工业机器人的成本构成中本体制造仅占22%左右核心零部件占70%以上
对人类机器的恐惧始于第一次工业革命。
由于机器的生产力远远优于人类，导致了工具对人的替代，人与技术的关系，技术决定论，技术恐惧症等一系列思潮伴随着工业生产对社会的全面改造，这些思想深深嵌入到各种社会问题中这一时期，人们对机器生产可能剥夺工人工作的焦虑，即替代恐惧成为社会最突出的焦虑极端的表现是大规模的卢德运动
但时代变了——人和机器的关系可能会因为劳动力拐点的到来而有新的故事。
伴随着工业化的深入，工业生产的发展和进步，劳动力成本和人口结构的变化，劳动力短缺已经取代劳动力过剩，成为主要制造业国家面临的主要矛盾。
比如中国制造业的用工荒，几乎成了常态但是，工业生产的一些特点决定了加薪和招工只是权宜之计，大部分制造业的利润率不可能支撑工资的持续增长，这也是制造业向低劳动力成本地区转移的基本内在逻辑
无论是降低人力成本，还是解决劳动力短缺，机器人投产已经成为制造业的必然选择，这也是最近几年来我国工业机器人产业繁荣的主要推动力。
从市场规模来看，虽然中美贸易冲突对行业造成了一定影响，但全球工业机器人数量仍在稳步增长根据IFR数据，2020年全球工业机器人数量为301.5万，比2019年增长10.4%，10年增长超过160%
中国是全球最大的工业机器人市场并且增速远超行业平均水平据IFR统计，2020年中国机器人安装量排名第一，达到16.8万台，超过第2名到第15名的总和，是十年前的7倍多
中国的繁荣并非孤例对工业机器人的强劲需求也出现在全球供应链的另一个重要制造中心美国根据美国自动化促进协会的数据，2022年第一季度美国的机器人订单增长了40%，2021年整体增长了21%——这也是劳动力短缺恶化的结果
因此，工业机器人对未来制造业有着关键性的影响本文将从产业链概述入手，分析关键环节，详细阐述我国工业机器人的发展现状，主要制约因素和未来发展趋势
机器人产业链概况
工业机器人主要负责生产线上的搬运，码垛，焊接，抛光，喷涂和装配，广泛应用于汽车制造，3C电子，金属加工，食品饮料，半导体等行业工业R&D，机器人的制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造水平的重要标志，被誉为制造业皇冠顶端的明珠
虽然相关研究始于20世纪70年代，但我国工业机器人的国产化率仍然较低尤其是成本占比大，利润高的核心部件的高端生产制造，仍然被国外厂商控制
工业机器人产业链
机器人的产业链上游是零部件，包括核心部件和其他部件，它由身体的中游构成，根据机械结构和运动方式的不同可分为许多类型，它是下游机器人系统的集成，应用于不同的行业场景。
果壳坚硬科学制表
在工业机器人的成本构成中，本体制造仅占22%左右，核心零部件占70%以上。
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利润方面，车身制造只有15%，三大核心部件利润率都高于此:减速器40%，伺服系统35%，控制器25%。
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如果自下而上看国内机器人产业，会发现目前工业机器人下游应用端国产化率较高，但中上游面临明显瓶颈局面。
国内厂商在渠道，价格，服务上占优，所以主要在系统集成领域竞争，实现工业机器人在特定场景的应用和部署截至2020年6月，MIR DATABANK数据库包含9456家本地工业机器人系统集成商，占全国集成市场的80%本土集成商在电子行业竞争力较强，但在传统汽车制造领域竞争力较弱，呈现大量小规模业态
