機(jī)器人：自動化設(shè)備的皇冠更是下一代智能化終端

1、一、工業(yè)機(jī)器人自動化的明珠1、工業(yè)機(jī)器人，智能制造的代言人工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，主要用于代替人工從事柔性生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是靠自身動力和控制能力實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。圖 1：KUKA 公司生產(chǎn)的多軸工業(yè)機(jī)器人資料來源：KUKA 官網(wǎng)、目前工業(yè)機(jī)器人已有較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，大致可分為原材料、核心零部件、本體制造、系統(tǒng)集成服務(wù)等環(huán)節(jié)：最上游原材料：主要包括鋼材、鑄鐵、鋁合金及少量塑料制品和各種電子元器件。核心零部件：包括控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)、精密減速器、及傳感器等。工業(yè)機(jī)器人本體制造：機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計及實現(xiàn)。系統(tǒng)集成：按照客戶需求，進(jìn)行產(chǎn)線的設(shè)計和組裝。圖 2：工業(yè)

2、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈全景概覽資料來源：易觀智庫、控制器、伺服電機(jī)以及減速器是構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人的三大核心零部件。三大核心零部件的性能、穩(wěn)定性很大程度上決定了工業(yè)機(jī)器人的性能與穩(wěn)定性。由于核心零部件的生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高，大多關(guān)鍵技術(shù)被少數(shù)公司壟斷，使得機(jī)器人生產(chǎn)商在采購時議價能力不足，采購價格較高?？刂破魇枪I(yè)機(jī)器人的“大腦”?？刂破髫?fù)責(zé)將動作指令發(fā)布和傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由硬件和軟件兩部分構(gòu)成：硬件就是工業(yè)控制板卡，包括一些主控單元、信號處理部分等電路；軟件主要是控制算法、二次開發(fā)等。伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的“動力源”。伺服系統(tǒng)通常由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器組成，主要負(fù)責(zé)將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對

3、象。減速器是工業(yè)機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”。減速器是核心零部件中技術(shù)壁壘最高的一環(huán)，也是工業(yè)機(jī)器人中成本占比最大的零部件，主要起到匹配轉(zhuǎn)速與傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。減速器分為諧波齒輪減速器、擺線針輪行星減速器、RV 減速器、精密行星減速器和濾波齒輪減速器，其中工業(yè)機(jī)器人主要使用的是諧波減速器與 RV 減速器。圖 3：工業(yè)機(jī)器人零部件圖 4：工業(yè)機(jī)器人三大核心零部件圖示資料來源：Ofweek、資料來源：Ofweek、工業(yè)機(jī)器人可以按機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)形式以及程序輸入方式等進(jìn)行分類。根據(jù)坐標(biāo)形式的不同，工業(yè)機(jī)器人可以分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和平面關(guān)節(jié)型等。其中，多關(guān)節(jié)型（六軸工業(yè)機(jī)器人）與平面關(guān)節(jié)

4、型（SCARA型機(jī)器人）最為常見，被廣泛的應(yīng)用在了汽車、3C 行業(yè)中。表 1：各類機(jī)器人簡述類型圖示優(yōu)缺點(diǎn)用途圓柱坐標(biāo)型控制精度高，控制較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊；由于結(jié)構(gòu)原因，手臂無法達(dá)到底部。搬運(yùn)極坐標(biāo)型占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可；避障性能較差，存在平衡問題。裝配平面關(guān)節(jié)型（SCARA 型）垂直平面具有較好的剛度，在水平面具裝配；在 3C 行業(yè)廣泛使用于裝有較好柔順性，動作靈活、速度快、定配印刷電路板和電子零部件，位精準(zhǔn)；工作半徑小，負(fù)荷較小。在食品、汽車等行業(yè)也有使用電機(jī)安裝在固定基座上，可以大大減少可以實現(xiàn)快速抓取，用于 3C、機(jī)器人運(yùn)動過程中的慣量。 食品、藥品等行業(yè)需要快速抓取、裝配

5、、分揀環(huán)節(jié)。DELTA結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，靈活性好，手部達(dá)到位置好；運(yùn)動中存在平衡問題，噴漆、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等；在汽車高精確定位有難度。行業(yè)中大量使用多關(guān)節(jié)型裝配占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可；避障性能較差，存在平衡問題。球坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)簡單，編程容易，直線運(yùn)動速度快；運(yùn)動范圍小，靈活性差，占地面積搬運(yùn)；可用于食品、汽車、3C大。等行業(yè)直角坐標(biāo)型資料來源：Ofweek、安川官網(wǎng)、拓斯達(dá)官網(wǎng)、埃斯頓官網(wǎng)、2、工業(yè)機(jī)器人于美國發(fā)源，于日本興盛工業(yè)機(jī)器人誕生于美國，興盛于日本。1959 年，發(fā)明家德沃爾與約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人，它結(jié)構(gòu)和功能都十分簡單，只能進(jìn)行簡單的重物搬運(yùn)。但由于失

6、業(yè)率高、工會阻撓等原因，工業(yè)機(jī)器人并未在美國生根發(fā)芽。日本由于其各方面的優(yōu)勢，接過了美國的接力棒，成為了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者，目前日本已經(jīng)形成了從上游核心零部件到中游本體制造再到下游系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈。其中，最有名的公司莫過于“工業(yè)機(jī)器人四大家族”中的發(fā)那科與安川，以及減速器龍頭哈默納科以及納博特斯克。圖 5：第一臺工業(yè)機(jī)器人圖 6：工業(yè)機(jī)器人四大家族資料來源：Feed、資料來源：工控網(wǎng)、中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚。雖然早在 20 世紀(jì) 70 年代，科技部就將工業(yè)機(jī)器人列入了科技攻關(guān)計劃，原機(jī)械工業(yè)部也牽頭組織了點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等工業(yè)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的攻關(guān)，但由于當(dāng)時國內(nèi)人口紅利正盛，市場需

7、求不足，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了較長時間的停滯。等到 2010 年以后，市場重新將目光投向該領(lǐng)域時，日德等制造強(qiáng)國已經(jīng)建立起了完善的產(chǎn)業(yè)鏈，在市場競爭中占據(jù)了先發(fā)優(yōu)勢。國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人無論是本體還是核心零部件，都與國外巨頭存在著巨大的差距。2010 年以后，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開始全面發(fā)展。當(dāng)前，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人仍以本體制造的組裝為主，零部件尚需要大量進(jìn)口，且產(chǎn)品主要定位在中低端市場。3、協(xié)作機(jī)器人、特種機(jī)器人、人形機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人：更安全，更適應(yīng)未來商用、家用空間。工業(yè)機(jī)器人隨著技術(shù)進(jìn)步逐步小型化，分化出具備安全、柔性、與人協(xié)作特點(diǎn)的協(xié)作機(jī)器人。機(jī)器人下游行業(yè)中，汽車是 20kg 以上應(yīng)用場

