公司，也诞生了一批专业的控制系统服务商如固高科技、英威腾、卡诺普等。表 4：国外控制器品牌介绍分类公司控制器品牌介绍2017 年年初公司收购英国 TRIO，TRIO 是全球前十名运动控制品牌。埃斯顿华中数控自主开发的控制系统华数 II 型控制系统，面向用户提供成套的工业机器人控制解决方案。具备运动控制关键技术、工业机器人及运动控制技术、伺服驱动关键技术等多项关键技术，是国内少数同时掌握这些运动控制核心技术的公司之一。新时达机器人公司汇川技术自主开发的标准型控制器 IMC100 控制器具有高性能（支持 1 台控制器控制多台机器人、支持五阶轨

30、迹规划）、支持 16 轴和 32 轴运动控制功能。自主研发了 RB 系列、RMD 系列、RB03A1 系列控制器，采用国内最先进的 GSK-RC 控制系统，机器人始终能够根据实际载荷对加减速进行优化，可控制 4-8 轴，运算速度达到 500MIPS。广州数控机器人自主研发的 SIASUN-GRC，整体性能已达到国际先进水平，是国内第一个可商品化的机器人控制器，具有小批量生产能力。固高科技自主开发了嵌入式运动控制器、运动控制卡和拿云(Marvie)驱控一体机。采用国际流行的开放型嵌入式工业 PC 软硬件平台，配以自有品牌的运动控制卡。英威腾专业系统生产商卡诺普自主研发 CRP-S80（8 轴）工

31、业机器人控制系统，配以自主研发的专用多轴运动控制卡、数据采集卡及机器人专用端子和安全接口。子公司宝元数控主营工业控制器，可以同时控制 6 台机器设备，并能做云端监控，大幅降低客户成本。研华科技（台资）雷赛智能资料来源：GGII、各公司官网、公司研发的 SMC-606 六轴轨迹控制器具备优秀的运动轨迹控制、灵活便 捷的电子齿轮、电子凸轮、Ethercat 和 CANopen 总线扩展、优秀的 PT 或 PV 规划、连续插补 I/O 功能、在线变速、在线变位置等优势，性价比较 高。3、伺服系统：工业机器人的动力来源伺服系统是工业机器人主要的动力来源，主要由伺服电机、伺服驱动器、编码器三部分组成。伺

32、服含义为“跟随”，指按照指令信号做出位置、速度或转矩的跟随控制。2021 年我国伺服系统市场规模约 189 亿元，处于快速发展状态。图 27：控制系统结构图 28：伺服驱动、伺服电机资料来源：工控网、资料来源：汇川技术官网、伺服电机：每个关节会被布置一个电机。目前小型交流伺服电机使用较多，也有部分采用直流电机。直流电机的优点是功率更大，但交流电机结构更加简单，后期养护和维修更方便，因此越来越受到欢迎。伺服驱动：伺服驱动器主要的作用包括接受编码器信号进行修正调整，然后根据指令发出相应控制电流。驱动器与伺服电机为闭环控制系统，驱动器由编码器送回数据进行控制修正工作。伺服驱动器包括位置控制单元、速度

33、控制单元和驱动单元三部分构成。编码器：为了达到闭环控制，在电机输出轴同轴装上编码器，电机与编码器同步旋转，电机转一圈编码器也转一圈，转动的同时将编码信号送回驱动器，驱动器根据编码信号判断伺服电机的转向、转速、位置是否正确，据此调整驱动器输出电源频率及电流大小。图 29：伺服系统运作原理资料来源：三洋、伺服系统日系主导，欧美其次，国产追随。我国工业机器人用伺服系统仍以日系为主导，但国产突破已小有成就，汇川、禾川、埃斯顿合计共占 18.5%。4.082.642.454.934.615.475.827.237.717.931.6821.1714.599.70图 30：2021 年我国工业机器人用伺服