中游本体制造国产化率很低，只有27%可是，本体制造是一个复杂的话题如果着眼于工业机器人领域，该行业长期以来被四大家族所把持，只有少数国内厂商勉强跟随但如果着眼于宏观的机器人本体制造，在移动机器人，协作机器人等领域，最近几年来本土厂商竞争力不错，机器人本体制造国产化率可观由于这一环节利润率不高，参与竞争难度太大，对于是否本地化有不同的看法，与企业具体的商业模式和发展路线密切相关，需要具体问题具体分析，本文在此不再赘述
在上游环节，减速器，伺服系统，控制器三大核心部件的国产化率仅为36.53%，24.50%，31.20%相比于复杂的中游制造流程，核心部件的逻辑更简单直接——不管其他流程的业态是什么，这个流程的需求永远存在，是整个机器人产业的基石如果能够实现上游零部件的本地替代，不仅可以解决供应链安全问题，还可以大幅降低工业机器人的应用成本，缩短交付周期，进一步推动工业机器人的应用，提高智能制造水平
工业机器人核心部件
机器人的工业核心部件包括控制器，减速器和伺服系统这三个装置决定了工业机器人可以实现自动化的精密运动，在一些生产环节替代人力这也意味着其质量对最终产品的性能有着决定性的影响，是国产化进程的主要方向
控制器
控制器是决定机器人功能和性能的主要部件，相当于大脑，可以控制机器人的位置，姿态，轨迹，操作顺序，运动时间等在工作区
控制器主要包括硬件和软件硬件是一个工业控制板，包括一个主控制单元和一些信号处理电路软件部分主要包括底层操作系统，控制算法，二次扩展开发等
控制器接收传感器的检测信号，根据作业任务要求，经过算法计算后发出指令信息，驱动机器人关节中的各个电机转动，从而实现对机器人的精确控制。
控制系统的基本功能包括记忆，示教，坐标设定，与外围设备联系，位置伺服，故障诊断和安全保护等。
伺服系统
伺服系统是机器人的动力系统，相当于心脏伺服系统接收来自控制器的信息，并将其转换成转矩和速度来驱动被控对象
伺服系统工作原理，源码
伺服系统由三部分组成:伺服驱动器，伺服电机和编码器伺服驱动器将从控制器接收到的信息分解成单自由度系统可以执行的命令，传送给伺服电机，伺服电机将接收到的电信号转换成转速和扭矩来驱动被控对象，伺服系统的精度很大程度上取决于将编码器的编码信号反馈给控制器
目前工业机器人的伺服系统主要是电气伺服系统中的交流伺服系统按功率可分为小型/中型/大型伺服系统
还原剂
减速器是控制机器人运动的核心部件，相当于关节减速器是连接伺服系统和末端执行器的中间装置，可以降低转速，增加扭矩，从而驱动关节运动
减速器通过齿轮的啮合，将电机的转速减速到机器人各个关节所需的实际转速，输出较大的扭矩驱动关节运动。
机器人中的减速器主要是谐波减速器和RV减速器。
GB / T 34897—2017
根据GB/T 34897—2017《滚动轴承工业机器人RV减速器用精密轴承》的定义，RV减速器是传统摆线针轮和行星齿轮传动的混合体RV减速器由多个高密度轴承和齿轮组成，应用于重型机器人的所有关节和轻型机器人的部分关节，类似于大手臂和肩膀
根据GB/T 30819—2014《机器人用谐波齿轮减速器》的定义，谐波减速器由波发生器，柔轮，钢轮三部分组成谐波减速器结构简单，一般用在轻型机器人的一些关节上，类似于前臂和手腕
核心部件国产化进展如何。
目前我国工业机器人核心零部件国产化水平不一，差距较大控制器的进步是最可喜的，而减速器面临很多技术难题
异径管:RV异径管是卡脖子的关键
全球减速机市场被日本垄断多年RV减速机巨头纳博特斯克占据全球减速机市场60%的份额，谐波减速机龙头哈默纳科紧随其后，占据15%的市场份额
纳博茨克于2003年9月在日本成立，深耕RV减速机领域近20年它以高精度，高刚性，长寿命和体积小，重量轻的特点在世界范围内得到了广泛的赞誉哈姆纳科1970年创立于日本，深耕谐波减速器领域50多年而国内相关企业对减速器的研发起步较晚，在经验积累和实践验证的周期上很难赶上日企