8、景，家電、3C 在 4kg 左右，半導(dǎo)體行業(yè)在 12kg 左右。在輕負(fù)載工作環(huán)境下，安全性得到保障，可實現(xiàn)機(jī)器人與人在同一空間內(nèi)進(jìn)行協(xié)同工作的機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。圖 7：ABB 雙臂協(xié)作機(jī)器人資料來源：ABB 官網(wǎng)、協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人最大的區(qū)別在于安全性，當(dāng)觸碰障礙物時會自動停下?，F(xiàn)多家公司正在開發(fā)環(huán)境感應(yīng)技術(shù)，已有試用機(jī)型可實現(xiàn)碰撞前停止運(yùn)行。其他區(qū)別包括：應(yīng)用場景不同，工業(yè)機(jī)器人精度更高，末端速度在 7.8m/s，負(fù)載大；協(xié)作機(jī)器人注重靈活性，對編程要求低，可拖拽示教（精度更低）。圖 8：工業(yè)機(jī)器人 VS 協(xié)作機(jī)器人資料來源：高工機(jī)器人、遨博、特種機(jī)器人：針對特殊高危場景的解決方

9、案。特種機(jī)器人指除工業(yè)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人和個人服務(wù)機(jī)器人外的機(jī)器人，主要應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，一般由經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員操作或使用，輔助和/或代替人執(zhí)行任務(wù)。2021 年特種機(jī)器人銷售額占全球機(jī)器人市場的 28.17%，占國內(nèi)機(jī)器人市場的 7.93%。特種機(jī)器人分類：（1）根據(jù)行業(yè)分類：農(nóng)業(yè)機(jī)器人、電力機(jī)器人、建筑機(jī)器人、物流機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、安防與救援機(jī)器人、軍用機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人、礦業(yè)機(jī)器人、石油化工機(jī)器人、市政工程機(jī)器人和其他行業(yè)機(jī)器人。（2）根據(jù)功能分類：采掘、安裝、檢測、維護(hù)、維修、巡檢、偵察、排爆、搜救、輸送、診斷、治療、康復(fù)、清潔等。（3）根據(jù)使用的空間分

10、類：地面機(jī)器人、地下機(jī)器人、水面機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人、空間機(jī)器人和其他機(jī)器人。（4）根據(jù)運(yùn)動方式分類：輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足腿式機(jī)器人、蠕動式機(jī)器人、飛行式機(jī)器人、潛游式機(jī)器人、固定式機(jī)器人、噴射式機(jī)器人、穿戴式機(jī)器人、復(fù)合式機(jī)器人和其他運(yùn)動方式機(jī)器人。圖 9：億嘉和智能操作機(jī)器人、室外帶電作業(yè)機(jī)器人、室內(nèi)智能巡檢機(jī)器人資料來源：億嘉和、人型機(jī)器人是旨在模仿人類外觀和行為的機(jī)器人，被譽(yù)為機(jī)器人皇冠上的明珠。人形機(jī)器人的挑戰(zhàn)難度是業(yè)界公認(rèn)最高的，對基礎(chǔ)三大要素包括規(guī)劃、控制和感測所對應(yīng)的裝置要求非常高。特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克稱 Tesla Bot 有望在 2023 年投入生產(chǎn)，其

11、將用來填補(bǔ)勞動力缺口。人形機(jī)器人目前主流的技術(shù)路線包括以下幾種：（1）以本田 Asimo 為代表的傳統(tǒng)電控+控制方法。該方法在控制方面通過力控+位置控制實現(xiàn)，使用傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動和傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本質(zhì)類似于意大利 IIT 的 iRonCub 與力控的結(jié)合。（2）以波士頓動力 Altas 為代表的液壓驅(qū)動+控制方法。液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)仿人機(jī)器人運(yùn)動的極致，目前在運(yùn)動能力上首屈一指。（3）以 Agility 的 Cassie 為代表，重心上移的新方式，腿很細(xì)，上半身較大，該方式可以節(jié)約功耗。圖 10：人形機(jī)器人分類資料來源：Ofweek、人形機(jī)器人供應(yīng)鏈：（1）齒輪：小仿人可選傳統(tǒng)齒輪、精密性齒輪、諧波

12、齒輪；（2）驅(qū)動器（電機(jī)）：國產(chǎn)電機(jī)與海外電機(jī)相差不大，得益于軍工電機(jī)轉(zhuǎn)民用；（3）傳感器：用于感知設(shè)備驅(qū)動器內(nèi)部的轉(zhuǎn)速、位置的傳感器，目前以進(jìn)口為主，技術(shù)被老牌海外企業(yè)掌握；（4）芯片：均以海外供應(yīng)商為主，小仿人可以用國產(chǎn)主控芯片。主控芯片：寫入電機(jī)、舵機(jī)、速度驅(qū)動器算法的芯片。常用的包括英特爾的 x86 系列芯片（有部分集成控制無法使用 GPU，因而仍在使用傳統(tǒng)的 CPU）、基于 AI 計算的 AI 處理芯片，如英偉達(dá)芯片、高通的強(qiáng) AI 算力處理器。國產(chǎn)選擇較少；（5）傳感器：國產(chǎn)化率較高，其中超聲傳感器、紅外傳感器（障礙物檢測）、視覺傳感器（雙目、多目）等基本可以實現(xiàn)國產(chǎn)化。力矩傳感器

13、以海外為主。圖 11：法國 Aldebaran Robotics 人形機(jī)器人圖 12：Tesla Bot資料來源：Aldebaran Robotics 官網(wǎng)、資料來源：Tesla 官網(wǎng)、二、安裝量已居第一，自主品牌正迎頭趕上1、我國成為機(jī)器人生產(chǎn)消費(fèi)大國，21 年全球市場超千億20112020 工業(yè)機(jī)器人安裝量保持 10%以上年增速，勞動力替代及制造業(yè)升級雙邏輯加持，長期向好趨勢不變。其中中國十年復(fù)合增速超 25%，2013 年中國超過日本成為世界最大的機(jī)器人使用國，近 20 年來安裝量占比從 0%提升至 44%。以我國機(jī)器人單臺價格中位數(shù) 15 萬元估計，全球 2021 年市場規(guī)模為 120

14、0 億元。2020 年疫情得到控制后，海內(nèi)外制造業(yè)需求爆發(fā)，我國機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入為期 2 年的增長期，月均產(chǎn)量越過 3 萬臺大關(guān)。僅在 2022 年 4 月后，因長三角疫情而陷入負(fù)增長。圖 13：主要國家機(jī)器人安裝量（臺）及中國占比（%）圖 14：我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量（臺）及增速（%）5000004000003000002000001000000全球（臺）中國（臺）日本（臺）美國（臺）中國占比（%）50%40%30%20%10%200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920200%1000

15、00800006000040000200000工業(yè)機(jī)器人月產(chǎn)量（臺）名義增速（%）實際增速（%）150%100%50%0%-50% 資料來源：IFR、資料來源：國家統(tǒng)計局、我國機(jī)器人密度穩(wěn)步提升，但與發(fā)達(dá)國家仍有差距。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019 年全球工業(yè)機(jī)器人平均保有量已達(dá)到 113 臺/萬人，其中新加坡最高，已達(dá)到 918 臺/萬人，日本 364 臺/萬人，中國 187 臺/萬人。從每萬制造人員使用量上來看，達(dá)到日本水平還有 1X 空間。圖 15：2019 年全球每萬工人使用機(jī)器人數(shù)排名（臺/萬人）圖 16：我國機(jī)器人密度（臺/萬制造人員）1000900800700600500400