34、系统市场格局（%）图 31：伺服系统主要品牌发那科多摩川西门子ABB安川 汇川禾川埃斯顿山洋雅马哈三菱台达松下其他 资料来源：产业信息网、资料来源：工控网、伺服电机市场规模持续增长，国产品牌份额加速提升：目前外资品牌占据我国伺服电机市场 65%的份额，主要为日本和欧美品牌。过去外资品牌长期主导市场，近年随着我国工业自动化加速，一批国产品牌迅速崛起。2021 年上半年国产品牌汇川技术首次市场份额占比排名第一，市占率达 15.9%。中国台湾台达和德国西门子在光学仪器领域的占有率也较高。图 32：中国伺服电机行业市场规模图 33：2021H1 中国伺服电机行业市场份额!16%*+46%#12%$%9

35、%&8%9%中国伺服电机市场规模（亿元）YoY200150100500201720182019202020212022E16%14%12%10%8%6%4%2%0% 资料来源：前瞻产业研究院、资料来源：MIR、我国伺服电机与日系和欧美品牌仍然存在差距，主要表现为：大功率产品缺乏、小型化不够、信号接插件不稳定、缺乏高精度的编码器，这些也是国内伺服系统未来要攻克的主要方向。表 5：国内外伺服电机主要差距主要差距具体表现我国伺服电机行业早期模仿日本产品，因而以中小功率为主，功率躲在 3KW 以内，5.5-15KW 的中大功率伺服缺乏，导致某些需要大功率伺服电机和驱动配套的系统无法提供。大功率产品缺乏

36、信号接插件不稳定国产信号接插件的不够稳定，随着接插件的小型化、高密度化趋势，未来需要不断提高接插件的可靠性。小型化不够小功率产品往往追求精细化，目前松下 A6 和安川的 7 电机短小精致，而国内伺服电机普遍偏长，小型化不够。高精度编码器缺乏工业机器人需要用多圈的绝对编码器，目前该类产品严重依赖进口，是制约我国高档伺服系统发展的重要瓶颈。资料来源：、4、减速器：减速增矩，保证精度减速器是工业机器人的“关节”，主要起到匹配转速与传递转矩的作用。减速器是核心零部件中技术壁垒最高的一环，主要起到匹配转速与传递转矩的作用。减速器的分类方式有多种：按照传动类型，减速器可分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星减速

37、器、摆针减速器等；按照传动级数，可分为单级减速器、两级减速器、多级减速器；按照布局方式，可分为展开式减速器、分流式减速器、同轴式减速器等。表 6：减速器的分类按传动类型分类按传动级数分类按布局方式分类齿轮减速器单级减速器展开式减速器蜗杆减速器两级减速器分流式减速器行星减速器多级减速器同轴式减速器资料来源：减速器和变速器、减速增距，协调转速、扭矩，保障精度。工业机器人依靠伺服电机驱动，但伺服电机转速快、扭矩小与工业机器人关节所需要的转速慢、扭矩大矛盾。伺服电机本身可以实现调速，但低频运转下容易发热和出现低频振动，无法保证工业机器人高精度工作。减速器可使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转

38、速降至工业机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩，提高重复定位精度，执行重复、精准的动作。图 34：工业机器人产业链全景概览资料来源：安川官网、谐波减速器工作原理：将波发生器装入柔轮时，柔轮会随波发生器形状变形为椭圆。当波发生器旋转时，柔轮的开口端会产生径向变形，因为柔轮此时为椭圆形，且柔轮齿数少于钢轮齿数（通常为 2 齿），柔轮只会在两个长直径处啮合。随着波发生器的旋转，柔轮与钢轮啮合的位置会发生移动，由于柔轮和钢轮之间的齿数差异，波发生器每旋转 180度，柔轮和钢轮的啮合位置将改变一个齿。减速比计算公式为：（柔轮齿数-钢轮齿数）/柔轮齿数，其中结果为负表明是反向运动，为

