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（报告出品方：招商证券） 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。
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。 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。
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）与平面关节型（SCARA 型机器人）最为常见，被广泛的应用在了汽车、3C 行业中。 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。 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。
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）。 特种机器人：针对特殊高危场景的解决方案。 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。 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。
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。力矩传感器以海外为主。 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 2011～2020 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 1200 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。 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。 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、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。
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。 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。 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%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。
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。 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。
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器人本体情况接近。 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。 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。 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。
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，汇川技术、禾川科技、埃斯顿合计共占 18.5%。 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。 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。 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。
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。 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１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１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；DELTA 机器人的电机安装在固定基座上，需要 1 套谐波减速器。 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 RV 减速器（容许力矩负载可达 8000N·m），在中小臂上使用谐波减速器（容许力矩负载在 1500N·m 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。
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。 重点公司分析1、工业机器人 （1）埃斯顿 埃斯顿作为中国最早自主研发交流伺服系统的公司，工业自动化系列产品线包括全系列交流伺服系统、变频器、PLC、触摸屏、视觉产品和运动控制系统，以及以 Trio 控制系统为核心的运动控制和机器人一体化的智能单元产品，为客户 提供从单轴——单机——单元的个性自动化解决方案； 工业机器人产品线在公司自主核心部件的支撑下得到超高速发展，产品已经形成以六轴机器人为主，负载范围覆盖 3kg-600kg，54 种以上的完整规格系列，在新能源，焊接，金属 加工、3C 电子、工程机械、航天航空等细分行业拥有头部客户和较大市场份额。
（2）汇川技术 汇川技术作为国内工控龙头，业务覆盖通用自动化、电梯电气大配套、新能源汽车、工业机器人、轨道交通等领域。现伺服国内第一，变频器国内前三，SCARA 机器人内资份额第一。公司自 2014 年开始布局机器人产业。2017 年，机器人引入视觉跟踪、飞拍等技术，“核心部件+整机+视觉+工艺”全布局，助力高端化。 （3）凯尔达 公司实控人从工业焊接设备领域起家，2002 年成立凯尔达电焊机有限公司，从事工业焊接设备业务。2009 年成立杭 州凯尔达焊接机器人股份有限公司。2012 年完成基于 PLC 运动控制器的工业机器人研发。2013 年公司完成机器人 专用超低飞溅焊接电源的研发。2017 年，推出伺服焊接机器人及配套设备。同年开始研发基于工业 PC 机+EtherCAT 总线技术的第三代工业机器人。2020 年公司薄板焊接机器人销量位居国内第三（前二为 OTC、松下）。 2、特种机器人 （1）亿嘉和 公司成立初期主要从事电子网络设备销售业务。2014 年起，逐步推出室内、室外巡检机器人产品。2018 年，推出消防机器人、物流机器人等。2019 年，推出室外带电作业机器人 Z100。2020 年起，通过收购佗道医疗及定向增发股票，着力布局医疗机器人领域、消防搜救机器人领域。公司最终围绕着特种机器人，公司产品主要包括操作类机器人、巡检类机器人、消防类机器人三大类产品。尤其是操作类机器人的批量出货和应用，为公司打开了新的成长空间，也 为公司筑造了更高的技术壁垒。
3、核心零部件 （1）绿的谐波 公司率先突破谐波减速器技术难点，在实现量产、突破垄断等方面均为国内第一，是当前国内谐波减速器领域当之无愧的龙头。 2003 年董事长左昱昱开始深入研究谐波啮合理论，2013 年公司首台谐波减速器上市销售。公司是国内第 一家实现谐波减速器的量产及批量销售的企业，现具备国内最大产能（30 万台/年），自主机器人品牌中渗透率超 80%。国内第一家成功突破国际谐波减速器品牌在该领域垄断的企业，现配套大客户包括全球协作机器人领域市占率第一的 UR 机器人，ABB，GE 等国内外重要企业。 （2）双环传动 双环传动专注于齿轮及其组件的研发、制造与销售，已成为全球最大的专业齿轮产品制造商和服务商之一。现产品主要为乘用车齿轮、商用车齿轮及工程机械齿轮。技术同源，公司自 2013 年开始研发 RV 减速器，自主研发德高精密摆线减速器，目前公司 RV 减速器已成功进入埃斯顿等国内头部机器人本体厂商供应链，并积极配合外资品牌送样测试。目前公司 RV 减速器产能近 6 万台，并计划年底扩产至 10 万台。 |
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