16、3002001000500400300200工業(yè)機(jī)器人密度（臺/萬人）新加坡韓國日本德國瑞典丹麥中國香港中國臺灣美國意大利比利時+盧森堡荷蘭西班牙奧地利中國 法國斯洛伐克加拿大瑞士斯洛文尼亞1000201620172018201920202025E 資料來源：IFR、資料來源：IFR、“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、機(jī)器人下游應(yīng)用仍以電子、汽車為主，鋰電、倉儲增速居前。絕對數(shù)值上，工業(yè)機(jī)器人早期主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)的焊接、噴涂線，后小型工業(yè)機(jī)器人（含 SCARA、DELTA）在 3C 行業(yè)因成本優(yōu)勢快速替代人力的重復(fù)勞動。近年受 “雙碳政策驅(qū)動”，鋰電池板塊快速擴(kuò)產(chǎn)，鋰電池生產(chǎn)工藝中疊片、焊接、

17、封裝等工序，因一致性需求使用機(jī)器人較多，后道檢測、組裝和 PACK 主要依賴機(jī)器人進(jìn)行大負(fù)載抓取、搬運(yùn)提升自動化水平。倉儲環(huán)節(jié)則主要由 AGV、中大型堆垛機(jī)器人組成。電子汽車整車汽車電子金屬制品其他光伏汽車零部件鋰電池 食品飲料家用電器醫(yī)療用品化學(xué)制品4.523.842.211.504.5626.676.936.967.2414.349.5811.64圖 17：2021 年中國機(jī)器人下游行業(yè)分布（%）圖 18：20202021 年中國機(jī)器人下游分行業(yè)增速（%）10374 70 62 60 6051 45 3932 30 28 19140% 131120%100%80%60%40%20%鋰電池倉

18、儲物流醫(yī)療用品半導(dǎo)體 食品飲料化學(xué)制品金屬制品光伏電子家用電器其他汽車電子 汽車零部件汽車整車0%資料來源：MIR、資料來源：MIR、我國工業(yè)機(jī)器人進(jìn)出口均價差距大，高端機(jī)型更加明顯。目前因為國產(chǎn)機(jī)器人核心零部件（控制器、伺服系統(tǒng)、減速器等）精度及一致性落后于進(jìn)口品牌，單個細(xì)節(jié)的誤差最終累積到整體誤差上使得國產(chǎn)品牌難以與外資機(jī)器人競爭，只能在價格上讓步。22Q1 噴涂機(jī)器人進(jìn)出口差價達(dá) 4.1 萬美元，多功能機(jī)器人進(jìn)出口差價達(dá) 4500 美元。圖 19：噴涂機(jī)器人進(jìn)出口均價對比（美元/臺）圖 20：多功能機(jī)器人進(jìn)出口均價對比（美元/臺）200000150000100000500000噴涂機(jī)器人

19、出口均價（美元/臺）噴涂機(jī)器人進(jìn)口均價（美元/臺）1600014000120001000080006000400020000多功能工業(yè)機(jī)器人出口均價（美元/臺）多功能工業(yè)機(jī)器人進(jìn)口均價（美元/臺）資料來源：海關(guān)總署、資料來源：海關(guān)總署、2、四大家族鎖定高端市場，國產(chǎn)雙星率先突圍“四大家族”全球市占率超 50%，國內(nèi)市占率超 40%，自主品牌埃斯頓及匯川技術(shù)各占 4%?！八拇蠹易濉背幸u原有機(jī)床、伺服系統(tǒng)、焊接設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢，機(jī)器人領(lǐng)域繼續(xù)占據(jù)鰲頭。國內(nèi)品牌埃斯頓、匯川技術(shù)快速成長，在 2021 年銷量均突破 1 萬臺，進(jìn)入中國工業(yè)機(jī)器人銷量前十。前者以 6 關(guān)節(jié)機(jī)器人為主、后者以 SCARA 機(jī)器

20、人為主，現(xiàn)均向多種負(fù)載、全產(chǎn)品系列方向邁進(jìn)，有望成為真正替代“四大家族”的國產(chǎn)機(jī)器人品牌。圖 21：2020 年全球工業(yè)機(jī)器人格局（%）圖 22：2021 年中國工業(yè)機(jī)器人格局（%）發(fā)那科11.8617.31.68.21.92.13.23.54.14.715.712.94.87.912.1發(fā)那科 ABB安川 庫卡 愛普生歐地希川崎 松下 不二越雅馬哈柯馬史陶比爾電裝其他國外品牌中國品牌新時代電氣 3川崎3 匯川4埃斯頓 4其他 31雅馬哈 515安川電機(jī) 9愛普生 9庫卡 8ABB9資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、資料來源：MIR、實際應(yīng)用積累 know-how 是艱難的一關(guān)。機(jī)器人行業(yè)自身周期成長

21、雙屬性，周期屬性與通用自動化及中國自身信用周期相關(guān)，而成長性主要來自于制造業(yè)升級及勞動替代。后疫情時代，下游各細(xì)分行業(yè)龍頭公司不會因為短期的經(jīng)濟(jì)周期波動而暫緩內(nèi)部的產(chǎn)線升級，同樣以寧德時代為首的鋰電池廠商擴(kuò)產(chǎn)方興未艾，現(xiàn)“四大家族”機(jī)器人訂單已排產(chǎn)至 2023 年中后?！八拇蠹易濉睓C(jī)器人供不應(yīng)求給國產(chǎn)龍頭品牌提供了切入高端下游應(yīng)用場景的機(jī)會。過去國產(chǎn)機(jī)器人品牌的應(yīng)用場景具有單一化、長尾化的特點(diǎn)，缺乏長時間完整生產(chǎn)線自動化的 know-how 積累，在高端應(yīng)用場景往往難以滿足全方位的需求，因而只能以工作站的形式在特點(diǎn)工位進(jìn)行人力替代。以鋰電池行業(yè)為例，其既涉及焊接，又涉及小工件高速節(jié)拍搬運(yùn)，也涉

22、及大工件重負(fù)載搬運(yùn)，需要全品類焊接機(jī)器人、堆垛機(jī)器人、SCARA 機(jī)器人的配套。以電池盒焊接工序為例，鋁合金焊接需使用攪拌摩擦焊，需要重型負(fù)載機(jī)器人搭載徑軸攪拌器，施加強(qiáng)壓力配合高溫融化材料再進(jìn)行摩擦焊，在自身圓周運(yùn)動的同時保持整體路徑的直線。相似的成長路徑，埃斯頓承襲控制器、匯川技術(shù)承襲伺服系統(tǒng)，快速響應(yīng)能力助力國產(chǎn)替代。埃斯頓在機(jī)器人成長之路上與發(fā)那科相近，其擁有 20 年折彎機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，15 年折彎機(jī)床伺服系統(tǒng)，后收購 Trio 和 Cloos 完善其控制系統(tǒng)及焊接相關(guān)技術(shù)。匯川技術(shù)具備變頻器、伺服系統(tǒng)、編碼器、PLC&HMI、視覺系統(tǒng)等產(chǎn)品矩陣，可全方位理解運(yùn)動控制，并具有高

