机器人行业专题报告-运动控制机器人供应链关键环节

机器人行业专题报告：运动控制，机器人供应链关键环节运动控制成为人形机器人供应链的主要领域机器人产业链框架人形机器人产业链涉及的四大环节：感知、交互、运控、导航。自动化装置包括：1）传感器：本体感受传感器、触觉+视觉+声音传感器、机器视觉等（数量较多）；2）执行器：减速器、伺服系统、微电机等（数量较多）；3）计划控制：控制器、工控系统、AI系统等。运动控制硬件领域有望成为人形机器人主要外部供应链根据特斯拉产品发布会信息，人形机器人Optimus（擎天柱）主要配置为：身高1.72m，体重57kg，可负载20kg，最快运动速度8km/h；采用Autopilot的摄像头作为视觉感知传感器，共八个摄像头；采用FSDComputer作为计算核心；脖子、胳膊、手、腿、躯干累计搭载了40个机电传动器；搭载多相机神经网络、基于神经网络的规化、自动标记、算法训练等。Optimus单价位于17~30万元之间，有望进入消费级、商级等各类场景。人形机器人对运动控制能力及感知计算能力要求较高，人形和工业机器人的核心零部件基本相同，数量和质量上有升级需求。在特斯拉的产品介绍中，软件装置，如全自动驾驶计算机FSD进行行为决策与运动控制，Dojo超级计算机进行神经网络自动训练，主要是特斯拉自己完成。硬件方面，机电传动器领域预计会采取和外部供应链合作的方式。与工业机器人2-6的自由度相比，人形机器人通常有30-40自由度，对应的伺服电机、减速器数量有较大增长空间。伺服系统和减速器（谐波）环节国内产业化能力相对较强；控制系统与工业机器人差别较大，开发和供应模式尚不明确；传感器环节，与外部环境感知和导航相关的自动驾驶类传感器有望受益。成本构成上，人形机器人中运动控制占比接近50%，其中减速器占比22%，伺服系统占比16%，控制器占比11%。减速器：机器人运动的关节减速器可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺服电机功率有限导致输出的扭矩较小的缺陷。根据构架和传动原理的不同，减速器可分为RV减速器、谐波减速器、齿轮减速器和摆线针轮减速器等。谐波、RV减速器的构造及工作原理：谐波减速器构造主要包括刚轮（带有内齿圈的刚性齿轮）、柔轮（带有外齿圈的柔性齿轮）、以及波发生器，通常采用波发生器主动-刚轮固定柔轮输出形式，当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，此时长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，为完全啮合状态；而短轴处则为脱开状态，当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。RV减速器由正齿轮（行星轮）、RV齿轮、曲柄轴、销（针齿销）、外壳（针轮）、输出轴等组成，其中RV齿轮位于正中是减速器的核心，其工作原理是通过正齿轮变速、差动齿轮变速进行变速。机器人使用的减速机主要有三种：RV减速机、谐波减速机、行星减速机，最常用的是RV和谐波。谐波减速器在多关节机器人、SCARA、协作机器人、DELTA机器人中平均应用3.5台、3台、7台与1台，下游主要是多关节机器人（占比36.22%）、协作机器人（占比32.41%），RV减速器在中大负载的多关节机器人中应用数量较多，RV在小型的SCARA、协作机器人中应用较少。行星减速机因精度较低，在机器人行业应用较少，常用在DELTA上，少量使用在SCARA上。我们测算：人形机器人减速器使用数量或在40~50个，将大幅抬升减速器的需求天花板。主要逻辑：减速器数量主要取决于手指数量、手腕弯曲度、腿部弯曲度等。若是人形机器人想达到人类相似的活动自由度，共需要78个减速器，使用谐波减速器约60个（在人形机器人小臂、腕部、手部等部件），RV减速器约18个（在人形机器人的腰、上臂、下臂等大惯量、高转矩输出部件）。若是基本满足人形机器人需求的情况下，共需要减速器40~50个。预计25年中国工业机器人RV/谐波需求为45.7/41.2亿元我们预测2025年中国工业机器人RV减速器市场需求45.7亿元，谐波减速器市场需求为41.2亿元。工业机器人的工作寿命一般为8-10年，减速器的使用寿命通常在两年左右，当前保有的工业机器人维修保养亦需要大量的减速器替换。新增的工业机器人需求是减速器产业发展的主要驱动力，机器人存量市场的更换亦是需求方向之一。核心假设：