39、正表明同向运动。例如，一谐波减速器柔轮为 100 齿，钢轮为 102 齿，则该减速器减速比为-1/50，即输入端波发生器和电机转 50 周，柔轮输出端反向转 1 周。RV 减速器工作原理：在外壳的内环圈内装有圆柱形的滚针（Pin），RV 齿轮的偏心运动引起滚针与摆线形 RV 轮齿的啮合和脱离，产生多组 RV 轮齿与滚针同时啮合，提高负载能力。由于 RV 齿数比滚针少个数目，因此当偏心轴旋转一周时，如果固定外壳(Case)，则 RV 齿轮与输入轴同向转个齿的角度。输出端可以是传动轴（Shaft）或外壳。如果外壳固定，则传动轴为输出，输出为同方向。如果传动轴固定，外壳为输出，输出的方向恰好相反。更

40、换固定和输出部件，可以得到不同的传动比。谐波减速器适合小臂，RV 减速器适合大臂，互为补充。谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点，因此在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势。目前两者适用领域不同，还不能互相取代。一般情况下，一套六轴多关节机器人需要 4 套 RV 减速器和 2 套谐波减速器；一套 SCARA 机器人包含 4 套谐波减速器；一套直角坐标机器人需要 3 套 RV 减速器和 1 套谐波减速器；

41、DELTA 机器人的电机安装在固定基座上，需要 1 套谐波减速器。图 40：谐波减速器工作原理拆解图 41：RV 减速器工作原理拆解资料来源：CEC、资料来源：CEC、相较于其他三种减速器，谐波减速器体积最小、重量最轻，减速比最高。与传统斜齿轮减速器和行星齿轮减速器相比，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2；在同等空间内，谐波减速器最高可以提升减速比近 30 倍。因此在为设备选择减速器时，优先考虑精度，再依据所需的负载能力、空间、成本等筛选。以机器人为例，机器人有严格的定位及重复定位精度要求，几乎只使用 RV 和谐波减速器。常见的工业机器人在基座及大臂上使用 R

42、V减速器（容许力矩负载可达 8000Nm），在中小臂上使用谐波减速器（容许力矩负载在 1500Nm 以内）；轻负载（20kg 以下）的机器人全部使用谐波减速器。目前 RV 减速器和谐波减速器适用范围不同，还不能互相取代。图 35：四种减速器性能对比资料来源：绿地谐波官网、全球超过 85%的减速器市场份额被日本厂商占据：全球工业机器人减速器的市场高度集中，其中日本纳博特斯克在 RV 减速器领域处垄断地位，日本哈默纳科则在谐波减速器领域处垄断地位，两家合计占全球市场的 75%左右。由于其极高的技术壁垒，工业机器人本体制造环节对减速器环节议价能力很弱。图 36：2018 年全球工业机器人减速器品牌市

43、占率其他, 10SPINEA, 5住友, 10哈默纳科, 15纳博特斯克, 60纳博特斯克哈默纳科 住友SPINEA其他资料来源：、四、机器人行业发展的宏观背景1、“机器人王国”日本日本拥有完整的工业机器人产业链。日本拥有从核心零部件，到本体，到系统集成的完整产业链，并且在每个环节都处于世界领先的地位。拥有多家世界知名的机器人公司，例如，哈默纳科与纳博特斯克是减速器里的绝对龙头企业，两者分别建立了谐波和 RV 的行业使用标准，在机器人领域，两者合计市占率超 75%，其中纳博特斯克的市占率超过60%，哈默纳科市占率为 15%左右。发那科是数控系统领域的世界龙头，和伺服电机龙头公司安川电机一起占据

44、工业机器人“四大家族”中的两席。掌握着最多的工业机器人技术专利。日本在工业机器人的关键技术上处于绝对领先地位。除了涂装轨迹规划技术等若干小方面，中国可以与日本分庭抗礼外，其他所有技术基本都被日本牢牢把控，其中谐波减速器、RV 减速器、电焊钳以及焊缝追踪四个领域超过 70%的专利都属于日本。表 7：工业机器人关键技术领域专利来源国结构关键技术来源国结构拥有专利最多的企业谐波减速器日本：69% 中国：11% 美国：8%哈默纳科RV 减速器日本：88% 中国：10% 法国：1%纳博特斯克电焊钳日本占有绝对优势日产汽车3D 视觉控制日本:37% 美国:31% 中国:8%发那科焊缝追踪日本：超过 70%

