工業機器人國產化的脖子利潤率：減速器40%伺服系統 35%控制器25%三大核心
人類害怕機器，始于第一次工業革命。
由于機器的生產力遠勝人類，引發了工具對人的替代、人與技術的關系、技術決定論以及技術恐懼癥等一系列思潮，隨著工業生產對社會的全面改造，這些思考也深刻嵌入各種社會議題。這一時期，人們對機器生產可能剝奪勞動者工作崗位的焦慮，即“替代恐懼”成為社會最突出的焦慮。極端表現為成規模的“盧德運動”。
但是時代變了 —— 人與機器的關系，或許會因為勞動力拐點的到來，出現新的故事。
隨著工業化程度的不斷加深，工業生產發展進步，人力成本以及人口結構的改變，勞動力短缺已經代替勞動力過剩，成了主要制造業國家面臨的主要矛盾。
例如我國制造業的勞動力短缺，幾乎成為常態。但工業生產的某些特質決定了，提薪招工僅是權宜之計，大多數制造業的利潤空間不太可能支持薪資持續上漲，這也是制造業向低人力成本地區轉移的基本內在邏輯。
無論是想降低人力成本，還是解決勞動力短缺，用機器人投入生產，成了制造業必然的選擇，是我國近年工業機器人行業繁榮的主要驅動力。
從市場規?？矗M管中美貿易沖突對行業造成了一定沖擊，全球范圍內的工業機器人保有量仍在穩步增長。根據 IFR（世界機器人聯盟）數據顯示，2020 年的全球工業機器人保有量為 301.5 萬臺，較 2019 年增長 10.4%，在 10 年內增長超過 160%（2011 年為 115.3 萬臺）[1]。
中國是世界上最大的工業機器人市場。且增速遠超行業平均水平。根據 IFR 的統計，2020 年中國機器人的年安裝量排名第一，達到 16.8 萬臺，超過了第 2~15 名的總和，是十年前的 7 倍有余（2.3 萬臺）[1]。
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2020 年全球工業機器人安裝量，圖源 | IFR
中國的繁榮并非孤例，對工業機器人的旺盛需求，也出現在全球供應鏈的另一個重要制造業中心，美國。根據美國自動化促進協會（Association for Advancing Automation）的數據，2022 年第一季度美國機器人訂單增長了 40%，2021 年整體增長了 21%—— 這也是勞動力短缺持續惡化的結果 [2]。
因此，工業機器人對未來制造業有著關鍵影響。本文將從產業鏈概況開始，解析關鍵環節，詳述我國工業機器人發展現狀、主要制約因素以及行業未來發展趨勢。
工業機器人的產業鏈概況
工業機器人主要職責是在生產線上進行搬運、碼垛、焊接、打磨、噴涂、組裝等，廣泛應用于汽車制造、3C 電子、金屬加工、食品飲料、半導體等多個行業。工業機器人的研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志，被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”。
盡管相關研究起步于上世紀七十年代，但至今我國工業機器人的國產化率仍較低。尤其是占成本比例較大、且利潤較高的核心零部件，其高端化生產制造仍由在國外廠商掌握。
工業機器人產業鏈
工業機器人產業鏈上游是零部件，包括核心零部件和其它零部件；中游是本體制造，按照機械結構和運動方式的不同，可分為多種類型；下游是機器人系統集成，應用于不同行業場景。
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▲ 公開信息整理 | 果殼硬科技制表
在工業機器人的成本構成中，本體制造僅占約 22%，核心零部件占比超過 70%。
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▲ 公開信息整理
而在利潤方面，本體制造僅有 15%，三大核心零部件的利潤率均高于此：減速器 40%，伺服系統 35%，控制器 25%。
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▲ 公開信息整理
若自下而上審視國產機器人產業，我們會發現，目前工業機器人下游應用端國產化率較高，但中上游則面臨明顯的卡脖子現狀。
國內廠商在渠道、價格、服務等方面占優，因此主要在系統集成領域展開競爭，實現工業機器人在特定場景的應用部署。截至 2020 年 6 月，MIR DATABANK 數據庫共收錄 9456 家本土工業機器人系統集成商，占據了全國 80% 的集成市場。本土集成商在電子行業的競爭力較強，而在傳統的汽車制造領域競爭力較弱，呈現數量多，規模小的業態 [3]。
