摆针式减速机安装注意事项(机器人行业深度报告：自动化设备的皇冠，更是下一代智能化终端)

Posted 2023-05-27

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摆针式减速机安装注意事项(机器人行业深度报告：自动化设备的皇冠，更是下一代智能化终端)

（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。（报告来源：未来智库）

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、禾川、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。

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。

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。

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。

（1）经济腾飞，人力短缺

日本在二战后经济开始腾飞。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 年代的很长时间内甚至低于自然失业率（1.5%～2.5%），并且在 60～80 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。

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 1955~1980 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。

（2）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%。

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。

（3）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。

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 1500 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。

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 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。（报告来源：未来智库）

（4）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。

美国对日的贸易逆差迫使日元贬值。与现在的情况类似，20 世纪 80 年代初期，美国财政赤字剧增，对外贸易逆差大幅增长。美国希望通过美元贬值来增加产品的出口竞争力，以改善国际收支不平衡状况。1985 年，美国、日本、联邦德国、法国以及英国的财政部长和中央银行行长在纽约广场饭店举行会议，达成著名的“广场协议”。从这之后，不到 3 个月的时间内，美元从 1:250 日元降到了 1:200 日元，跌幅达到 20%。在 1987 年，美元贬值为 1:120 日元。日元的大幅升值降低了日本出口的价格优势。

制造升级的需求受贸易战影响较小。在“广场协议”前后，美国发起了多个贸易保护措施，主要涉及钢铁、彩电、汽车以及半导体行业。日本都以较为消极的限制出口为应对方式。然而美国的贸易保护并没有影响到日本工业机器人产业的崛起。美国在 70 年代对彩电与 1981 对汽车行业的贸易战并没有对日本的工业机器人造成实质的影响。可以看到，在 1987~1990 年间，日本工业机器人的订单仍然保持着较快的增长速度。我们认为，这是因为日本大部分的工业机器人都在本国使用，较少出口到美国。其次，工业机器人作为一种资本性投入，买方意愿主要取决于其投资回报率。当工业机器人的单位产出成本低于人工成本时，工业机器人的需求是具有一定刚性的。贸易战对生产成本的影响较小，对企业对工业机器人的购买意愿影响不大。

5、“后起之秀”——中国

正如 70 年代的日本一样，现阶段中国也存在着劳动力短缺、成本上升等诸多问题，两者之间拥有惊人的相似度。而正是这些相似的因素，让日本成为了如今的“机器人王国”，也赋予了中国工业机器人产业无限的潜力。

（1）经济快速增长遭遇劳动力短缺

我国经济自改革开发以来，便走上了快车道。1979 年~2013 年，我国 GDP 平均增长率为 9.8%，而世界同期仅为 2.8%。近年来，我国的经济增速相比之前有所减缓，但仍然保持着较高增长速度，2019 年我国 GDP 增速达到 7.31%， 2020 年受疫情影响增速降至 2.74%。在经济保持高增长的时期，我国的制造业劳动力相对短缺的问题逐渐开始显露。从制造业从业人员的绝对数来看， 2013 年开始我国制造业的从业人数开始减少，从峰值的 5258 万下降为 3806 万，减少 1452 万人。近年来不断攀登的老龄人口比例是未来劳动人口短缺的一个先行指标。2020 年，我国老龄人口比例达到 13.5%，且这一数据将随着时间推移继续上升。与此同时，国内的人口增长率近年来一直维持在 0.5%左右的水平。持续上涨的老龄化比例与长期较低的人口增长率意味着国内劳动力短缺的问题将会进一步加剧。

制造业从业人数占比出现下滑趋势。在国内劳动力供给出现短缺的前提下，制造业同时还面临着另一难题：教育水平的提升使得新生劳动力不愿意进入制造业，因为制造业“脏、累、钱少”。虽然制造业平均工资水平不断提升，制造业从业人数的比例还是开始出现了下滑。

当 GDP 高速增长碰到劳动力短缺的问题时，工业机器人是最佳解决方案。工业机器人在简单重复、重量大和环境恶劣的工作环境下相比人来说更具效力。而且，数控技术、感应能力等技术的进步，使得工业机器人“换人”的效率越来越高。如今，工业机器人不仅可以做到“换人”，且能比人更快更好的完成生产任务。我国所处的高增长、低劳动供给的环境，给工业机器人的发展提供了完美的平台。

（2）汽车、电子产业需求旺盛

汽车与电子行业是工业机器人应用最多的行业。日本工业机器人产业高速发展的应用基础就是其庞大的汽车产业，两者可以说是相互成就。一方面，工业机器人解决了日本车企劳动力短缺的问题，另一方面，车企提供的大量订单和现金流解决了日本机器人产业起步难的问题。直到今天，汽车行业还是机器人应用最多、范围最广的行业之一，2020 年应用于汽车行业的机器人占总量的 27%。相比于 50 年前，应用几乎完全依赖于汽车行业，如今随着工业机器人技术的成熟，工业机器人的应用范围大幅扩大。近些年来电子行业成为了工业机器人应用的“新贵”。2020 年，应用于电子行业的机器人销量已经达到机器人总销量的 37%，相比 2011 年的 23%提升了 14 个百分点，远超汽车行业成为了工业机器人应用最多的领域。

