【华宝证券】机器人行业展望：四大逻辑利好机器人产业链发展.pdf

2023-09-06

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1. 机器人是一种自动化设备或工具，当前处于第三代智能机器人的 L3 发展阶段

1.1. 机器人是一种自动化设备或工具，具备人的特长和机器的特长

机器人是一种自动化设备或工具，主要特征有二——具备类人或类生物的智能或功能，且自主或半自主地执行任务。目前尽管关于机器人的研究非常广泛和深入，但对于机器人还没有一个统一的定义。从多家机构或标准对机器人的定义总结来看，机器人是一种能够半自主或全自主工作的自动化设备，即这种设备能够通过编程和自动控制来执行任务，具备与人或生物类似的智能能力。机器人具备人的特长和机器的特长。机器人可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率质量，服务人类生活，扩大延伸人的活动及能力范围。但与此同时，机器人并不是在简单意义上替代人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。

1.2. 机器人主要由三大部分、五大系统组成

机器人主要由传感、控制、机械三大部分组成，又可细分为感知系统、控制系统、驱动系统、机械/执行机构、交互系统。当前机器人的经典架构设计遵循感知-控制-执行的反馈控制框架，主要由传感、控制、机械三大部分组成，因此其具有感知、执行等基本能力。与人或生物的组成部分进行类比，可将机器人结构细分为感知系统（感官系统中的感受）、控制系统（大脑系统）、驱动系统（心脏、肌肉）、机械/执行机构（身躯、四肢）、交互系统（感官系统中的交流）。

1.3. 当前处于第三代智能机器人的L3 发展阶段

全球机器人行业的发展经历了四个阶段，目前处于智能应用期。全球机器人行业的发展经历了萌芽阶段（20 世纪 40-50 年代）、初级阶段（20 世纪60-70 年代）、迅速发展阶段（20世纪 80-90 年代）、智慧化阶段（21 世纪初-至今）等四个阶段。当前阶段，随着感知、计算、控制等技术的迭代升级和图像识别、自然语音处理、深度认知学习等人工智能技术在机器人领域的深入应用，机器人领域的服务化、智能化、通用化趋势日益明显。其中美国、日本、德国等都是机器人的研发和制造大国，无论是在基础研究还是产品研发、制造方面，都居世界领先水平。在日本，机器人的关键性部件—减速器是遥遥领先的，并且已经形成了技术壁垒；德国则在原材料、本体零部件具有很大的优势；美国当前在人形机器人方面、机器人AI 技术方面引领潮流。

国内工业机器人行业发展起步晚于国外，目前处于产业形成阶段，下一步将向产业深化迈进。国内主要经历了三个发展时期——技术准备阶段（1970-1990 年）、产业孕育阶段（1990-2009 年）、产业形成阶段（2009 年-至今）。在 2000 年之前，国内主要以技术研究、市场探索为主。进入 21 世纪后，国内工业机器人技术及产业才得到迅猛发展。2000年-2010年，在汽车等主要应用领域较为低迷的情况下，国内工业机器人年均销量仅为数千台，这一阶段主要是外资在加速布局国内市场，而国内供应商主要做集成和代理。2010-2017年，随着下游汽车、3C 等行业需求的高速增长，工业机器人销量超过万台，一些内资集成企业发展到了一定程度，并开始向中上游拓展。同时国家对机器人支持补贴政策的密集出台，以及长尾市场的逐渐打开，我国工业机器人产销量呈爆发式增长。2018-2019 年受贸易摩擦影响以及补贴减少，国内汽车、3C 电子等主要的机器人应用下游受到影响，机器人需求放缓。近年来，伴随新能源等行业快速扩产，机器人行业抓住历史机遇切入相应细分行业，在相关行业应用上占据先发优势。总的来说，与美、日、德等机器人强国相比，中国仍更多处于机器人产业链的中下游，主要是本体制造、系统集成、二次开发、定制性部件和售后服务等环节。

机器人技术迭代已走过两代，当前处于第三代智能机器人的发展过程中。第一代的机器人指能通过离线编程或示教操作生成程序，并再现动作的机器人，所使用的技术和数控机床相似。第二代机器人装备有少量传感器，能获取环境、对象的简单信息和进行简单的推理，可适当调整动作和行为，故称为感知机器人或低级智能机器人。第三代机器人具有高度的自适应能力，它有多种感知机能，可通过复杂的推理，做出判断和决策，自主决定机器人的行为，具有相当程度的智能，故称为智能机器人。若按照智能等级来看，目前的智能机器人还处于“弱智能”状态，正不断在L3阶段深化发展、同时向 L4 阶段迈进。根据《智能机器人（第二版）》（陈黄祥）一书中的分类，将机器人智能等级分为 L0-L4 等 5 个等级阶段，同时标明了相应阶段中机器人在知识获取、知识反馈、知识应用、知识创新中的自主性，是完全依靠机器人自身还是完全或部分依赖人为操控。目前的智能机器人还处于“弱智能”状态、整体发展至 L3 阶段，随着以物联网、云计算、深度学习等为代表的新一代信息技术的快速发展，机器人将不断在L3 阶段深化发展、并向L4阶段迈进。

2. 我国市场以工业机器人为主，是工业机器人消费大国、但非制造大国

2.1. 我国机器人市场以工业机器人为主，服务机器人市场规模增速更快

根据制造目的的不同，机器人可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。中国于2021年正式实施的新国标 GB/T 39405-2020 从五个维度对机器人进行分类，包括应用领域、运动方式、使用空间、机械结构以及编程和控制方式。根据应用领域，机器人可分为五大类，包括工业机器人、个人/家用服务机器人、公共服务机器人（商业服务机器人）、特种机器人和其他应用领域机器人，其中个人/家用服务机器人、公共服务机器人（商业服务机器人）可归属于服务机器人大类。本文主要讨论工业机器人、服务机器人。