中游的本體制造環節的國產化率很低，僅為 27%[4]。不過本體制造是一個比較復雜的話題，若聚焦在工業機器人領域，行業長期被”四大家族“（發那科、安川、ABB、庫卡）把持，國內僅有少數廠商可勉強跟隨。但若把目光放在更宏觀的機器人本體制造，在移動機器人（AGV / AMR）、協作機器人等領域，近年來本土廠商的競爭力不錯，機器人本體制造的國產化率可觀。由于這一環節的利潤率并不高，參與競爭的難度又過大，是否要國產化存在不同觀點，與企業具體商業模式與發展路線密切相關，需要具體問題具體分析，本文不再贅述。
在上游環節，減速器、伺服系統、控制器此三種的最核心的零部件，國產化率僅為 36.53%、24.50%、31.20%[5]。相較于復雜的中游制造環節，核心零部件的邏輯更為簡單直接 —— 無論其它環節業態如何，該環節的需求永遠存在，是整個機器人工業的基石。若能實現上游零部件的國產化替代，不僅能解決供應鏈安全問題，也能顯著降低工業機器人的應用成本，并縮短拿貨周期，進一步推動工業機器人的應用，提升智能制造水平。
工業機器人核心零部件
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▲ 工業機器人工作場景及構成，圖源 | 廣證恒生
工業機器人核心零部件包括控制器、減速器、伺服系統。此三個裝置，決定了工業機器人能夠實現自動化的精密運動，在一些生產環節中代替人力。這也意味著其質量對最終產品的性能有著決定性影響，是國產化進程的主攻方向。
控制器
控制器是決定機器人功能和性能的主要部分相當于大腦，能控制機器人在工作空間中的位置、姿態、軌跡、操作順序、運動時間等。
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▲ 工業機器人控制器（左）及本體（右），圖源 | ABB 官網
控制器主要包括硬件和軟件兩部分。硬件部分是工業控制板卡，包括主控單元和部分信號處理電路。軟件部分主要包括底層操作系統、控制算法、二次擴展開發等。
控制器接收來自傳感器的檢測信號，根據操作任務要求，經過算法計算后發出指令信息，驅動機器人關節中的各個電機轉動，從而實現對機器人的精密控制。
控制系統的基本功能包括記憶、示教、坐標設置、與外圍設備聯系、位置伺服、故障診斷及安全保護等等。
伺服系統
伺服系統是機器人的動力系統，相當于“心臟”。伺服系統接收來自控制器的信息，并轉換成轉矩和轉速以驅動控制對象。
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▲ 伺服系統工作原理，圖源 | 信達證券
伺服系統由伺服驅動器、伺服電機、編碼器三部分組成。伺服驅動器將從控制器接收到的信息分解為單個自由度系統能夠執行的命令，傳遞給伺服電機；伺服電機再將收到的電信號轉化為轉速和轉矩，驅動控制對象；編碼器將電機的編碼信號反饋給控制器，很大程度上決定了伺服系統的精度。
當前，工業機器人的伺服系統主要是電氣伺服系統中的交流伺服系統。按照功率大小，可以分為小型 / 中型 / 大型伺服系統。
減速器
減速器是控制機器人運動的核心部件，相當于“關節”。減速器是鏈接伺服系統和末端執行器的中間裝置，能夠降低轉速、增大轉矩，從而驅動“關節”運動。
減速器通過齒輪的嚙合，將電機的轉速減速到機器人各“關節”運動實際需要的轉速，并輸出更大的轉矩，驅動“關節”運動。
工業機器人中的減速器主要是諧波減速器和 RV 減速器兩類。
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▲ RV 減速器軸承分類，圖源 | GB / T 34897-2017
根據 GB / T 34897-2017《滾動軸承工業機器人 RV 減速器用精密軸承》[6] 定義，RV 減速器是傳統擺線針輪和行星齒輪傳動裝置的混合。RV 減速器由多個高密度軸承和齒輪組成，應用于重載機器人的全部關節，以及輕載機器人的部分關節，類似于“大臂”“肩膀”等位置。
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▲ 諧波減速器結構，圖源 | 綠的諧波招股書
根據 GB / T 30819-2014《機器人用諧波齒輪減速器》[7] 定義，諧波減速器由波發生器、柔輪、鋼輪三部分構成。諧波減速器結構簡單，一般應用于輕載機器人的部分關節中，類似于“前臂”“手腕”等位置。
核心零部件國產化進度如何？
當前我國的工業機器人核心零部件國產化水平不一，差距很大?？刂破鞯倪M度最為喜人，減速器則面臨較多技術難題。
減速器：RV 減速器成為“卡脖子”的關鍵
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▲ 全球減速器市場，圖源 | 廣證恒生