45、日立涂装轨迹规划中国：32% 日本：31% 德国：21% 美国：16%东机工资料来源：工业机器人发展及其对就业影响、日本机器人从模仿起步，到逐渐引领。工业机器人诞生于美国，并且在很长一段时间内，美国都在技术上保持着绝对领先。1967 年，川崎重工引入日本第一台 Unimate 工业机器人，并在 1968 年仿制出自己的工业机器人。受益于国内劳动力短缺、下游产业的强大需求、政策扶持等因素，日本工业机器人行业在 30 年内完成了从模仿到引领的蜕变。时间时期特征表 8：日本工业机器人发展历程1967-1970 年摇篮期川崎重工从美国引进机器人及其技术建立起生产车间，并于 1968 年制造出第一台机器

46、人。20 世纪 60 年代末日本经济处在高速发展期，年增长率达到 11%，经济的快速发展，加剧了日本劳动力严重不足的困难。成为日本引进机器人的现实基础。1970-1980 年实用期工业机器人年产量由 1970 年的 1350 台猛增到 1980 年的 19843 台，年增长率为 30.8%。19801990 年普及提高期日本政府正式把 1980 年定为机器人的普及元年，开始在各个领域内推广使用机器人。1982 年机器人的产量已经达到 24782 台，高级机器人的数量占世界总数的 56%，是当时美国此类机器人的 5 倍。1986 年，日本的机器人保有量达到 10 万台。这一阶段为日本工业机器人的

47、内生增长阶段。日本国内制造业劳动力人口供给紧缺，制造业工资大幅上涨。在此期间，日本工业机器人的大量使用解决了日本劳动力不足，提高了劳动生产率，改进产品质量以及降低了生产成本。1990-至今平稳增长期由于市场需求结构变化，日本积极发展机器人出口产业，成为出口大国。2012 年，日本机器出口占全年销售总额的 70%。资料来源：日本机器人产业的发展及对中国的反思、我们认为，日本能取代美国，成为工业机器人领域领导者的原因主要有四点：（1）经济快速发展的同时，劳动力出现了短缺；（2）下游应用推动；（3）政策大力扶持；（4）石油危机等因素。下面我们就这四点原因来一一梳理分析。经济腾飞，人力短缺日本在二战后

48、经济开始腾飞。由于国内民主改革，石油价格低，以及美国的战略扶持等原因，日本的经济迅速恢复，在 1951 年恢复到了战前水平。1960 年到 1980 年间正处于经济飞速发展时期，GDP 增速最高达到 25%。1965 年国民生产总值跃居世界第五位，1968 年超越西德，成为仅次于美国的经济大国。劳动力出现短缺。1960 年到 1980 年间，日本名义 GDP 复合增速达到了 14.6%，实际 GDP 复合增速达到 6.7%，而劳动人口的复合增长率仅为 1.1%。快速的经济发展和产业扩张对应着对生产力的需求旺盛，但劳动人口的数量却无法满足庞大的生产需求。这个时期的失业率极低，在 60 年代的很长

49、时间内甚至低于自然失业率（1.5%2.5%），并且在 6080 年代之间一直维持着较低的失业率。在当时，日本的招工岗位甚至多于求职人数，劳动力的短缺大大提升了劳动者的议价能力。与此同时，日本的人口增长率 70 年代后在一直维持在较低的水平，低人口增长率意味着劳动力的短缺具有持续性，如果继续保持劳动密集型的生产方式，未来的劳动力供给将会持续不足。图 37：日本 GDP 增长、失业率以及人口增长率（单位：%）GDP同比增长总人口增长率（右轴）失业率（右轴）15.00%6%5%10.00%4%5.00%3%0.00%2%1%-5.00%0%-10.00%-1%资料来源：世界银行、日本统计局、劳动力短