23、度一致性和穩(wěn)定性。在具備機(jī)器人核心零部件自主生產(chǎn)能力外，埃斯頓與匯川技術(shù)在配合客戶階段，可支持人員數(shù)量及反應(yīng)速度上較外資品牌優(yōu)勢大。國產(chǎn)品牌正不斷豐富自身技術(shù)及產(chǎn)品系列，從長尾的非標(biāo)場景逐步往大批量的標(biāo)準(zhǔn)化場景應(yīng)用，替代外資品牌。三、控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)，三核心零部件決定機(jī)器人性能1、三核心零部件占據(jù)成本 70%工業(yè)機(jī)器人的核心零部件包括控制器、伺服系統(tǒng)、減速器，決定了工業(yè)機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性、負(fù)荷能力等重要性能指標(biāo)。核心零部件是產(chǎn)業(yè)鏈中壁壘最高的環(huán)節(jié)，占機(jī)器人成本的 70%。控制器是工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，一般占總成本的 15%左右；伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的“動力源”，一般占總成本的 20%

24、左右。減速器是工業(yè)機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”， 減速器一般占總成本的 35%左右。圖 23：工業(yè)機(jī)器人成本構(gòu)成其他 15機(jī)器人本體15減速器 35控制器 15伺服電機(jī) 20資料來源：Ofweek、2、控制器：工業(yè)機(jī)器人的大腦控制系統(tǒng)是決定機(jī)器人性能的關(guān)鍵要素，接收來自其他各組元的信號、根據(jù)已編程的系統(tǒng)進(jìn)行處理后，向各組元發(fā)出指令，從而控制各組元的運(yùn)行，它是工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)特定功能的中樞單元。圖 24：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 25：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)圖示 資料來源：工業(yè)機(jī)器人、資料來源：埃斯頓官網(wǎng)、目前常用的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為三類：以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，以可編程控制器（PLC）為核心的控制系統(tǒng)，以及

25、基于工業(yè)個人計算（IPC）+運(yùn)動控制器的機(jī)器人控制系統(tǒng)。其中 IPC+運(yùn)動控制器的控制系統(tǒng)憑借運(yùn)行穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、抗干擾性能力強(qiáng)等優(yōu)勢，正在逐步成為工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主流。表 2：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分類分類組成特點(diǎn)單片機(jī)為核心單一芯片集成基本計算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)集成度高，電路原理簡潔，系統(tǒng)成本低，但系統(tǒng)運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力有限且抗干擾性 差，難以滿足高性能機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求。PLC 系統(tǒng)為核心自控技術(shù)與計算機(jī)集成工控系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性高、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但不支持先進(jìn)的、復(fù)雜的算法，不能滿足機(jī)器人系統(tǒng)的多軸聯(lián)動等復(fù)雜的運(yùn)動軌跡。系統(tǒng)通用性強(qiáng)，構(gòu)建速度快，能夠滿足復(fù)雜運(yùn)動的算法要求，抗干擾能力和

26、開放性強(qiáng)。計算機(jī)通用平臺與實時軟件系統(tǒng)集成IPC+運(yùn)動控制器資料來源：安川公司官網(wǎng)、圖 26：全球控制系統(tǒng)市場份額柯馬, 2%其他, 18%發(fā)那科,川崎重工, 3%那智不二越, 5%16%庫卡, 14%OTC, 6%史陶比爾, 6%愛普生, 7%ABB, 12%安川電機(jī), 11%資料來源：Ofweek、核心技術(shù)，本體廠家自產(chǎn)居多：工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件即工業(yè)控制板卡，軟件主要是控制算法、二次開發(fā)等?？刂葡到y(tǒng)的表現(xiàn)是一家工業(yè)機(jī)器人廠商設(shè)計理念的集中體現(xiàn)，成熟的機(jī)器人廠商一般自行開發(fā)控制器和伺服系統(tǒng)，從而保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和技術(shù)體系。因而全球控制系統(tǒng)的市場份額與工業(yè)機(jī)

27、器人本體情況接近。表 3：國外控制器品牌介紹分類公司控制器品牌介紹ABB 自主研發(fā)的 IRC5 控制器由一個控制模塊和一個驅(qū)動模塊組成，增裝驅(qū)動模塊和過程模塊，最多可以控制四臺機(jī)器人作業(yè)。ABB機(jī)器人公司KUKAKUKA 自主研發(fā)的 KRC4 是一個結(jié)構(gòu)清晰、且注重使用開放高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)，這個系統(tǒng)架構(gòu)中集成的所有安全控制、工業(yè)機(jī)器人控制、運(yùn)動控制、邏輯控制及工藝過程控制，均擁有相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施并可以對其進(jìn)行智能化使用和分享。發(fā)那科最新研發(fā)的機(jī)器人控制器 FANUC Robot R-30iA 具有性能高、響應(yīng)快、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且集成了視覺功能，可以節(jié)約柔性生產(chǎn)的周邊設(shè)備成本。

28、發(fā)那科安川開發(fā)了基于 PC 的具有開放式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能的工業(yè)機(jī)器人控制器，安川2016 年安川還推出了配備人工智能的機(jī)器人控制，高精度預(yù)測機(jī)器人主體的壽命。專業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)商KEBA 是專業(yè)的工業(yè)級伺服系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)生產(chǎn)商，其開發(fā)的KeMotion 可即刻投入使用多種軟件包，便可快速、方便地獲得最佳解決方案。KEBA資料來源：機(jī)器人網(wǎng)、各公司官網(wǎng)、智能化程度越來越高，是未來工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢，未來各本體制造商之間的差異化也將越來越顯著，這種差異化最主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)上。隨著國內(nèi)廠商技術(shù)的逐步積累進(jìn)步，目前控制系統(tǒng)與國外產(chǎn)品的差距在逐步縮小。國內(nèi)知名的工業(yè)機(jī)器人生廠商均自主研發(fā)了自家的控制

29、系統(tǒng)，包括埃斯頓、華中數(shù)控、新時達(dá)、廣州數(shù)控、匯川技術(shù)等公司，也誕生了一批專業(yè)的控制系統(tǒng)服務(wù)商如固高科技、英威騰、卡諾普等。表 4：國外控制器品牌介紹分類公司控制器品牌介紹2017 年年初公司收購英國 TRIO，TRIO 是全球前十名運(yùn)動控制品牌。埃斯頓華中數(shù)控自主開發(fā)的控制系統(tǒng)華數(shù) II 型控制系統(tǒng)，面向用戶提供成套的工業(yè)機(jī)器人控制解決方案。具備運(yùn)動控制關(guān)鍵技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人及運(yùn)動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，是國內(nèi)少數(shù)同時掌握這些運(yùn)動控制核心技術(shù)的公司之一。新時達(dá)機(jī)器人公司匯川技術(shù)自主開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)型控制器 IMC100 控制器具有高性能（支持 1 臺控制器控制多臺機(jī)器人、支持五階軌