全球減速器市場被日本壟斷多年。RV 減速器巨頭納博特斯克占據了全球 60% 的減速器市場，而諧波減速器領先者哈默納科緊隨其后，占據了 15% 的市場 [8]。
納博特斯克于 2003 年 9 月成立于日本，在 RV 減速器領域深耕近 20 年，因“高精度、高剛性、長壽命”以及“小尺寸、輕重量”等特點而在全球范圍內廣受好評。哈默納科于 1970 年成立于日本，深耕諧波減速器領域長達 50 余年。而國內相關企業開始研發減速器的時間較晚，在經驗積累及實踐驗證周期上難以趕超日企。
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相對而言，諧波減速器的國產化程度較高。由于僅有三個零部件，機械構造較為簡單，且哈默納科的專利于 2008 年到期，國內廠商開始把握住學習及研發的機會。
當前，哈默納科仍然在中國占據較大的市場份額，緊隨其后的是國內廠商綠的諧波和來福諧波。這兩家企業均有著十余年的研發經驗，其諧波減速器產品在輸出轉速、傳送精度等性能上與哈默納科差距較小，但在精度保持使用壽命、傳動效率等方面仍有差距。
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▲ 國內外減速器產品指標對比，圖源 | 東吳證券
一方面，國產諧波減速器的價格較低，且交貨周期較短，因此拿下了許多國內機器人廠商的訂單。例如，綠的諧波和來福諧波的同類型產品比哈默納科低 40%~50%，平均交貨周期約為 2 個月（哈默納科為 10 個月）[8]。綠的諧波在國內機器人廠商中的占有率預計已達 80%[9]。
但另一方面，國內廠商的產能仍然較低。來福諧波在 2019 年產能剛剛邁過月產 2 萬臺 [10]，綠的諧波在 2019 年的產能僅為 9 萬臺，而哈默納科在 2018 年即達到 180 萬臺 [8]。
目前減速器國產替代進程只能算剛起步，距離國際先進水平仍有不小差距。
且由于哈默納科產品線更豐富、覆蓋范圍更廣，且在全球范圍內與機器人本體制造龍頭廠商具備穩固的合作關系，為之提供的供貨價更低、供貨規模更大。如何打入現有供應鏈，建立上下游關系，也是國產制造商必須面對的挑戰。
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在 RV 減速器領域，由于其組成零件更復雜、承載強度更高，導致制造難度和產線投資規模都遠大于諧波減速器。RV 減速器的核心難點在于各項工藝的精密配合，例如材料選擇、齒面熱處理、加工精度、成組技術、裝配精度等，配合不夠精密就會影響產品的磨損及壽命。
例如，納博特斯克的 RV 減速器可保持 10000 小時的平均壽命，且精度和剛度不會隨著使用時間增加而下降。而國產產品的壽命低于 6000 小時，且在使用中存在噪聲和發熱等不正常現象，這意味著減速器內部存在齒輪嚙合不良，有超額摩擦、磨損現象 [11]。
因此，我國在 RV 減速器領域與國際水平差異較大。部分龍頭企業如雙環傳動、秦川機床、南通振康、中大力德等，目前的年產量均不足 10 萬臺。而據納博特斯克估計，其 2026 年的年產量將達到 200 萬臺 [12]。
伺服系統：國產替代空間較大
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▲ 中國伺服系統市場格局，圖源 | 前瞻產業研究院
當前，本土伺服市場被日本、歐美、中國大陸、中國臺灣四類廠商占據 [13]。其中，中高端市場主要被歐美和日系企業壟斷。
以安川電機為代表的日系伺服，經過幾十年的技術沉淀，產品穩定性高；以西門子為代表的歐系產品，強調高度集成化，將伺服系統與上游控制系統深度結合，電機體積更小、運動控制精度更高；而以匯川為代表的國產伺服，主要依靠性價比優勢，在中低端領域滿足國內中小企業的需求。
在動力輸出方面，國產、日系、歐系伺服的輸出功率（由轉矩和轉速決定）差距較小，但在運動控制性能上，國產伺服仍然存在一定的差距。例如，速度環頻率通常能反映快速響應性能，頻率越高，說明帶寬越大，快速響應性能越好。由下表可知，西門子的速度環頻率可以達到 2k，安川為 1.5k，而匯川僅能達到 1.2k[14]。
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▲ 伺服電機性能比較，圖源 | 信達證券
除此之外，國產伺服還存在電機尺寸偏大、編碼器精度不足、產品穩定性較低等差距。
但國產廠商正在迎頭趕上。
中國品牌的價格平均比國外品牌低 15%~30%，且積極與下游企業客戶合作開發定制化解決方案，憑借價格優勢和服務能力逐漸占據了中低端市場 [15]。2021 年，匯川的市占率達到 15.9%，成功領先安川、臺達等廠商。而埃斯頓、廣州數控等其他廠商也正在突圍，目前本土伺服廠商總數超過 300 家 [16]。