1）据MIR预测，2021~2025年中国工业机器人销量将从25.64万台增长至45.72万台；

2）单台工业机器人所需RV减速器、谐波减速器分别为2个和3个；

3）RV减速器和谐波减速器单价分别为5000元/台和3000元/台。竞争格局：谐波实现进口替代，RV持续进步谐波的龙头是哈默纳科（HD），RV的霸主是纳博特斯克（帝人），2021年这两家全球市场份额合计75%左右，其中纳博特斯克占60%。谐波减速器国产替代趋势明显，本土企业快速追赶哈默纳科。2021年，哈默纳科占中国谐波减速器38%的市场份额，相较2018年过半的市场份额显著下降。以绿的谐波为代表的国产谐波减速器份额提升明显，但在全球市场跟国际巨头的市场份额依然存在差距。同时，国内入局新玩家增多，除日本新宝、来福等原有厂商，同川、大族等企业也占据了一定的市场份额。据GGII统计数据显示，中国市场超100家本土企业涉足精密减速器的生产，其中谐波减速器企业超50家，国内企业增多叠加技术迭代升级，继续推动国产份额提升。日企掌握全球80%以上的RV减速器市场份额。据前瞻产业研究院数据，截至2020年，日本机器人减速器企业占据了全球80%以上的市场份额，RV三巨头是纳博特斯克、住友、SPINEA，其中博特斯克市场份额达到60%。采埃孚减速机的性能跟精度也处于前列，主要应用在高端机床上，工业机器人行业应用较少。国产RV减速器在技术领域有所突破，但高端市场、重负载市场的市占率、产品系列完善度方面有待进一步提高。国产RV以模仿起步，目前国内规模靠前的企业有双环传动、中大力德、南高齿、南通振康、力克精密等。国内厂商加快扩产节奏，满足减速器增长需求。近年来主流减速器日企产能扩张计划受疫情影响进度减缓，加之日本的人工成本较高，国内厂商在扩产成本上备具一定优势。绿的谐波减速器产能已突破30万台/年。RV减速器方面，双环传动