30、跡規(guī)劃）、支持 16 軸和 32 軸運(yùn)動控制功能。自主研發(fā)了 RB 系列、RMD 系列、RB03A1 系列控制器，采用國內(nèi)最先進(jìn)的 GSK-RC 控制系統(tǒng)，機(jī)器人始終能夠根據(jù)實際載荷對加減速進(jìn)行優(yōu)化，可控制 4-8 軸，運(yùn)算速度達(dá)到 500MIPS。廣州數(shù)控機(jī)器人自主研發(fā)的 SIASUN-GRC，整體性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，是國內(nèi)第一個可商品化的機(jī)器人控制器，具有小批量生產(chǎn)能力。固高科技自主開發(fā)了嵌入式運(yùn)動控制器、運(yùn)動控制卡和拿云(Marvie)驅(qū)控一體機(jī)。采用國際流行的開放型嵌入式工業(yè) PC 軟硬件平臺，配以自有品牌的運(yùn)動控制卡。英威騰專業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)商卡諾普自主研發(fā) CRP-S80（8 軸）工

31、業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，配以自主研發(fā)的專用多軸運(yùn)動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡及機(jī)器人專用端子和安全接口。子公司寶元數(shù)控主營工業(yè)控制器，可以同時控制 6 臺機(jī)器設(shè)備，并能做云端監(jiān)控，大幅降低客戶成本。研華科技（臺資）雷賽智能資料來源：GGII、各公司官網(wǎng)、公司研發(fā)的 SMC-606 六軸軌跡控制器具備優(yōu)秀的運(yùn)動軌跡控制、靈活便 捷的電子齒輪、電子凸輪、Ethercat 和 CANopen 總線擴(kuò)展、優(yōu)秀的 PT 或 PV 規(guī)劃、連續(xù)插補(bǔ) I/O 功能、在線變速、在線變位置等優(yōu)勢，性價比較 高。3、伺服系統(tǒng)：工業(yè)機(jī)器人的動力來源伺服系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人主要的動力來源，主要由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、編碼器三部分組成。伺

32、服含義為“跟隨”，指按照指令信號做出位置、速度或轉(zhuǎn)矩的跟隨控制。2021 年我國伺服系統(tǒng)市場規(guī)模約 189 億元，處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。圖 27：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 28：伺服驅(qū)動、伺服電機(jī)資料來源：工控網(wǎng)、資料來源：匯川技術(shù)官網(wǎng)、伺服電機(jī)：每個關(guān)節(jié)會被布置一個電機(jī)。目前小型交流伺服電機(jī)使用較多，也有部分采用直流電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率更大，但交流電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單，后期養(yǎng)護(hù)和維修更方便，因此越來越受到歡迎。伺服驅(qū)動：伺服驅(qū)動器主要的作用包括接受編碼器信號進(jìn)行修正調(diào)整，然后根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)控制電流。驅(qū)動器與伺服電機(jī)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，驅(qū)動器由編碼器送回數(shù)據(jù)進(jìn)行控制修正工作。伺服驅(qū)動器包括位置控制單元、速度

33、控制單元和驅(qū)動單元三部分構(gòu)成。編碼器：為了達(dá)到閉環(huán)控制，在電機(jī)輸出軸同軸裝上編碼器，電機(jī)與編碼器同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器也轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)動的同時將編碼信號送回驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)編碼信號判斷伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、位置是否正確，據(jù)此調(diào)整驅(qū)動器輸出電源頻率及電流大小。圖 29：伺服系統(tǒng)運(yùn)作原理資料來源：三洋、伺服系統(tǒng)日系主導(dǎo)，歐美其次，國產(chǎn)追隨。我國工業(yè)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)仍以日系為主導(dǎo)，但國產(chǎn)突破已小有成就，匯川、禾川、埃斯頓合計共占 18.5%。4.082.642.454.934.615.475.827.237.717.931.6821.1714.599.70圖 30：2021 年我國工業(yè)機(jī)器人用伺服

34、系統(tǒng)市場格局（%）圖 31：伺服系統(tǒng)主要品牌發(fā)那科多摩川西門子ABB安川 匯川禾川埃斯頓山洋雅馬哈三菱臺達(dá)松下其他 資料來源：產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)、資料來源：工控網(wǎng)、伺服電機(jī)市場規(guī)模持續(xù)增長，國產(chǎn)品牌份額加速提升：目前外資品牌占據(jù)我國伺服電機(jī)市場 65%的份額，主要為日本和歐美品牌。過去外資品牌長期主導(dǎo)市場，近年隨著我國工業(yè)自動化加速，一批國產(chǎn)品牌迅速崛起。2021 年上半年國產(chǎn)品牌匯川技術(shù)首次市場份額占比排名第一，市占率達(dá) 15.9%。中國臺灣臺達(dá)和德國西門子在光學(xué)儀器領(lǐng)域的占有率也較高。圖 32：中國伺服電機(jī)行業(yè)市場規(guī)模圖 33：2021H1 中國伺服電機(jī)行業(yè)市場份額!16%*+46%#12%$%9

35、%&8%9%中國伺服電機(jī)市場規(guī)模（億元）YoY200150100500201720182019202020212022E16%14%12%10%8%6%4%2%0% 資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、資料來源：MIR、我國伺服電機(jī)與日系和歐美品牌仍然存在差距，主要表現(xiàn)為：大功率產(chǎn)品缺乏、小型化不夠、信號接插件不穩(wěn)定、缺乏高精度的編碼器，這些也是國內(nèi)伺服系統(tǒng)未來要攻克的主要方向。表 5：國內(nèi)外伺服電機(jī)主要差距主要差距具體表現(xiàn)我國伺服電機(jī)行業(yè)早期模仿日本產(chǎn)品，因而以中小功率為主，功率躲在 3KW 以內(nèi)，5.5-15KW 的中大功率伺服缺乏，導(dǎo)致某些需要大功率伺服電機(jī)和驅(qū)動配套的系統(tǒng)無法提供。大功率產(chǎn)品缺乏

36、信號接插件不穩(wěn)定國產(chǎn)信號接插件的不夠穩(wěn)定，隨著接插件的小型化、高密度化趨勢，未來需要不斷提高接插件的可靠性。小型化不夠小功率產(chǎn)品往往追求精細(xì)化，目前松下 A6 和安川的 7 電機(jī)短小精致，而國內(nèi)伺服電機(jī)普遍偏長，小型化不夠。高精度編碼器缺乏工業(yè)機(jī)器人需要用多圈的絕對編碼器，目前該類產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口，是制約我國高檔伺服系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸。資料來源：、4、減速器：減速增矩，保證精度減速器是工業(yè)機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，主要起到匹配轉(zhuǎn)速與傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。減速器是核心零部件中技術(shù)壁壘最高的一環(huán)，主要起到匹配轉(zhuǎn)速與傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。減速器的分類方式有多種：按照傳動類型，減速器可分為齒輪減速器、蝸桿減速器、行星減速