工业机器人是 20%的智能+80%的动能，而服务机器人是80%的智能+20%的动能。简单来说，机器人就是动能（提供动力，完成运动）+智能（判断、控制）的组合，如果说工业机器人是 20%的智能+80%的动能，那么服务机器人就是 80%的智能+20%的动能。原因在于工业机器人所处的工作环境在大多数情况下是已知的，对应工作内容变化少，但要求精密、精细、准确，即对智能要求不高，但对运动能力有较高要求，因此利用第一代机器人技术可基本满足。然而，服务机器人的工作环境在绝大多数场合中是未知的，面临工作环境复杂、变化多，但承受负载轻且精密要求不高，故一般需要使用第二代、第三代机器人技术。

全球机器人市场主要以工业机器人、服务机器人为主，我国机器人市场以工业机器人为主。根据中国电子学会及 IFR 数据，2021 年全球工业机器人、服务机器人、特种机器人市场规模分别为 175 亿美元、172 亿美元、82 亿美元，占比分别为41%、40%、19%。预计工业机器人 2022-2024 年间市场规模 CAGR 为 9%，服务机器人、特种机器人2022-2024年市场规模CAGR 分别为 16%、18%。根据中国电子学会 2021 年数据，中国工业机器人、服务机器人、特种机器人市场规模分别为 75 亿美元、49 亿美元、18 亿美元，占比分别为53%、35%、13%。2017-2021 年间服务机器人、特种机器人的规模增速高于工业机器人。与全球不同类型机器人市场规模发展趋势类似，根据中国电子业协会和 IFR 的预测，2022-2024 年间工业机器人市场规模将仍维持 CAGR 为 15%的速度增长，但服务机器人、特种机器人市场规模增速将高于工业机器人，两者该期间 CAGR 将分别达到 25%、24%，服务机器人市场规模与工业机器人的差距将缩小。我国三种类型机器人市场规模在2017-2022 年间的CAGR均高于全球。

无论是从产量还是销量上看，我国工业机器人近两年增速有所放缓。根据Wind以及萝卜投研数据，2017-2022 年工业机器人产、销量 CAGR 分别为28%、14%。2020-2021年，由于疫情因素、机器替代人的需求增加，以及国产替代叠加新能源等行业大规模扩产等因素，工业机器人产销量均有大幅度提升；近两年产销增速放缓，今年上半年表现疲软，主要受到下游应用市场需求走低以及渠道商降库存的影响。

服务机器人产量增速有回暖趋势。2021 年，在疫情影响下，无接触式服务成为刚需，过去两年消费者和企业对服务机器人的需求陡然增加，机器人的价值被进一步挖掘，服务机器人快速迈过市场教育阶段，进入高速发展期；2022 年，商业服务机器人受到下游餐饮、酒店等行业需求不景气的影响，家用服务机器人中占比较高的扫地机器人行业市场规模增长停滞，故整个服务机器人产量呈下滑趋势，下滑情形一直延续至 2023 年3 月。2023 年4月，服务机器人的产量同比增长了 47.6%，行业上升拐点出现，截至 2023 年7 月，服务机器人产量同比增速为 28.7%，有所回暖。

在智能化、通用化、人形化趋势下，工业机器人与服务机器人的界限将被打破。根据前文分析传统工业机器人与服务机器人是存在较大差别的，但在AI 大模型“智力加持”下的通用人形机器人被推出后，未来同一种机器人既可用于工业场景、又可用于服务场景的画面将会成为现实。例如根据特斯拉计划，第一批 Optimus 机器人将主要在特斯拉超级工厂中应用，替代那些危险、无聊、重复的工作，或是人们不想做的工作，第二批大规模使用的机器人，会拥有在现实世界中的导航能力，无须特定指令也能做有用的事，第三批可以应用在家庭场景。再例如国内的智元机器人“远征 A1”展示的功能包括在工厂拧螺丝、做检测，在家庭生活场景中当管家等。

2.2. 我国是工业机器人消费大国，日本是机器人制造强国

自 2013 年起，我国已成为全球最大的工业机器人消费国。从每年新增工业机器人安装数量上看，自 2013 年起，中国新增数量已超过其他主要国家、达到3.7 万台，成为全球最大的工业机器人消费市场，且近几年新增安装数量的增速高于其他主要国家。从占比上看，2021年中国机器人市场规模占全球比例已达 33%，新增工业机器人数量占全球比例已达52%。根据中国电子学会、IFR 预测，由于中国对机器人科技和产业发展高度重视，中国机器人行业将进一步发展壮大，2022-2024 年中国机器人市场规模将分别达到174 亿美元、210亿美元、251亿美元，2022-2024 年中国机器人市场规模 CAGR 预计为20%，超过全球预计增速（13%）。

尽管我国是工业机器人消费大国，但从供给端上看，日本是全球机器人（尤其是工业机器人）市场的主角。从供给视角来看，尽管我国已经形成学科齐全的机器人研发体系、从零部件生产到机器人应用的完整产业链，但仍处于产业化的初期阶段，而日本与欧洲已经实现了传感器、控制器、精密减速机等核心零部件完全自主化，美国在AI 大模型的开发和应用上已走在世界前列。例如在工业机器人销量上，瑞士的 ABB、德国的库卡（KUKA）、日本的发那科（FANUC）和安川电机（YASKAWA）4 家生产商（被称为“四大家族”）占据着工业机器人58%的市场份额，且在机器人本体制造、相关技术和服务、核心零部件等多方面拥有显著优势。根据IFR《全球机器人报告》，日本是全世界排名第一的工业机器人制造国，2021 年生产的机器人数量占全球总量的 45%。