相对而言，谐波减速器的国产化程度较高因为只有三个零件，机械结构比较简单，加上Hamernaco的专利在2008年到期，国内厂商开始抢占学习和研发的先机
目前，哈默纳科在中国仍然占有很大的市场份额，其次是国内制造商绿色谐波和弗莱谐波两家公司都有十几年的研发经验，其谐波减速器产品在输出速度，传动精度等方面与哈默纳科差距不大，但在精度，使用寿命，传输效率等方面仍有差距
一方面，国产谐波减速器价格低，交货期短，因此赢得了国内机器人厂商的不少订单比如同类型的绿谐和幸运谐的产品比Hamernaco低40%~50%，平均交货期在2个月左右绿谐在国内机器人厂商的份额估计已经达到80%
另一方面，国内厂商的产能仍然较低2019年，弗莱谐波的产能刚刚过了月产量2万台，2019年格林谐波的产能只有9万台，2018年哈默纳科的产能达到了180万台
目前国内的减速器更换进程只能说是刚刚起步，距离国际先进水平还有很大差距。
而且Hammernaco的产品线更丰富，覆盖面更广，与全球领先的机器人本体制造商有稳定的合作关系，所以供货价格更低，供货规模更大如何打入现有的供应链，建立上下游的关系，也是国内厂商必须面对的挑战
在RV减速器领域，由于其零部件更复杂，承载强度更高，生产线的制造难度和投资规模远大于谐波减速器RV减速器的关键难点在于各工序的精确配合，如选材，齿面热处理，加工精度，成组工艺，装配精度等如果配合不够精确，会影响产品的磨损和寿命
比如纳波茨克的RV减速器，平均寿命能保持10000小时，精度和刚性不会伴随着使用时间的增加而降低而国产产品使用寿命不到6000小时，使用中有一些噪音，发热等异常现象，说明减速器存在齿轮啮合不良，摩擦过大，磨损等现象
因此，我国在RV减速器领域与国际水平存在较大差距一些龙头企业，如双环传动，秦川机床，南通振康，仲达立德等目前年产量不到10万辆据纳博茨克估计，2026年其年产量将达到200万辆
伺服系统:国产替代空间大。
目前，国内伺服市场被日本，欧洲，美洲，中国大陆和台湾地区占据其中中高端市场主要被欧美日公司垄断
以安川电机为代表的日本伺服经过几十年的技术沉淀，产品稳定性高，以西门子为代表的欧洲产品，强调高集成度，将伺服系统与上游控制系统深度结合，使电机体积更小，运动控制精度更高，以汇川为代表的国产伺服主要依靠性价比优势，满足国内中小企业在低端领域的需求。
在动力输出方面，国产，日系，欧系伺服的输出动力差距较小，但国产伺服的运动控制性能还有一定差距例如，速度环频率通常反映快速响应性能频率越高，带宽越大，快速响应性能越好从下表可以看出，西门子的速度环频率可以达到2k，安川是1.5k，汇川只能达到1.2k
此外，国产伺服系统还存在一些差距，如电机尺寸大，编码器精度不够，产品稳定性不高等。
但国内制造商正在迎头赶上。
中国品牌的价格平均比国外品牌低15%~30%，并积极配合下游企业客户开发定制解决方案，凭借价格优势和服务能力逐步占领中低端市场2021年，汇川的市场份额达到15.9%，成功领先安川，台达等厂商而埃斯顿，广州数控等其他厂商也在突破目前，本土伺服厂商总数超过300家
伴随着国内外产品性能接近，稳定性和可靠性得到实践验证，以汇川为首的国内厂商将有机会进一步替代国外厂商，扩大市场份额。
控制器:硬件本地化差异小。
控制器是中国与国外产品差距最小的核心部件。
成熟的工业机器人制造商通常开发自己的控制器，以确保统一性和稳定性，维护技术体系所以控制器和机器人本体的市场份额基本相当这意味着传统工业机器人的四大家族仍然是该领域的龙头
控制器分为硬件和软件因为硬件一般都是外包的，所以机器人厂商的差距并不大而国产厂商在软件上与传统的四大家族差距较大，从能用到能用的控制器还有很长的距离
控制器作为工业机器人的大脑，对机器人的性能起着决定性的作用对于同样性能的伺服电机，一个好的控制算法可以大大提高精度，速度和稳定性