传统应用大户，汽车行业为工业机器人发展夯实基础。随着国内经济的飞速发展和国家的政策扶持，我国汽车的产销量在 2009 年开始一直保持着世界第一。从 2001 年的 233 万辆到 2017 年的最高的 2902 万辆，复合增长率达到了 17.06%。2020 年，我国汽车产量达世界总产量的 32.5%。庞大的产业基础给工业机器人发展奠定了扎实的基础。我国汽车行业是国内自动化率最高的行业，2019 汽车工业机器人密度达到了 938 台/万人，远超制造业密度的 187 台/ 万人，但是，相对于日本、美国、德国等工业强国，我国还有一定的增长空间。

国内新能源汽车行业发展迅速。据中国汽车工业协会， 2013 年我国新能源汽车销量仅为 1.8 万辆，到了 2021 年，我国新能源车销量高达 352.1 万台，同比+157.5%，市场占有率提升至 13.4%，另据国家统计局，截至 2021 年底，我国新能源汽车保有量达到 784 万辆，占世界总量的半数以上，是全球新能源汽车保有量最多的国家，也是全球最大的新能源汽车生产国和第一大市场。新能源汽车使用更清洁、高效的能源，拥有节能、环保等特点，是未来发展的趋势。中国作为世界最大的新能源汽车市场，是未来几年内各大厂商的主攻市场。新能源汽车给国产工业机器人带来新机会。新能源汽车行业的发展有望打破国外工业机器人巨头对汽车制造行业的垄断。过去，传统汽车的制造厂商多为国外独资或者合资企业，他们更愿意和“四大家族”合作。而国内新能源汽车行业的崛起不仅会给国产车企带来弯道超车的机会，还可以为国产工业机器人的发展带来契机，如新松机器人的产品已经进入华晨宝马、上汽、长城等国内厂商的生产线。国产工业机器人有望与国产新能源汽车共同成长。

汽车行业的总营收与人均营收同步上升。2021 年，我国汽车行业总营收达到 8.7 万亿元，同比增长6.3%，人均营收达到 208.7 万元，同比增长 4.9%。人均营收的持续增长正是产能不断升级的成果。早期的汽车生产线，需要靠大量的人力投入，生产效率低，工作环境差。在加入了工业机器人等自动化设备后，生产员工也在逐渐从“劳动型”向“技术型”转变。我国的汽车生产线在自动化生产领域已经初见成效。随着自动化程度的不断增加与工业互联网的引入，生产效率将会进一步得到提升。

行业新贵，电子行业为工业机器人发展添动力。随着人民生活水平的提升，人们对电视机、电脑、智能手机等电子设备的需求越来越大。由于生产成本的优势，我国成为了世界的电子产品制造工厂，全球大约 70%以上的电子产品均由中国进行制造和装备。自 1998 年以来，我国的电子产业的营业收入就居各大制造行业之首。2021 年，我国电子制造业主营收达到 14.13 万亿元，占 GDP 总量的 12.35%。

电子行业的“机器换人”经济效益显著。以外观件龙头企业长盈精密为例，其在经过一定的生产线改造后，改善效果显著，生产线工作人员从最初的 600 人下降到不到 50 人，每年节省人工成本 2800 万以上。产品综合良率从低于 70% 上升到高于 95%，单日产能也从 8000 提升到了 25000。

智能手机的生产基地主要集中在中国。中国是全球智能手机普及率最高的几个国家之一，据中国通信院，2021 年中国的手机出货量达到了 3.51 亿部，其中，智能手机出货量达 3.41 亿部，占总出货量的 97.7%。得益于庞大的市场，我国诞生了如华为、小米、OPPO 等知名厂商。同时，中国还是世界最大的智能手机生产基地，虽然近年来手机产量的增速有所下滑，但绝对值还保持着较高水平，2021 年全年我国智能手机产量达到了 12.7 亿台。智能手机制造“机器换人”空间巨大。手机生产的劳动密集度较高。过去，凭借着低廉的人力成本，我国的手机制造工厂如雨后春笋般涌现，更是诞生了富士康这个全球最大的电子产品代工厂，其在 2013 年的员工人数便达到了 120 万人，基本是一个地级市的人口数量。随着人口红利的逐渐消退，人力成本不再是优势，“机器换人”便成为了这些代工企业唯一的出路。事实上，一些公司已经开始行动。富士康仅昆山园区就通过“机器换人”减少了了 6 万名员工。

（3）政策扶持

中央层面出台多项政策鼓励工业机器人的发展。《中国制造 2025》打响了制造升级的第一枪，其中指出到 2025 年国产工业机器人的市占率达到 70%，核心零部件国产化率 80%。随后国家又颁布多个相关政策，为工业机器人的发展指明道路。中央层面明确的政策为工业机器人行业的发展增添信心、坚定目标。

各地政府对工业机器人进行积极扶持。广东省在“工业与信息化发展专项资金”中安排工业机器人发展专题资金，并给予一定比例的采购价格补贴；深圳市政府每年出资 5 亿元专项资金，补助工业机器人等智能产业；东莞市政府给予企业购买国产工业机器人 15%的补助，镇一级还有 20%~50%不等的配套补贴；浙江省财政已累计安排近 6 亿资金支持 “机器换人”技术改造，出台工业机器人购置奖励补贴政策，购置工业机器人按价格 10%补贴。（报告来源：未来智库）

五、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。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站