2.3. 我国工业机器人以六轴多关节机器人、SCARA机器人为主，主要应用于搬运、焊接和装配

根据前文分析，按照机器人的用途和功能，三大类型机器人可以继续向下细分，工业机器人包括加工、装配、包装机器人等，服务机器人包括个人/家用服务机器人和公共服务机器人（商业服务机器人），特种机器人包括军事机器人、场地机器人等。按照机械结构，工业机器人又可被分为垂直关节型、平面关节型、并联机器人、直角坐标型等，前三种属于多关节机器人，其中垂直关节型、平面关节型一般为串联机器人，协作机器人也属于串联机器人的一种。不同应用场景应用的机器人的机械结构略有差异，同时不同机械结构的机器人主要应用领域也会有所差异。

我国工业机器人以六轴多关节机器人、SCARA 机器人为主，应用场景主要为搬运、焊接和装配。从结构上看，中国工业机器人市场需求主要以六轴多关节机器人、SCARA机器人为主，2022 年合计占比约为 90%，其中小六轴、大六轴、SCARA 机器人占比分别为37%、26%、27%。从功能上看，尽管工业机器人运用场景广泛，但我国工业机器人主要用于搬运、焊接和装配等应用环节，此类应用的机器人占比约为 82%。工业机器人方面，人机协作或成为未来焦点。协作机器人指在共享空间中与人类互动或在附近安全工作的机器人，是工业机器人重要的细分领域之一。尽管协作机器人销量占比较低，约为 7%左右，但其增长速度最快，这点从全球协作机器人增速上也有体现。比传统工业机器人智能化程度、灵活程度、安全程度更高，应用场景不断更新，不仅可以应用于工业领域，还可以应用于商用服务领域，协作人工执行更加复杂的任务。在机器人柔性化、高灵活性的发展趋势下，协作机器人将是机器人未来发展的重要方向之一。

2.4. 我国服务机器人以家用服务机器人为主，商用服务机器人以商用清洁机和终端配送为主

我国服务机器人市场以家用服务机器人为主。根据中商情报网数据，2021年我国家用服务机器人市场规模约为商用（公共）服务机器人市场规模的2 倍，因此我国服务机器人市场以家用服务机器人为主，而家用服务机器人又主要以扫地机器人和其他用于室内家庭地板清洁的机器人数量最多，其他类型如园艺机器人、割草机器人在海外更受欢迎。商用服务机器人相比家用服务机器人增速更快，类型以商用清洁机和终端配送为主，主要应用在餐厅、酒店场景。不论是全球还是中国，近几年商用服务机器人市场规模增速均较快，下游应用领域主要包括餐饮、酒店、医疗、养老、家政、消防、物流等。根据IFR数据，2021年全球专业（商用）服务机器人的销售额增长了 37%，远高于消费（家用）服务机器人增速9%。根据亿欧智库统计数据（仅统计市场规模较大的商用清洁、终端配送和讲解引导机器人市场规模），中国 2019-2022 年商用服务机器人 CAGR 为 95%，远高于服务机器人整体增速（34%，前文 IFR 数据）。商用服务机器人领域，全球主要以运输和物流、餐饮服务领域的商用服务机器人为主，且以上两个领域的商用服务机器人增速较快。国内市场则以商用清洁机器人为主，其次是终端配送机器人，商用清洁机器人、讲解引导机器人近几年增速较快；主要应用领域为餐厅和酒店。

3. 我国拥有较为完整的机器人产业链，上游核心零部件是产业链中技术壁垒高、成本占比较大的环节

我国机器人行业在经历数十年发展后形成完整的行业产业链，工业机器人行业按产业链分为上游、中游、下游和终端应用。上游为控制器、伺服电机、减速器、智能芯片、传感器等核心零部件生产；中游为工业机器人本体生产；下游是基于终端行业特定需求的机器人系统集成商，主要用于实现焊接、装配、检测、搬运、喷涂等工艺或功能。终端应用主要由不同领域的企业客户和个人消费者组成，形成巨大的机器人应用市场。

从工业机器人成本构成来看，上游的三大零部件是产业链中技术壁垒高、成本占比较大的环节。上游三大零部件控制器、伺服系统和减速器，成本占比分别为12%、22%、32%，合计成本占比为 66%。从盈利水平看，上游零部件的毛利率相对较高，其中减速器毛利率为40%，伺服系统为 35%，控制器为 25%；中游机器人本体毛利率最低、为15%；下游系统集成毛利率为 35%。

从服务机器人成本构成来看，三大核心模块环境感知、运动控制和人机交互成本占比至少可达 85%。以公共（商用）服务机器人为例，包含三大核心技术模块：环境感知、运动控制和人机交互。环境感知模块即感知系统，运动控制模块主要指控制系统、驱动系统、机械结构系统，人机交互模块主要指交互系统。其中对于本体厂商，人机交互和其他基础软硬件基本实现自研，环境感知和运动控制模块会有企业选择外采，但随着技术的进步以及成本考虑，现在多数机器人企业也实现了环境感知和运动控制模块的自研。环境感知与运动控制模块自研的情况下，三大核心模块的成本占比为 85%，非自研情况下，环境感知与运动控制模块成本占比高达70%，三大核心模块成本占比约 92%。