比如在小载荷焊接领域，国产工业机器人的重复定位精度与四大家族大致相当，一般达到0.05mm，已经可以满足汽车焊接生产的需要，但Fanuc的最高精度可以达到0.02mm，在最高轴速上，四大家族可以达到700/s，国内只有少数领先厂商可以达到这个水平。
控制器的软件部分包括机器人操作系统，底层控制算法，二次开发应用进程算法等其中，操作系统既包括专用系统，也包括开源操作系统在算法层面，底层算法是基础，比如路径规划，行为决策等国内厂商在这方面差距较大，导致针对不同行业场景进行二次开发时，算法的准确性，稳定性，响应速度等性能都有所欠缺
目前国内的机器人本体厂商如埃斯顿，宋新，新时达等都可以生产控制器，但需要更多的数据，实践积累和经验沉淀，才能在软件算法上有所突破。
行业未来发展趋势
在《机器人产业发展十四五规划》文件中，对产业发展的规划是:到2025年，我国将成为全球机器人技术创新的策源地，高端制造的聚集地和集成应用的新高地机器人核心技术和高端产品取得多项突破整机综合指标达到国际先进水平，关键部件性能和可靠性达到国际同类产品水平
目前的现实是，工业机器人产业只在低端领域有所突破，在高端领域还有大量技术难题需要解决目前核心部件本质上仍属于精密制造，日本，德国的老牌工业厂商起步较早，有几十年甚至上百年的技术积累和实践验证中国厂商只能后来居上，从给国外厂商做低端产品的代工和R&D开始，逐步向世界一流产品靠近
但国内替代仍有机会。
首先，国产厂商突破基础技术后，可以以较低的价格在低端领域稳住市场，然后逐步扩大份额，其次，由于供货周期相对较短，且能为下游企业客户提供定制服务，国产机器人本体厂商很可能会优先考虑国产核心零部件。
同时，当机器人整体走向智能时代，中国领先的人工智能技术将赋予工业机器人全新的心智比如视觉传感器的加入，拓展了工业机器人的应用场景通过机器视觉技术，机器人有了眼睛，变得更加灵活这将带来控制算法的更新迭代，为国内厂商带来新的机遇
伴随着协作机器人的发展，机器人不再局限于固定的工位操作，而是可以灵活适应不同的工作环境，从而实现人机协作在这个领域，涌现出了很多创业型的厂商，发展很快由此，国内机器人本体厂商将可能抢占传统工业机器人厂商的市场，核心零部件的供应商也将有机会持续增长
当然，最重要的是缩短与国外厂商的技术差距《机器人产业发展十四五规划》提到，要补齐产业发展短板推动产学研联合攻关，补齐特种材料，核心零部件，加工工艺等短板，提升机器人关键零部件的功能，性能和可靠性，开发机器人控制软件，核心算法等提高机器人控制系统的功能和智能化水平
具体来说，在整个机器人产业链的发展过程中，需要:
加强各类资源的统筹规划，发挥行业协会的桥梁作用，加强机器人产业的动态监控，
加大财税支持力度，充分发挥政府采购作用，促进各类产业基金投入，支持符合条件的企业上市，
创造良好的市场环境，加强对产权保护的支持，规范市场招标采购等。
完善人才保障体系，支持高校和科研院所培养高端人才，
深化国际交流，鼓励外国企业在华设立R&D机构，推动机器人产品和解决方案走出去。
除了具体的技术问题，来自政府层面的政策利好，社会资本的投入以及下游产业的支持也对工业机器人产业链的国产化起到至关重要的作用在良好内外因素的共同支撑下，未来行业高质量发展可期
参考资料:
《绿谐:机器人核心零部件的国内龙头》，东吴证券，2020年11月25日。
《绿色谐波专题研究报告:挑起中国机器人的支点》，招商证券，2021年6月17日。
短期机器人有望迎来拐点，中长期国产化率提升，财富证券，2020.01.06。
智能产业第三基础组件:伺服系统，信达证券，2021.03.07
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