37、器、擺針減速器等；按照傳動級數(shù)，可分為單級減速器、兩級減速器、多級減速器；按照布局方式，可分為展開式減速器、分流式減速器、同軸式減速器等。表 6：減速器的分類按傳動類型分類按傳動級數(shù)分類按布局方式分類齒輪減速器單級減速器展開式減速器蝸桿減速器兩級減速器分流式減速器行星減速器多級減速器同軸式減速器資料來源：減速器和變速器、減速增距，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速、扭矩，保障精度。工業(yè)機(jī)器人依靠伺服電機(jī)驅(qū)動，但伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速快、扭矩小與工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)所需要的轉(zhuǎn)速慢、扭矩大矛盾。伺服電機(jī)本身可以實現(xiàn)調(diào)速，但低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動，無法保證工業(yè)機(jī)器人高精度工作。減速器可使伺服電機(jī)在一個合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)

38、速降至工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時輸出更大的力矩，提高重復(fù)定位精度，執(zhí)行重復(fù)、精準(zhǔn)的動作。圖 34：工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈全景概覽資料來源：安川官網(wǎng)、諧波減速器工作原理：將波發(fā)生器裝入柔輪時，柔輪會隨波發(fā)生器形狀變形為橢圓。當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時，柔輪的開口端會產(chǎn)生徑向變形，因為柔輪此時為橢圓形，且柔輪齒數(shù)少于鋼輪齒數(shù)（通常為 2 齒），柔輪只會在兩個長直徑處嚙合。隨著波發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)，柔輪與鋼輪嚙合的位置會發(fā)生移動，由于柔輪和鋼輪之間的齒數(shù)差異，波發(fā)生器每旋轉(zhuǎn) 180度，柔輪和鋼輪的嚙合位置將改變一個齒。減速比計算公式為：（柔輪齒數(shù)-鋼輪齒數(shù)）/柔輪齒數(shù)，其中結(jié)果為負(fù)表明是反向運(yùn)動，為

39、正表明同向運(yùn)動。例如，一諧波減速器柔輪為 100 齒，鋼輪為 102 齒，則該減速器減速比為-1/50，即輸入端波發(fā)生器和電機(jī)轉(zhuǎn) 50 周，柔輪輸出端反向轉(zhuǎn) 1 周。RV 減速器工作原理：在外殼的內(nèi)環(huán)圈內(nèi)裝有圓柱形的滾針（Pin），RV 齒輪的偏心運(yùn)動引起滾針與擺線形 RV 輪齒的嚙合和脫離，產(chǎn)生多組 RV 輪齒與滾針同時嚙合，提高負(fù)載能力。由于 RV 齒數(shù)比滾針少個數(shù)目，因此當(dāng)偏心軸旋轉(zhuǎn)一周時，如果固定外殼(Case)，則 RV 齒輪與輸入軸同向轉(zhuǎn)個齒的角度。輸出端可以是傳動軸（Shaft）或外殼。如果外殼固定，則傳動軸為輸出，輸出為同方向。如果傳動軸固定，外殼為輸出，輸出的方向恰好相反。更

40、換固定和輸出部件，可以得到不同的傳動比。諧波減速器適合小臂，RV 減速器適合大臂，互為補(bǔ)充。諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動精度高并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作的優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)器人小臂、腕部、手部等部件具有較強(qiáng)優(yōu)勢。RV 減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強(qiáng)度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機(jī)器人大臂、機(jī)座等重負(fù)載部位擁有優(yōu)勢。目前兩者適用領(lǐng)域不同，還不能互相取代。一般情況下，一套六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要 4 套 RV 減速器和 2 套諧波減速器；一套 SCARA 機(jī)器人包含 4 套諧波減速器；一套直角坐標(biāo)機(jī)器人需要 3 套 RV 減速器和 1 套諧波減速器；

41、DELTA 機(jī)器人的電機(jī)安裝在固定基座上，需要 1 套諧波減速器。圖 40：諧波減速器工作原理拆解圖 41：RV 減速器工作原理拆解資料來源：CEC、資料來源：CEC、相較于其他三種減速器，諧波減速器體積最小、重量最輕，減速比最高。與傳統(tǒng)斜齒輪減速器和行星齒輪減速器相比，在輸出力矩相同時，諧波減速器的體積可減少 2/3，重量可減輕 1/2；在同等空間內(nèi)，諧波減速器最高可以提升減速比近 30 倍。因此在為設(shè)備選擇減速器時，優(yōu)先考慮精度，再依據(jù)所需的負(fù)載能力、空間、成本等篩選。以機(jī)器人為例，機(jī)器人有嚴(yán)格的定位及重復(fù)定位精度要求，幾乎只使用 RV 和諧波減速器。常見的工業(yè)機(jī)器人在基座及大臂上使用 R

42、V減速器（容許力矩負(fù)載可達(dá) 8000Nm），在中小臂上使用諧波減速器（容許力矩負(fù)載在 1500Nm 以內(nèi)）；輕負(fù)載（20kg 以下）的機(jī)器人全部使用諧波減速器。目前 RV 減速器和諧波減速器適用范圍不同，還不能互相取代。圖 35：四種減速器性能對比資料來源：綠地諧波官網(wǎng)、全球超過 85%的減速器市場份額被日本廠商占據(jù)：全球工業(yè)機(jī)器人減速器的市場高度集中，其中日本納博特斯克在 RV 減速器領(lǐng)域處壟斷地位，日本哈默納科則在諧波減速器領(lǐng)域處壟斷地位，兩家合計占全球市場的 75%左右。由于其極高的技術(shù)壁壘，工業(yè)機(jī)器人本體制造環(huán)節(jié)對減速器環(huán)節(jié)議價能力很弱。圖 36：2018 年全球工業(yè)機(jī)器人減速器品牌市

43、占率其他, 10SPINEA, 5住友, 10哈默納科, 15納博特斯克, 60納博特斯克哈默納科 住友SPINEA其他資料來源：、四、機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的宏觀背景1、“機(jī)器人王國”日本日本擁有完整的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈。日本擁有從核心零部件，到本體，到系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，并且在每個環(huán)節(jié)都處于世界領(lǐng)先的地位。擁有多家世界知名的機(jī)器人公司，例如，哈默納科與納博特斯克是減速器里的絕對龍頭企業(yè)，兩者分別建立了諧波和 RV 的行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)器人領(lǐng)域，兩者合計市占率超 75%，其中納博特斯克的市占率超過60%，哈默納科市占率為 15%左右。發(fā)那科是數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域的世界龍頭，和伺服電機(jī)龍頭公司安川電機(jī)一起占據(jù)

44、工業(yè)機(jī)器人“四大家族”中的兩席。掌握著最多的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專利。日本在工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)上處于絕對領(lǐng)先地位。除了涂裝軌跡規(guī)劃技術(shù)等若干小方面，中國可以與日本分庭抗禮外，其他所有技術(shù)基本都被日本牢牢把控，其中諧波減速器、RV 減速器、電焊鉗以及焊縫追蹤四個領(lǐng)域超過 70%的專利都屬于日本。表 7：工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麃碓磭Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)來源國結(jié)構(gòu)擁有專利最多的企業(yè)諧波減速器日本：69% 中國：11% 美國：8%哈默納科RV 減速器日本：88% 中國：10% 法國：1%納博特斯克電焊鉗日本占有絕對優(yōu)勢日產(chǎn)汽車3D 視覺控制日本:37% 美國:31% 中國:8%發(fā)那科焊縫追蹤日本：超過 70%