50、缺导致用人成本迅速升高，机器人顺势增长。根据经济学原理，市场供不应求的直接结果就是卖方价格的增加，而日本制造业 19551980 年间平均薪资的大幅增加也从侧面验证了这一原理。值得注意的是，1965 年1975 年间，制造业薪资水平的复合增长率高达 16.55%。正是这段时期，日本工业机器人完成了从摇篮期到实用期的演变。图 38：日本制造业平均雇员薪资及增速（单位：日元，%）14000001200000100000080000060000040000020000003025201510501954年1956年1958年1960年1962年1964年1966年1968年1970年1972年197

51、4年1976年1978年1980年1982年1984年1986年1988年1990年1992年1994年1996年1998年2000年-5制造业平均薪水增速（ ）资料来源：日本财务省、劳动力短缺导致用人成本迅速升高，机器人顺势增长。根据经济学原理，市场供不应求的直接结果就是卖方价格的增加，而日本制造业 19551980 年间平均薪资的大幅增加也从侧面验证了这一原理。值得注意的是，1965 年1975 年间，制造业薪资水平的复合增长率高达 16.55%。正是这段时期，日本工业机器人完成了从摇篮期到实用期的演变。汽车行业推动汽车行业在日本发展迅速。日本汽车行业在 20 世纪 60 年代进入高速发展

52、时期。1960 年时，日本的汽车年产量仅为48 万，远低于美国和西欧国家等主要汽车生产国的产量。1967 时，日本的汽车年产量已经突破了 300 万，一举超越德国成为了第二大汽车生产国。到 1980 年，日本的汽车年产量已经达到了 1000 万，成为了世界第一大汽车生产国。 20 年间，汽车的产量增长 20 余倍，复合增长速度达到了 16%。图 39：汽车与工业机器人高速发展期高度重合16,000,00014,000,00012,000,00010,000,0008,000,0006,000,0004,000,0002,000,000090000800007000060000500004000

53、03000020000100001950195219541956195819601962196419661968197019721974197619781980198219841986198819900汽车产量（台）工业机器人产量（台）趋势线资料来源：日本自动车工业协会、日本工业机器人产业崛起之路、汽车行业支撑了工业机器人的早期应用。汽车行业是工业机器人应用最早、最广，应用能力最强的行业，机器人密度往往是其他行业的 4 倍以上，时至今日，汽车行业依然是工业机器人应用最频繁的行业。汽车业对产品尺寸、质量、精度和组装的要求较高，需要高质量、大规模的生产力，同时生产中会涉及到危险、高温等人类难以忍受

54、的工作环境，工业机器人则可以有效的完成替换。由于汽车生产厂商规模庞大，现金流充足，有足够的经济实力去进行“机器换人”。再加上当时汽车行业竞争激烈，运用工业机器人可以显著的降低人力成本，提高产品质量，增强竞争力。日本汽车厂商相较于其他厂商，面临着快速扩张的渴望和劳动力供给不足的矛盾，更有动机去引入工业机器人。日本汽车行业与工业机器人行业相互成就。1970 到 1980 这 10 年间，日本汽车产量的复合增长率为 7.6%，工业机器人产量的复合增长率为 30.8%，两个行业的高速发展时期高度重合。汽车厂商作为财大气粗的“金主”，为工业机器人行业解决了发展初期资金不足、入不敷出的问题。作为回报，工业

55、机器人也为汽车行业提供了高效的生产力，解决了汽车行业劳动力短缺的问题。发那科就是通过与美国通用合作，借助其投资，完成了技术的迭代。政策扶持日本出台多项扶持政策鼓励工业机器人行业的发展。提到政策扶持，大家就会联想到中国政府，我国经常因为较多的市场扶持政策而被诟病。但事实上，几乎所有政府都会对国内重要产业采取一定的保护、扶持政策。日本政府就在工业机器人产业发展早期出台了多项政策进行扶持：政府银行会提供优惠的低息资金，鼓励集资成立机器人长期租赁公司，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣

56、优惠产品，企业除享受新设备通常的 40%折扣优惠外，还可再享受 13%的价格补贴。此外，国家还出资对小企业进行机器人知识培训和技术指导等。表 9：日本出台的机器人扶持政策时间政策内容1971机电法普及促进政策1978机情法企业享受设备购买补贴1980财政投融资租赁制度、中小企业设备现代化贷款制度和设备借贷制度1984FMS 机器租赁制度、机电一体化税制政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立机器人长期租赁公司鼓励工业机器人的使用，大幅降低企业使用工业机器人的成本1985高技术税制研发促进政策资料来源：浅析日本机器人产业的现状、适当的补贴对工业机器人行业意义重大。工业机器人在日本刚刚起步时，其技

57、术还不成熟，实际应用中还存在较多问题，例如美国通用公司对工业机器人的第一次应用尝试就以失败而告终。因此，在发展的初期，工业机器人行业亟需包容、呵护，适当的补贴可以大幅增强产业的信心。从机器人采购商的角度来看，补贴的存在降低了企业使用工业机器人的成本，缩短了投资回收期，刺激了工业机器人的消费量；从机器人生产商角度来看，补贴为工业机器人带来了较为稳定的收入来源，解决了前期研发投入大的问题，促进了行业技术的发展与进步。我们对补贴力度对投资回报周期的影响做了简单的测算。由于缺乏 1980 年时工业机器人的价格，我们使用 1996 年日本进口工业机器人价格的均价代替 1980 年的价格进行计算，即 15

58、00 万日元/台。按照当时汽车行业的工作效率，每台工业机器人可以替代 6 个劳动力，当时的工人平均薪资为 80 万日元/年。通过计算，我们发现如果没有补贴的存在，工业机器人的投资额是无法在使用年限（8 年）内收回的，即购买工业机器人进行换人是非理性的。通过敏感性分析，我们发现，当人均薪资越高，补贴力度越大时，投资回收周期越短，购买工业机器人的意愿便越强，当机器人替换劳动力数量达到 6，政府补贴达 40%时，机器人的投资年限可以缩短到 6 年。补贴的存在直接改变了人们对工业机器人的采购意愿。表 10：日本补贴政策对投资回收周期的影响测算工业机器人价格（万）15001500使用年限88补贴力度04

59、0%使用费用（8%）120120折旧费用（直线折旧法）187.5112.5替换人工数66人均薪资（万）8080投资回报周期8.76.1资料来源：IFR、日本财务省、表 11：工业机器人关键技术领域专利来源国结构投资回收周期替换人工数/补贴力度0%30%40%50%60%3-22.2-133.3200.057.133.34120.021.817.114.112.068.76.66.15.65.393.63.23.13.02.9103.02.72.62.62.5资料来源：工业机器人发展及其对就业影响、对于当前的中国来说，机器换人的性价比已经较当年的日本大幅提高。一个普通 6 轴焊接机器人的价格在

60、15 万元左右，加上系统集成配套，也不过 30 万元。而一般焊接机械臂可以替代 3 个成熟焊工劳动力，成熟焊工的工资在 8-10万元，按照简单测算，企业投资一个 6 轴机器人，1 年左右的时间便可收回成本，性价比极高。外部因素石油危机的爆发迫使日本制造业在生产效率上追求极致。在 1973 年爆发“石油危机”后，原油价格从每桶 3 美元大幅上涨到 10.6 美元。石油危机的爆发让石油资源匮乏的日本受到了很大的冲击，制造业的生产成本骤增。在石油价格与人工成本飙升的双重夹击下，提高生产效率是唯一的选择。这个时期，工业机器人完美的迎合了制造业的需求。图 40：石油危机让生产成本骤升（单位：美元）图 4