3.1. 上游：三大核心零部件国产化率不断提升，但高端领域国外厂商仍占竞争优势

3.1.1. 机器人主要使用 RV 减速器和谐波减速器，市场均由日本厂商主导，国产化进程不断推进

减速器类似“肌腱”，属于机器人机械结构系统中的传动装置的一部分，是支撑机器人关节的回转运动的关键部件。机器人的传动装置包括齿轮传动（圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、齿轮链传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动等）、丝杠传动、行星齿轮传动、RV（RotaryVector）减速器传动、用柔性元件传动（谐波齿轮传动、绳传动和同步齿形带传动等）。不同的装置或组合装置所支撑的运动形式，例如直线运动（伸缩、升降、直线移动）、旋转运动（回转运动、俯仰运动）有所不同。其中，减速器是机器人关节回转运动都必须使用的关键部件。它是一种精密的动力传达装置，具有匹配转速和专递转矩的作用，其利用齿轮的速度转换器，使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到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。

机器人中主要使用的精密减速器为 RV 减速器和谐波减速器。减速器可分为通用、专用、精密减速器。由于减速器的输出转速、传动精度、输出转矩和刚性决定了机器人对应运动轴的运动速度、定位精度、承载能力，因此一般来说机器人对减速器的要求很高，传统的普通齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器等都不能满足一些应用场景（尤其是工业领域）对高精度、大比例减速要求，为此需要使用专门的减速器，例如RV 减速器和谐波减速器。谐波减速器主要用于机器人的手腕驱动，RV 减速器主要用于机器人的机身驱动。谐波减速器是谐波齿轮传动装置的简称，这种减速器的传动精度高、结构简单、使用方便，但其结构刚性不及 RV 减速器，故多用于机器人的手腕驱动。RV 减速器是旋转矢量减速器的简称，是由行星齿轮减速和摆线针轮减速组合而成的减速装置，结构刚性好、输出转矩大，但其内部结构比谐波减速器复杂、制造成本高、传动精度略低于谐波减速器，故多用于机器人的机身驱动。一般而言，中等负载的六轴工业机器人第一关节至第三关节更可能使用RV减速器，即基座、大臂、肩部等重负载位置搭载 RV 减速器，其余部位更可能使用谐波减速器，负载更高的机器人更多地使用 RV 减速器，反之则更多地使用谐波减速器。

我国 RV 减速器市场体量约在 40 亿元左右，谐波减速器市场体量约在20亿元左右，在工业机器人领域，整体来看谐波减速器的应用量更高，但总体价值量上差别不大。根据中商产业研究院数据，2021 年我国 RV 减速器市场规模为 42.9 亿元，预计2025 年市场规模达60亿元，2021-2025 年间 CAGR 为 8.75%；2022 年我国谐波减速器市场规模约21 亿元，预计2025年市场规模有望超过 30 亿元，2022-2025 年 CAGR 为 16.49%。高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2022 年中国工业机器人 RV 减速器与谐波减速器使用量分别为45.94万台与63.96万台，假设减速器价格变化较小且忽略不同型号减速器价格的差异，按照RV减速器每台2350元的价格、谐波减速器每台1631.95元/台，可简单估算出2022 年工业机器人领域RV减速器、谐波减速器市场规模分别为 10.80 亿元、10.44 亿元，两者大致相当。

无论是在 RV 减速器还是谐波减速器领域，日本厂商市场份额均为第一，市场集中度很高。日本纳博特斯克公司（Nabtesco Corporation）既是 RV 减速器的发明者，又是目前全球最大、技术最领先的 RV 减速器生产企业，世界著名的工业机器人几乎都使用其生产的RV减速器。RV 减速器的国产厂商主要有双环传动、珠海飞马、中大力德、南通振康、秦川机床等。日本哈默纳科（Harmonic Drive System）公司是全球最早研发生产谐波减速器的企业，同时也是目前全球最大、最著名的谐波减速器生产企业。谐波减速器的国产厂商主要有绿的谐波、来福谐波、同川科技（汉宇集团）、大族传动等。由于减速器在设计、材料、设备、工艺、装配人员等方面存在技术壁垒，因此国产的减速器在产品规格、性能、使用寿命等方面与日本这两家顶级公司的产品存在一定差距，同时叠加品牌壁垒、销售渠道壁垒等原因，通常只能用于要求不高的机器人领域。

整体来看减速器行业国产化率不断提升，其中谐波减速器国产化率略高于RV减速器。根据 GGII 数据显示，减速器行业国产化程度不断提升，2022 年国产化率近42%。从不同类型上看，国产谐波减速器替代趋势相对明显，国产 RV 减速器接受度正在提高。根据上文2022年两个减速器市场份额估算，RV 减速器国产化率约 32%，谐波减速器国产化率为44%。之所以有区别，简单来说，是由于谐波减速器相对于 RV 减速器更容易做到及格水平，RV减速器零部件多、结构更为复杂，对设计、加工工艺、装配的要求更为苛刻，中间的一点小误差累积到最终产品上会被放大，而关键的材料、工艺、技术和经验主要被国外厂商掌握，产线设备投资相比谐波更高，国内厂商量产难度较高。目前，国内谐波减速器已接近国外龙头，在加工技术方面难点已基本攻克，满足常规使用，但在批量生产品控、极端使用下的产品、柔轮材料、制造设备等方面仍存在攻克难点；RV 减速器现阶段相比日本产品的精度、耐磨性仍有差距。