45、日立涂裝軌跡規(guī)劃中國：32% 日本：31% 德國：21% 美國：16%東機(jī)工資料來源：工業(yè)機(jī)器人發(fā)展及其對就業(yè)影響、日本機(jī)器人從模仿起步，到逐漸引領(lǐng)。工業(yè)機(jī)器人誕生于美國，并且在很長一段時間內(nèi)，美國都在技術(shù)上保持著絕對領(lǐng)先。1967 年，川崎重工引入日本第一臺 Unimate 工業(yè)機(jī)器人，并在 1968 年仿制出自己的工業(yè)機(jī)器人。受益于國內(nèi)勞動力短缺、下游產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大需求、政策扶持等因素，日本工業(yè)機(jī)器人行業(yè)在 30 年內(nèi)完成了從模仿到引領(lǐng)的蛻變。時間時期特征表 8：日本工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷程1967-1970 年搖籃期川崎重工從美國引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)建立起生產(chǎn)車間，并于 1968 年制造出第一臺機(jī)器

46、人。20 世紀(jì) 60 年代末日本經(jīng)濟(jì)處在高速發(fā)展期，年增長率達(dá)到 11%，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加劇了日本勞動力嚴(yán)重不足的困難。成為日本引進(jìn)機(jī)器人的現(xiàn)實基礎(chǔ)。1970-1980 年實用期工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量由 1970 年的 1350 臺猛增到 1980 年的 19843 臺，年增長率為 30.8%。19801990 年普及提高期日本政府正式把 1980 年定為機(jī)器人的普及元年，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)推廣使用機(jī)器人。1982 年機(jī)器人的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到 24782 臺，高級機(jī)器人的數(shù)量占世界總數(shù)的 56%，是當(dāng)時美國此類機(jī)器人的 5 倍。1986 年，日本的機(jī)器人保有量達(dá)到 10 萬臺。這一階段為日本工業(yè)機(jī)器人的

47、內(nèi)生增長階段。日本國內(nèi)制造業(yè)勞動力人口供給緊缺，制造業(yè)工資大幅上漲。在此期間，日本工業(yè)機(jī)器人的大量使用解決了日本勞動力不足，提高了勞動生產(chǎn)率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量以及降低了生產(chǎn)成本。1990-至今平穩(wěn)增長期由于市場需求結(jié)構(gòu)變化，日本積極發(fā)展機(jī)器人出口產(chǎn)業(yè)，成為出口大國。2012 年，日本機(jī)器出口占全年銷售總額的 70%。資料來源：日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及對中國的反思、我們認(rèn)為，日本能取代美國，成為工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的原因主要有四點(diǎn)：（1）經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，勞動力出現(xiàn)了短缺；（2）下游應(yīng)用推動；（3）政策大力扶持；（4）石油危機(jī)等因素。下面我們就這四點(diǎn)原因來一一梳理分析。經(jīng)濟(jì)騰飛，人力短缺日本在二戰(zhàn)后

48、經(jīng)濟(jì)開始騰飛。由于國內(nèi)民主改革，石油價格低，以及美國的戰(zhàn)略扶持等原因，日本的經(jīng)濟(jì)迅速恢復(fù)，在 1951 年恢復(fù)到了戰(zhàn)前水平。1960 年到 1980 年間正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時期，GDP 增速最高達(dá)到 25%。1965 年國民生產(chǎn)總值躍居世界第五位，1968 年超越西德，成為僅次于美國的經(jīng)濟(jì)大國。勞動力出現(xiàn)短缺。1960 年到 1980 年間，日本名義 GDP 復(fù)合增速達(dá)到了 14.6%，實際 GDP 復(fù)合增速達(dá)到 6.7%，而勞動人口的復(fù)合增長率僅為 1.1%。快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張對應(yīng)著對生產(chǎn)力的需求旺盛，但勞動人口的數(shù)量卻無法滿足龐大的生產(chǎn)需求。這個時期的失業(yè)率極低，在 60 年代的很長

49、時間內(nèi)甚至低于自然失業(yè)率（1.5%2.5%），并且在 6080 年代之間一直維持著較低的失業(yè)率。在當(dāng)時，日本的招工崗位甚至多于求職人數(shù)，勞動力的短缺大大提升了勞動者的議價能力。與此同時，日本的人口增長率 70 年代后在一直維持在較低的水平，低人口增長率意味著勞動力的短缺具有持續(xù)性，如果繼續(xù)保持勞動密集型的生產(chǎn)方式，未來的勞動力供給將會持續(xù)不足。圖 37：日本 GDP 增長、失業(yè)率以及人口增長率（單位：%）GDP同比增長總?cè)丝谠鲩L率（右軸）失業(yè)率（右軸）15.00%6%5%10.00%4%5.00%3%0.00%2%1%-5.00%0%-10.00%-1%資料來源：世界銀行、日本統(tǒng)計局、勞動力短

50、缺導(dǎo)致用人成本迅速升高，機(jī)器人順勢增長。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，市場供不應(yīng)求的直接結(jié)果就是賣方價格的增加，而日本制造業(yè) 19551980 年間平均薪資的大幅增加也從側(cè)面驗證了這一原理。值得注意的是，1965 年1975 年間，制造業(yè)薪資水平的復(fù)合增長率高達(dá) 16.55%。正是這段時期，日本工業(yè)機(jī)器人完成了從搖籃期到實用期的演變。圖 38：日本制造業(yè)平均雇員薪資及增速（單位：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制造業(yè)平均薪水增速（ ）資料來源：日本財務(wù)省、勞動力短缺導(dǎo)致用人成本迅速升高，機(jī)器人順勢增長。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，市場供不應(yīng)求的直接結(jié)果就是賣方價格的增加，而日本制造業(yè) 19551980 年間平均薪資的大幅增加也從側(cè)面驗證了這一原理。值得注意的是，1965 年1975 年間，制造業(yè)薪資水平的復(fù)合增長率高達(dá) 16.55%。正是這段時期，日本工業(yè)機(jī)器人完成了從搖籃期到實用期的演變。汽車行業(yè)推動汽車行業(yè)在日本發(fā)展迅速。日本汽車行業(yè)在 20 世紀(jì) 60 年代進(jìn)入高速發(fā)展

52、時期。1960 年時，日本的汽車年產(chǎn)量僅為48 萬，遠(yuǎn)低于美國和西歐國家等主要汽車生產(chǎn)國的產(chǎn)量。1967 時，日本的汽車年產(chǎn)量已經(jīng)突破了 300 萬，一舉超越德國成為了第二大汽車生產(chǎn)國。到 1980 年，日本的汽車年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了 1000 萬，成為了世界第一大汽車生產(chǎn)國。 20 年間，汽車的產(chǎn)量增長 20 余倍，復(fù)合增長速度達(dá)到了 16%。圖 39：汽車與工業(yè)機(jī)器人高速發(fā)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汽車產(chǎn)量（臺）工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量（臺）趨勢線資料來源：日本自動車工業(yè)協(xié)會、日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)崛起之路、汽車行業(yè)支撐了工業(yè)機(jī)器人的早期應(yīng)用。汽車行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最早、最廣，應(yīng)用能力最強(qiáng)的行業(yè)，機(jī)器人密度往往是其他行業(yè)的 4 倍以上，時至今日，汽車行業(yè)依然是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最頻繁的行業(yè)。汽車業(yè)對產(chǎn)品尺寸、質(zhì)量、精度和組裝的要求較高，需要高質(zhì)量、大規(guī)模的生產(chǎn)力，同時生產(chǎn)中會涉及到危險、高溫等人類難以忍受