隨著國產與外資產品在性能上的不斷接近，加上穩定性和可靠性隨著實踐不斷驗證，以匯川為首的國產廠商將有機會進一步替代外資廠商，擴大市場份額。
控制器：硬件國產化差距較小
控制器是我國與國外產品差距最小的核心零部件。
成熟的工業機器人廠商通常會自行開發控制器，以保證統一性、穩定性，維護技術體系。因此，控制器和機器人本體的市場份額基本保持一致。這也就意味著，在這一領域保持領先的仍然是傳統的工業機器人本體“四大家族”。
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控制器分為硬件和軟件兩部分。由于硬件（芯片、電路等）普遍都是外購，機器人廠商之間的差距不大。但國內廠商在軟件上與傳統的“四大家族”差距較大，控制器從“能用”到“好用”還有較長的距離。
控制器作為工業機器人的大腦，對機器人的性能起著決定性影響。對于同樣性能的伺服電機，好的控制算法能夠極大地提升精度、速度、穩定性等。
例如，在小負載焊接領域，國產工業機器人的重復定位精度與“四大家族”大體相當，一般可達到 0.05mm，已經能夠滿足汽車焊接生產的需要，但發那科的最高精度可達 0.02mm。而在最高軸速上，“四大家族”能夠達到 700°/s，國產廠商中僅有為數不多的龍頭企業能夠達到該水平 [17]。
控制器的軟件部分包括機器人操作系統、底層控制算法、二次開發的應用工藝算法等。其中，操作系統既有專用系統，也有開源操作系統。在算法層面，底層算法是基礎，例如路徑規劃、行為決策等。國產廠商在這方面差距較大，導致在針對不同行業場景進行二次開發時，算法的精確性、穩定性、響應速度等性能不足。
當前，埃斯頓、新松、新時達等國內機器人本體廠商均能夠生產控制器，但在軟件算法上，還需要更多的數據、實踐積累和經驗沉淀，才能有所突破。
行業未來發展趨勢
《“十四五”機器人產業發展規劃》文件中，對產業發展提出的規劃是：到 2025 年，我國成為全球機器人技術創新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地。一批機器人核心技術和高端產品取得突破，整機綜合指標達到國際先進水平，關鍵零部件性能和可靠性達到國際同類產品水平 [18]。
當前的現實是，工業機器人行業只在中低端領域有所突破，高端領域仍有大量技術難題待解。當前的核心零部件本質上仍然屬于精密制造，日本、德國的老牌工業廠商起步較早，有著幾十年甚至上百年的技術積累和實踐驗證。中國廠商只能后期追趕，從為國外廠商代工、研發中低端產品起步，逐步向國際一流產品靠近。
但國產替代仍有機會。
首先，當突破了較為基礎的技術工藝后，國產廠商能以較低的價格在中低端領域站穩市場，再逐漸擴大份額；其次，由于供貨周期相對較短，且能為下游企業客戶提供定制化服務，國產機器人本體制造商將可能優先選擇國產核心零部件。
同時，當機器人整體邁向智能化時代，中國領先的“人工智能”技術將賦予工業機器人全新的“頭腦”。例如，視覺傳感器的加入拓展了工業機器人的應用場景。通過機器視覺技術使機器人有了“眼睛”，變得更加靈活。由此會帶來控制算法上的更新迭代，為國產廠商帶來新的機會。
而協作機器人的發展，使機器人不再局限于固定工位的操作，可以柔性地適應不同工作環境，從而實現人機協同。在這一領域，已涌現出許多創業型廠商并快速發展。由此，國產機器人本體廠商將可能搶占傳統工業機器人廠商的市場，而核心零部件供應商也有機會隨之不斷成長。
工業機器人國產化的脖子在哪里？
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當然，最重要的仍然是縮短與國外廠商之間的技術差距?！丁笆奈濉睓C器人產業發展規劃》中提到，要“補齊產業發展短板。推動用產學研聯合攻關，補齊專用材料、核心元器件、加工工藝等短板，提升機器人關鍵零部件的功能、性能和可靠性；開發機器人控制軟件、核心算法等，提高機器人控制系統的功能和智能化水平?！盵18]
工業機器人國產化的脖子在哪里？
具體而言，在整個機器人產業鏈發展過程中都需要：
強化統籌多方資源，發揮行業協會的橋梁作用，加強機器人產業動態監測等；
加大財稅金融支持，發揮政府采購作用，推動各類產業基金投入，支持符合條件的企業上市等；
營造良好市場環境，加強支持產權保護，規范市場招標采購等；
健全人才保障體系，支持高校和科研院所培養高端人才；
深化國際交流，鼓勵國外企業在華設立研發機構，推進機器人產品和解決方案“走出去”等等 [18]。
除了具體技術問題，來自政府層面的政策利好、社會資本的投入以及下游行業的支持，同樣對工業機器人產業鏈的本土化有著至關重要的作用。在良好的內外部因素共同支持下，未來行業的優質發展可以期待。