3.1.2. 伺服系统中伺服驱动器、伺服电机成本占比较高，国产化率不断提升

整个伺服系统发挥了“心脏”与“肌肉”等功能，是机器人驱动系统的重要组成部分，是经由闭环控制的方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。伺服系统又被称为随动系统，其主要任务是按照上级控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制灵活方便，一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。因此对于机器人来说，其需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要有任意位置定位功能，因此需要使用伺服驱动系统。按使用通用性程度，伺服系统分为通用和专用两类。通用与专用伺服系统下游略有差异。其中通用伺服系统可以在不同行业广泛应用，其下游应用广泛。专用伺服系统一般是根据不同行业需求定制化开发，提供专业化产品，主要为交流电伺服以外的其他品类伺服，下游应用领域包括风力发电、矿山机械、缆车索道、电梯等。按照功率大小，目前可以分为小型伺服、中型伺服和大型伺服系统。按驱动方式分，有电气、液压和气压等伺服驱动形式，伺服系统的发展经历了由液压、气动到电气驱动的过程。伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成，伺服驱动器、伺服电机成本占比较高。伺服系统的主要性能指标包括编码器分辨率、电机过载能力、电机最高转速、频率响应速度，这些指标反映了伺服产品的定位精准度、性能、稳定性。其中，定位精准度跟编码器的选择有关，性能跟驱动硬件的运算能力和程序源价值有关，稳定性跟电机材质及零部件有关。

伺服驱动器作用类似于变频器之于交流马达，一般是通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制，实现高精度的传动系统定位，通常被安装在控制柜内。驱动器的形式取决于驱动电机的类型，例如机器人电机多使用直流伺服电机以及交流伺服电机，因此常用的机器人驱动器就是直流伺服电动机驱动器以及同步式交流伺服电动机驱动器。直流伺服电动机驱动器调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强；同步式交流伺服电动机驱动器则有着转矩转动惯量比高等优势。在过去，一个电动机就需要一个驱动器，但随着驱动技术的发展，驱动器由单轴控制向多轴控制发展，一个驱动器可同时控制多个电动机。伺服驱动器核心构成主要包括主控制器和电力电子板、信号处理和通信板，即控制模块+通信模块。就驱动器而言，主要看芯片性能。伺服编码器是一种传感器，安装在伺服电机末端用来测量转角及转速。编码器主要由传感器和码盘组成，能够测量机械部件在运动时的位移位置和速度等信息，并将其转换成电信号，进一步发送反馈信号给驱动器，驱动器以此确定位置、速度或方向。作为伺服系统的信号反馈装置，编码器很大程度上决定了伺服系统的精度。根据检测原理，编码器可分为光电式、磁场式、感应式和电容式，目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。就编码器而言，主要看分辨率、精度以及重复精度等。

伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机作为执行元件，作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度，其主要由定子和转子构成。机器人的关节驱动离不开伺服电机，关节越多，其柔性和精度的要求就越高，所需的伺服电机数量就越多。机器人对伺服电机的要求较高，必须满足快速响应、高启动转矩、大动转矩惯量比、宽调速范围，同时又要适应机器人的形体做到体积小、重量轻、加减速运动等要求。机器人以使用无刷直流电机（BLDC）为主流。如今一般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化和高响应性等性能，例如空心杯电机、伺服电缸、无槽无刷电机等或将成为未来机器人领域伺服电机的发展趋势。就电机而言，主要看转速、功率、扭矩、震动、噪音、加/减速度、尺寸、寿命、响应时间等。工业机器人领域伺服系统产品逐渐向模块化、高性能化、智能化和网络化方向发展。模块化（集成化）即用一体化集成的思路实现结构的简化以及效率的提高，包括“多轴合一”“控制+驱动”“驱动+传动关节”等一体化形式，例如当前较多企业（如汇川技术、绿的谐波）已推出机电一体化、驱控一体化模组，可以降低厂商部件采购种类，减少安装环节、提高集成效率、减少成本，以及实现缩小体积、减轻重量和提高性能等。高性能化体现在伺服系统的可靠性、高动态响应能力、快速精准定位，具体方向包括芯片运算能力的提升、电机控制算法的优化、编码器技术的升级。智能化则指伺服产品在控制、编程功能上的集成性，让其能够独立完成位置、速度控制，自动增益调整等功能。网络化则主要指构建总线型伺服，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。随着国内对大规模分布式控制装置的需求增加，伺服系统网络化成为未来发展的必然趋势。

伺服系统市场主要以通用伺服系统为主，2022 年通用伺服系统市场规模为223亿元。根据 MIR 数据，随着伺服系统技术水平的发展以及下游应用市场的渗透，2017-2022年我国通用伺服市场规模由 141 亿元提升至 223 亿元，按此计算期间CAGR 为9.6%。根据MIR预测，2023 年通用伺服市场规模受宏观经济下行、市场需求低迷、出口走弱、行业周期等影响或将延续下滑趋势，在 2024-2026 年将有所回暖。从类型上看，伺服系统市场主要以通用伺服系统为主，占比超过 80%。伺服电机市场以小中型为主，且交流伺服电机市场规模更大，2017-2021年CAGR为9.86%。根据 MIR 和中商产业研究院数据，2021 年中国伺服电机市场规模为169亿元，2017-2021 年复合增长率 9.86%。从类型上看，由于近年来使用小型伺服电机的3C行业、工业机器人行业等快速发展，因此小型伺服电机市场份额占比最高、为45%。此外，由于交流伺服电机具有最大转速高、速度控制平滑、振荡小不易发热以及适用于灰尘、易爆环境的诸多优点更加适应工业自动化对于运动控制的要求，故交流伺服电机市场规模更高、占比超过80%。

伺服系统在电子制造业、电池制造业、工业机器人、机床等行业应用占比较高，2021工业机器人伺服系统市场规模约为 28 亿元。伺服系统作为自动化设备中的基础元件，未来几乎所有设备都将成为下游市场，当前其下游包括机床（金属切削机床、金属成形机床、木工机床）、电子制造、电池制造、机器人、半导体、光伏、纺织、食品包装等行业。根据华经产业研究院2021 年数据，伺服系统在电子制造行业应用量最大、占比22%，其次是电池制造、工业机器人、机床行业，分别占比为 13%、12%、10%。伺服系统在高端制造赛道（电子制造设备、电池制造设备、工业机器人、光伏设备、半导体、激光）中的应用占比已达63%。根据工业机器人应用规模的比例，可推测 2021 年工业机器人伺服系统市场规模约为27.99亿元。据MIR预测，新兴行业如光伏、锂电池制造、半导体等行业将是未来伺服领域的弹性增长点。