54、的工作環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人則可以有效的完成替換。由于汽車生產(chǎn)廠商規(guī)模龐大，現(xiàn)金流充足，有足夠的經(jīng)濟(jì)實力去進(jìn)行“機(jī)器換人”。再加上當(dāng)時汽車行業(yè)競爭激烈，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人可以顯著的降低人力成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)競爭力。日本汽車廠商相較于其他廠商，面臨著快速擴(kuò)張的渴望和勞動力供給不足的矛盾，更有動機(jī)去引入工業(yè)機(jī)器人。日本汽車行業(yè)與工業(yè)機(jī)器人行業(yè)相互成就。1970 到 1980 這 10 年間，日本汽車產(chǎn)量的復(fù)合增長率為 7.6%，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量的復(fù)合增長率為 30.8%，兩個行業(yè)的高速發(fā)展時期高度重合。汽車廠商作為財大氣粗的“金主”，為工業(yè)機(jī)器人行業(yè)解決了發(fā)展初期資金不足、入不敷出的問題。作為回報，工業(yè)

55、機(jī)器人也為汽車行業(yè)提供了高效的生產(chǎn)力，解決了汽車行業(yè)勞動力短缺的問題。發(fā)那科就是通過與美國通用合作，借助其投資，完成了技術(shù)的迭代。政策扶持日本出臺多項扶持政策鼓勵工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。提到政策扶持，大家就會聯(lián)想到中國政府，我國經(jīng)常因為較多的市場扶持政策而被詬病。但事實上，幾乎所有政府都會對國內(nèi)重要產(chǎn)業(yè)采取一定的保護(hù)、扶持政策。日本政府就在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期出臺了多項政策進(jìn)行扶持：政府銀行會提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立機(jī)器人長期租賃公司，公司出資購入機(jī)器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機(jī)器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把由計算機(jī)控制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人作為特別折扣

56、優(yōu)惠產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的 40%折扣優(yōu)惠外，還可再享受 13%的價格補(bǔ)貼。此外，國家還出資對小企業(yè)進(jìn)行機(jī)器人知識培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)等。表 9：日本出臺的機(jī)器人扶持政策時間政策內(nèi)容1971機(jī)電法普及促進(jìn)政策1978機(jī)情法企業(yè)享受設(shè)備購買補(bǔ)貼1980財政投融資租賃制度、中小企業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化貸款制度和設(shè)備借貸制度1984FMS 機(jī)器租賃制度、機(jī)電一體化稅制政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立機(jī)器人長期租賃公司鼓勵工業(yè)機(jī)器人的使用，大幅降低企業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人的成本1985高技術(shù)稅制研發(fā)促進(jìn)政策資料來源：淺析日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀、適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼對工業(yè)機(jī)器人行業(yè)意義重大。工業(yè)機(jī)器人在日本剛剛起步時，其技

57、術(shù)還不成熟，實際應(yīng)用中還存在較多問題，例如美國通用公司對工業(yè)機(jī)器人的第一次應(yīng)用嘗試就以失敗而告終。因此，在發(fā)展的初期，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)亟需包容、呵護(hù)，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)貼可以大幅增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的信心。從機(jī)器人采購商的角度來看，補(bǔ)貼的存在降低了企業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人的成本，縮短了投資回收期，刺激了工業(yè)機(jī)器人的消費(fèi)量；從機(jī)器人生產(chǎn)商角度來看，補(bǔ)貼為工業(yè)機(jī)器人帶來了較為穩(wěn)定的收入來源，解決了前期研發(fā)投入大的問題，促進(jìn)了行業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。我們對補(bǔ)貼力度對投資回報周期的影響做了簡單的測算。由于缺乏 1980 年時工業(yè)機(jī)器人的價格，我們使用 1996 年日本進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人價格的均價代替 1980 年的價格進(jìn)行計算，即 15

58、00 萬日元/臺。按照當(dāng)時汽車行業(yè)的工作效率，每臺工業(yè)機(jī)器人可以替代 6 個勞動力，當(dāng)時的工人平均薪資為 80 萬日元/年。通過計算，我們發(fā)現(xiàn)如果沒有補(bǔ)貼的存在，工業(yè)機(jī)器人的投資額是無法在使用年限（8 年）內(nèi)收回的，即購買工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行換人是非理性的。通過敏感性分析，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人均薪資越高，補(bǔ)貼力度越大時，投資回收周期越短，購買工業(yè)機(jī)器人的意愿便越強(qiáng)，當(dāng)機(jī)器人替換勞動力數(shù)量達(dá)到 6，政府補(bǔ)貼達(dá) 40%時，機(jī)器人的投資年限可以縮短到 6 年。補(bǔ)貼的存在直接改變了人們對工業(yè)機(jī)器人的采購意愿。表 10：日本補(bǔ)貼政策對投資回收周期的影響測算工業(yè)機(jī)器人價格（萬）15001500使用年限88補(bǔ)貼力度04

59、0%使用費(fèi)用（8%）120120折舊費(fèi)用（直線折舊法）187.5112.5替換人工數(shù)66人均薪資（萬）8080投資回報周期8.76.1資料來源：IFR、日本財務(wù)省、表 11：工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麃碓磭Y(jié)構(gòu)投資回收周期替換人工數(shù)/補(bǔ)貼力度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資料來源：工業(yè)機(jī)器人發(fā)展及其對就業(yè)影響、對于當(dāng)前的中國來說，機(jī)器換人的性價比已經(jīng)較當(dāng)年的日本大幅提高。一個普通 6 軸焊接機(jī)器人的價格在

60、15 萬元左右，加上系統(tǒng)集成配套，也不過 30 萬元。而一般焊接機(jī)械臂可以替代 3 個成熟焊工勞動力，成熟焊工的工資在 8-10萬元，按照簡單測算，企業(yè)投資一個 6 軸機(jī)器人，1 年左右的時間便可收回成本，性價比極高。外部因素石油危機(jī)的爆發(fā)迫使日本制造業(yè)在生產(chǎn)效率上追求極致。在 1973 年爆發(fā)“石油危機(jī)”后，原油價格從每桶 3 美元大幅上漲到 10.6 美元。石油危機(jī)的爆發(fā)讓石油資源匱乏的日本受到了很大的沖擊，制造業(yè)的生產(chǎn)成本驟增。在石油價格與人工成本飆升的雙重夾擊下，提高生產(chǎn)效率是唯一的選擇。這個時期，工業(yè)機(jī)器人完美的迎合了制造業(yè)的需求。圖 40：石油危機(jī)讓生產(chǎn)成本驟升（單位：美元）圖 4