21年均实现6万台套以上产能，并计划进一步产能扩充。技术壁垒：加工设备、材料、工艺国产减速器精度、寿命与外资仍有一定差距。在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上，国产减速器已经基本达到了国际领先的产品水平，但是在使用寿命、故障率等方面仍有差距。根据官网数据，纳博特斯克销量最高的RV-C和RV-E系列都具有更高的额定输出转矩和减速比，同时寿命可以达到6000小时以上。与国外产品相比，一部分国产减速器长时间使用后仍有出现的磨损、漏油、精度下降的情况，在产品稳定性和使用寿命上仍需提升。减速器对技术积累要求非常高，细小的工艺差距会影响减速器的精度、损耗速度和寿命。打破海外技术壁垒的关键：设备、制造工艺。1）国内厂商仍以购买进口制造设备为主，部分国家对我国有所限制，导致国内企业对于新增需求无法做出快速反应，加之我国机床整体制造水平偏低，对减速器零件加工工艺缺乏经验，自主制造能力仍然受限。除了绿的谐波等企业通过工艺、材料的改进解决设备卡脖子问题外，加速提高国产精密设备制造水平仍为关键。2）减速器属于薄壁零件，如果热处理技术不过关，会导致零件变形较大，RV减速器C系列中的双联齿轮对于热处理变形的控制等，均属于技术难题。伺服电机：机器人运动的心脏2021年中国工业机器人伺服系统市场规模20.7亿元电机按用途可划分为驱动用电动机和控制用电动机。1）驱动用电动机包括：电动工具用电动机、家电用电动机及其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。2）控制用电动机包括：步进电动机、伺服电动机、空杯电机等。伺服系统直接影响工业机器人的运动精度、控制速度以及稳定性，主要包括伺服驱动器、伺服电机、编码器三部分。伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够随着输入量的任意变化而变化的自动控制系统。伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。工业机器人行业占伺服系统下游9.4%，主要应用交流伺服电机，其中协作机器人主要用直流无刷电机；服务机器人和医疗器械是对无刷直流伺服增长带动比较明显的领域。由于交流伺服电机具有最大转速高、速度控制平滑、振荡小不易发热以及适用于无尘、易爆环境的诸多优点更加适应工业自动化对于运动控制的要求，目前大多数工业机器人与数控机床都采用交流伺服电机。无刷直流伺服市场的增长与下游行业应用以及细分行业中电机技术替代趋势密不可分，服务机器人和医疗器械是对无刷直流伺服增长带动比较明显的领域。2017~2021年，中国伺服系统市场从97亿元增长至224亿元，CAGR=23.27%。2021年中国伺服电机市场规模为169亿元，2017-2021年CAGR=9.86%。其中，交流伺服电机市场占比65%，直流伺服电机占比35%。2019年交流伺服电机市场90亿，2010年至2019年CAGR=9.67%，占比从69%增长至78%；直流伺服电机25亿（2020年无刷直流伺服市场约12亿），2010年至2019年CAGR=4.25%。2021年工业机器人伺服系统市场规模20.68亿元，占比9.4%。人形机器人采用直流伺服电机和微型电缸系统，单台设备所需机电传动器数量约30~40个，单台用量是多关节机器人的6~7倍。由于人形机器人体积更大，以及对精度要求更高，人形机器人通常使用直流无框力矩电机，可以在较小体积下输出较大的力。其中对于颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节来说，一般采用标准的电机组合形式，电机功率约100~200瓦。对于手部关节，空间狭小、要求较高，可选用微型电机系统和微型电缸系统相组合的形式，电机功率大约30瓦左右。短期来看，2020Q2以来中国交流伺服电机景气持续上行，2022H1增速开始放缓。2022年上半年中国交流伺服电机销售额为123.32亿元，同比持平。2022Q2同比略有下滑，主要是由于疫情加剧上游缺芯+机床下游行业（传统汽车、工程机械、3C）市场低迷导致需求持续减弱。表现得相对比较稳定的是大中型PLC，在2022Q2仍保持同比正增长，主要得益于新能源、半导体及部分项目型行业如化工、市政等仍保持增长。我们将持续关注下半年行业需求的变化。竞争格局：外资占据高端市场，汇川打破垄断国内工业机器人伺服电机（主要是交流伺服）外资品牌占比约65%，汇川技术打破外资垄断。外资品牌中以日系和欧美品牌为主导，国产品牌发展起步较晚，在伺服电机领域一直处于追赶位置，2021H1年国内企业市场份额整体市场份额较小，为35%。国内企业中，汇川技术在伺服电机的产量和业务布局及销售占上处于领先地位，据MIR数据，2021年H1汇川技术以15.9%的市场份额超越日系供应商安川、松下和三菱及中国台湾台达，排名第一。中国无刷直流伺服市场集中度不高，CR10市场份额不到50%，销售额在1亿以上的只有1家，5千万以上的只有5家。这些供应商可分为三类：第一类采取电机+驱动器的成套供应方式，主要企业有步科、雷赛智能、科尔摩根等；第二类厂商自己没有驱动器产品，仅供应电机给客户，如国内的常州富兴；第三类公司仅供应驱动器，如ELMO、Copley、高创等。在下游高端应用市场中，科尔摩根、纳诺达克、日系的多摩川等份额靠前。中端市场国产厂商占比较多，步科、雷赛智能、江苏雷利名列前茅。低端市场集中度不高，头部厂商的份额也没有与后面的厂商拉开距离，步科、卧龙电机、和利时等领先。伺服电缸：将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，速度为0.1~2m/s，因为闭环伺服控制，所以控制精度较高，具有成本低，配置灵活等特点，是液压缸和气缸的最佳替代品。国内生产伺服电缸的企业较多，包括：苏州通锦、华欧精密、AIM传动天下、上海冀望、惠州科特、东莞锐联、台达集团、上海贝锡、上海霸田等。技术壁垒：编码器分辨率/响应速度达到国际水准，稳定性/耐用性存在差距头部国内企业中小功率产品的核心技术指标已经达到国际领先水平。根据我们的调研，编码器占电机成本的30%，编码器分辨率决定了伺服电机旋转的角位移，编码器分辨率越高，控制精度也越高。目前安川Σ-7系列与台达ASDA系列所配备的编码器的分辨率最高，为24bit，汇川已经达到23bit的分辨率，与国际领先水平差距较小。在过载能力方面松下、安川、禾川、汇川与西门子的主流产品均已经拥有3.5倍的过载能力，国内企业以达到国际领先水平。国内企业在产品使用稳定性及耐用性方面依然与国外领先企业存在差距。例如安川电机的Σ-7系列耐环境性能表现出众，能够在更严苛的环境下运行。其产品使用海拔高度为2000米，适用最高环境温度为60摄氏度，而国内伺服产品一般适用温度为55摄氏度，且需要在大幅降低负载功率的条件下运行。控制器：机器人运动的大脑控制器是实现对工业机器人的位置、速度、加速度等进行控制的核心零部件，工业机器人与人类的人机交互也依赖于控制器。控制系统主要由控制器（硬件）和控制算法（软件）组成。控制器通过分析伺服电机编码器以及机器人传感器所反馈的信号，通过给伺服驱动器发送位置、速度指令的方式来完成对工业机器人的控制。工业机器人控制器的主流控制方式为PC-Based控制，具有系统通用性强、可拓展性强的优势，能够满足工业机器人复杂运动的算法要求。下游应用场景分散，控制器供应链方式尚不明确。由于人形机器人的伺服驱动器数量高达数十个，需要处理庞杂的数据，工业机器人的驱控一体很难实现，还需额外添加一个独立控制器。人形机器人控制器，对于客户应用场景的了解及工艺要求是主要因素，单独一家厂商还很难将人形机器人做到各个场景的通用，厂商负责本体制造+控制部分做成开源系统可能成为解决方案之一。目前人形机器人生产规模较小，未来进入量产阶段后，供应链方式尚不明朗。2021年中国工业机器人控制器市场14.7亿元，4年CAGR=8.78%中国工业机器人控制器市场规模从2017年的10.5亿元增长至2021年的14.7亿元，CAGR=8.78%。根据中商产业研究院预测，2022年我国机器人控制器市场规模16.2亿元，同比增长10.2%。根据华经产业研究院，2020年全球运动控制市场规模约为196亿美元，同比增长4.81%，预计2021至2025年，全球运动控制市场规模将保持5%的复合增长率。竞争格局：外资主导，国产品牌深耕研发控制系统参与者分种类看：

一类是主流的大型机器人厂商，自主研发控制器和控制算法，包括ABB、KUKA、发那科、国内的埃斯顿等。工业机器人行业巨头一般都采用控制器自产自用的模式，且各机器人厂商的控制器无法兼容，因此控制器市场竞争格局类似于机器人本体的竞争格局。在国产机器人公司中，