我国伺服系统市场集中度较高，过去主要被安川、三菱、松下等日系厂商和西门子等欧美厂商占据，近几年国产化率逐步提升。伺服系统市场集中度较高，2022 年CR5为55.2%。此外，从近四年的内外资厂商份额占比的变化情况可以看出，伺服系统国产化程度逐步提升，2021年国产品牌厂商整体份额已超越首位的日韩系厂商，若不考虑中国台湾，2022年通用伺服系统本土化率已超过 38%，本土品牌数量超过三百多家，包括汇川科技、禾川科技、信捷电气等。此外，单独看伺服电机的国产化率，低于伺服系统，根据GGII 数据，2022 年伺服电机国产化率为 31.4%。尽管国产替代已取得一定成绩，尤其是中低功率产品方面，已经与国际水平持平，但伺服市场外资占比依旧较高，国产品牌在高端市场竞争力较弱、产品存在同质化问题，且在核心技术如高端伺服电机、伺服驱动器中的核心芯片（DSP 芯片等）、高精度编码器等方面国外厂商仍具备优势。

3.1.3. 控制器国内外差异主要体现在软件层，市场竞争格局与本体厂商类似

控制系统在机器人上发挥的是“大脑”的功能。控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。对于一个具有高度智能的机器人，它的控制系统实际上包含了“任务规划”“动作规划”“轨迹规划”和基于模型的“伺服控制”等多个层次。机器人的控制方式有三种，包括集中控制、主从控制和分布式控制，现代机器人控制系统均采用分布式结构。集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成，这是早期的机器人控制系统采用的结构，原因在于早期机器人功能要求不高、计算机造价较贵。随着技术发展，机器人控制方式逐渐演变为主从控制和分布式控制。现代机器人控制系统大部分采用分布式结构，即上一级主控制计算机负责整个系统管理以及坐标变换和轨迹插补运算等，下一级由许多微处理器组成，每一个微处理器控制一个关节运动，它们并行地完成控制任务，从而提高了工作速度和处理能力。机器人控制系统一般由控制计算机（上位机）、伺服控制器（下位机）等部分组成，伺服控制器一般使用单片机或运动控制器。控制计算机作为上位机，完成人机交互和运动轨迹规划，一般为微型机、微处理器，微处理器有 32 位、64 位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。伺服控制器（也被称为轴控制器）作为下位机，控制各关节的驱动器使其按一定的速度、加速度和轨迹要求进行运动，一般为单片机或运动控制器。因此一般提及运动控制器时，可理解为机器人控制系统的下位机，即伺服控制器部分，以下简称控制器。

运动控制器主要由硬件、固件、软件等组成。运动控制器的工作原理是将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置（点位、运动轨迹、插补等）控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，主要由硬件、固件、软件等组成。其中硬件部分包括微处理器、存储器、接口电路、通信接口、电源等；固件是指固化在微处理器、存储器、可编程逻辑器件等元件中的软件；软件部分由实时操作系统、运动控制指令编译器、运动控制参数的预处理及优化、运动控制函数、通信管理等模块构成。

运动控制器可分为通用和专用两类，通用又可分为PLC 控制器、嵌入式控制器和PC-Based 控制卡。通用运动控制器一般为用户提供二次开发接口，设备制造商根据其设备的控制需求基于运动控制器编程开发控制系统。根据平台不同，通用运动控制器可以分为PLC（可编程逻辑控制器）控制器、嵌入式控制器和 PC-Based 控制卡三大类。专用控制器是为特定设备开发的控制器（如数控机床、激光切割控制系统、激光标刻控制系统、点胶控制系统等），由控制器厂家根据行业应用工艺需求完成应用软件的开发，设备制造商无须二次开发即可直接使用。以上运动控制器均可以运用在机器人领域。

PC-Based 运动控制卡目前已成为发展最快的运动控制器。根据亿欧智库报告，2020年PC-Based 控制器、专用控制器、PLC 控制器在中国的市场份额占比分别为34.6％、37.8％和27.6％，且在一些行业中，PC-Based 或专用控制器正逐步替代PLC。相比而言，PC-Based运动控制卡能够实现更为复杂的运动控制，在产品性能和生产成本上为下游厂商提供一个最佳的平衡点，目前已成为发展最快的运动控制器。根据 MIR 数据，2021 年PC-Based运动控制器市场规模同比增长超过 30%，随着下游工业机器人、半导体等行业对运动控制要求的提高，PC-Based 控制卡将迎来更为广阔的发展。

中国是最大的运动控制市场，2022 年国内运动控制器整体市场规模预计为92亿元。根据全球市场情报公司 Interact Analysis 的数据（统计口径包含了运动控制器、伺服驱动器和伺服电机），2022 年全球运动控制市场价值 177 亿美元，中国是最大的运动控制市场，占全球规模占比约为 37%、折合人民币 458 亿元（按美元兑人民币汇率为7 计算）；Interact Analysis预计2023/2027 年全球运动控制市场价值将分别达到 189 亿、222 亿美元，2022-2027年间CAGR为 4.6%。根据固高科技招股说明书，2019 年我国运动控制器市场规模为85亿元，是当年伺服系统市场规模的 1/4，这是由于部分本体商会自行研发运动控制系统，且一个运动控制器可以控制多个伺服驱动器，故运动控制器的市场规模小于伺服系统。假设我国运动控制器与伺服系统市场规模比例近几年未变化，按照以上参数进行计算，我们估算得到2022年运动控制器的市场规模约为 92 亿元1。2022 年工业机器人用控制器市场规模为18.37 亿元，占比约20%。

从通用运动控制器领域，尤其是高端领域，基本被国外厂商占据，但在PC-Based控制卡市场国产化率相对较高。在 PLC 控制器和嵌入式控制器市场，日本三菱、松下、西门子等外资品牌占据主要高端市场，中低端市场是完全市场化的竞争格局。根据MIR调研，在国内的2021年的 PC-Based 控制器市场，除了德国倍福占据了最大的市场份额，继续保持市场第一的位置之外，其余的厂商仍然是以国产为主，像研华（中国台湾）、固高科技、雷赛智能、维宏股份，分别占据了 2-5 名。因此在 PC-based 运动控制器市场，主要以国产厂商为主，但整体技术水平与外资厂商还有一定差距，目前主要服务于中低端市场。从工业机器人运动控制器市场来看，市场竞争格局几乎等同于本体厂商竞争格局，国产化率不断提升。在工业机器人行业中，国内外领先的工业机器人企业的控制器普遍为自产自用（为了保证机器人的稳定性），且各机器人企业的控制器通常无法实现兼容，故机器人控制器的竞争格局基本与本体竞争格局类似。目前国内工业机器人控制器领先企业可以分为两种发展路径：一是以数控设备起家，涉足工业机器人领域的企业：广州数控、新时达、埃斯顿、汇川技术、华中数控；二是运动控制技术的推广和高水平应用下成长起来的专业运动控制企业，代表企业为固高、卡诺普，他们已经开始向市场提供机器人专用控制器。

工业机器人控制器国内外差距主要体现在软件层面。国内工业机器人运动控制器发展较为成熟，是机器人行业中与国外技术差距最小的关键零部件产品，国内外差异主要体现在软件层面。从硬件层面看，由于工业机器人目前达到的运动控制精度相比机床要低，因此一般控制器内置的操作系统尚无须使用FPGA等高端芯片，国产公司具备生产工业机器人所用芯片的能力，故硬件并非构成国内外实力差距的壁垒。从软件层面看，主要在算法水平和二次开发平台的易用性方面存在差距。控制器的算法水平对运动精度产生直接影响，算法水平的高低又受到对客户工艺的理解、并且需要时间和项目经验的积累，而机器人四大家族在汽车、3C行业先发优势明显，因此在控制器算法方面的优势相对难以撼动。未来，机器人运动控制器将向开放性、灵活性、易用性并重，网络化程度加强的方向发展。目前较多工业机器人本体厂商自研控制系统，不同机器人的系统无法打通，未来或将产生具有开放式结构的模块化、标准化工业机器人控制器。灵活性代表控制系统能适应各种复杂工艺要求的能力，既有性能上的深度和功能上的宽度，还具备多源异构系统的重构便利性。易用性代表系统具备人机交互的友好、直观、简便，安装调试的简洁、安全，运行维护的可预测、便捷和低成本。在数字化、智能化发展趋势下，机器人对控制系统与其他系统之间信息传递的规模和速度的要求将逐渐提升，传统机械设备电机和 I/O 数量少，往往采用一对一直连的方式连接，会造成布线复杂、线缆使用量大的问题，同时传输信号极易受到干扰，故未来将更多采用高速工业总线进行系统、部件之间的通信，网络化趋势明显。在现代智能制造更高精度、效率和制程柔性化的需求下，未来运动控制系统将向开放性、灵活性、易用性的统一以及网络化趋势发展。

3.2. 中游：大小六轴、SCARA 等机型以及汽车、电子等行业机器人国产化率提升空间较大

机器人本体生产商主要负责组装和集成工业机器人本体，包含了机器人的关键零部件组装，以及逻辑、控制算法设计，环境配置等等。A 股上市公司一般以工业、服务、特种机器人中的某一种为主，但部分企业会覆盖 2 种及以上类型，例如新松机器人、博实股份、遨博机器人等。当前工业机器人上市公司整体主要以六轴机器人、SCARA 机器人、Delta 机器人、协作机器人生产为主，服务机器人上市公司主要以扫地机器人、AMR 机器人、协作机器人为主，特种机器人上市公司主要以巡检机器人、手术机器人为主，不同本体厂商具体布局的机器人机械机构类型、应用场景以及重点关注的下游行业略有不同。

国内工业机器人市场集中度较高，2022 年 CR5 超过50%，但2023 年上半年集中度略有下滑，竞争格局有重塑趋势。我国工业机器人市场仍以外资品牌为主，市场集中度较高，2022年前五企业市场份额占比为 51%。机器人四大家族 FANUC、ABB、安川和KUKA合计占比超四成，国产龙头以埃斯顿、汇川技术等为代表，2022 年市场份额占比分别为3%、2%，分别在六轴机器人、SCARA 机器人领域具备一定规模和技术实力。但在2023 年上半年，竞争格局有变化趋势，根据 MIR 统计，由于 2023 年上半年下游需求端的萎靡，近半数工业机器人企业销量呈同比下滑态势，CR5 占比低于 50%，国产机器人埃斯顿进入TOP5 的第二位，汇川则超越安川登上第六位，埃斯顿则挤入前十，本体市场销量正在向头部品牌靠拢，市场格局迎来重塑，行业加速洗牌。

国产工业机器人品牌发展迅猛，尤其在 2023 年上半年工业机器人国产化率提升近8个百分点。近几年在政策引导下，工业机器人国产化率不断提升。在2022 年疫情导致外资品牌缺货严重，给予了国产机器人发展窗口期，快速进入锂电等新兴领域并打磨产品。2023上半年市场需求不明朗趋势下，行业价格战及内卷化成必然趋势，具备性价比优势的内资品牌再次抓住了机遇，在锂电、光伏、汽车零部件等领域与外资交锋并加速抢占市场份额，同时在整车领域渗透。根据 MIR 数据，2023 年上半年国产品牌和外资品牌工业机器人增速分别为+23%/-11%，在需求偏弱的市场环境中，国产品牌凭借性价比优势和细分领域定制化设计服务，实现逆势增长，23 年 H1 国产品牌的市场份额达到 43.7%，同比提升7.7%。具体来看，分机型大小六轴、SCARA 机器人国产化率提升空间较大，分行业汽车、电子等传统机器人应用行业国产化率提升空间较大。

我国服务机器人行业的市场集中度极高，国产化率也较高。我国服务机器人虽然起步较晚，但在技术和产业化水平方面与国外公司差距较小，部分产品（家用清洁机器人，送餐机器人等）市场化应用已经领先于全球，具备先发优势。扫地机器人、陪伴机器人、清洁机器人、仓储物流机器人、导览机器人、送餐机器人、酒店机器人、医疗机器人等已在多领域落地应用。在服务机器人领域，市场集中度很高，从家用服务机器人——扫地机器人，商用服务机器人——餐饮机器人、商用清洁机器人为代表产品来看，2021 年扫地机器人、餐饮机器人CR1均超过45%，市场 CR4 均超过 80%，商业清洁机器人 CR1 甚至高达 70%。此外从市场份额结构来看，以上三个细分市场基本被国产厂商所占据。

本体厂商倾向于自研控制器，其次是自研伺服，减速器一般外采。之所以外采减速器，由上文分析可知，不论是 RV 还是谐波减速器，行业壁垒均较高，初期投入大，本体厂商一般不会选择自研。而大部分厂商自研控制器主要是因为：首先，在工业机器人发展初期，销量较少，没有供应商愿意为工业机器人行业研发控制器，故本体厂商各自为营，形成了封闭垂直模式——自己研发控制系统，借助非开放式的通讯协议控制其它核心部件；其次，机器人控制器及其带来的周边生态圈是各大机器人厂商的核心竞争力，只有底层核心平台是自主研发的，才能不断的去完善行业所需要的各种工艺包。因此本体厂商倾向于自研控制器，但这也导致各家控制器的编程语言互不兼容，工艺文件没有办法做到通用，每家机器人本体商只为特定的大客户提供深度服务甚至自己包揽集成业务。

未来工业机器人将向轻型化、柔性化方向发展，服务机器人的认知智能水平将进一步提升。随着智能制造的发展未来工业领域将对机器人的体积、重量、灵活度提出更高要求，工业机器人将向小型化、轻型化、柔性化方向发展，例如协作机器人、人形机器人等。随着深度学习、抗干扰感知识别、自然语言理解等人工智能关键技术取得突破性进步，服务机器人的认知智能水平将大幅提升，服务领域和服务对象将进一步拓展，可进一步关注相关AI 技术在机器人领域的应用，以及人形机器人在商业服务场景中的发展。

3.3. 下游：国内系统集成行业集中度低、国产化率高，行业商业模式已向“日+美并行”模式转变

全球正在进入“生成式 AI 革命风暴”，AI 迎来下一个大发展、大繁荣的时代。2022年11月，OpenAl 推出的聊天生成预训练转换器（ChatGPT）的爆火，ChatGPT一经面世便风靡全球，其不仅能够进行连贯、有深度对话，也具备推理、思维链等体现智能的能力。以ChatGPT等大语言模型为标志的生成式 AI 的成功，推动 AI 迎来下一个大发展、大繁荣的时代，带来了新的范式革命和广阔的商业前景。机器人作为 AI 的实物载体，在生成算法、预训练模型和多模态技术等AI 技术的发展下，智能化程度将快速升级。以往计算机系统作为 AI 的载体，其输出的结果是虚拟的，最终仍需通过人类完成对现实世界的影响，而机器人作为 AI 载体，将有望把AI 的决策直接反馈到现实物理世界，实现人工智能的“脑力和体力的大一统”，因此机器人被视为AI 的终极载体。与此同时，计算机视觉、自然语言理解、认知科学、机器学习等多个人工智能子学科在AI 大模型上出现了更多的融合应用，而当多模态大模型与机器人相结合时，会加快机器人智能化程度的提升。“智能化”使机器人可执行的任务变得越来越复杂，机器人自主性也越来越强、使用门槛将会降低、应用领域将逐渐扩大、生产效率也将会逐步提高，人形机器人需求上的痛点将会逐渐被打通。

4.4. 老龄化与人力短缺将带来生产关系的变革，催化机器人进一步替代人力劳动

我国人口出现负增长，人口老龄化趋势加剧，我国劳动力人口比例、制造业就业人口有所下滑。根据国家统计局数据，我国 2022 年首次出现人口自然增长率为负的情形，尽管从2016年我国实施“全面二孩”政策，但出生率从 2016 年起仍出现加速下滑态势。在结构上，我国人口老龄化趋势加剧，60 岁以上、65 岁以上人口比例逐年增长。在劳动力人口方面，2021年中国劳动力人口数量占人口比重为 55.23%，自 2015 年起呈下降趋势。同时，制造业就业人口自2013 年起呈下降态势，相比 2013 年，2021 年制造业就业人口数量减少了1430万人。展望未来，人口增速的下降以及人口老龄化的加剧，将持续对劳动力人口、制造业就业人口带来负面影响。

我国劳动力供给上人口红利的逐渐消失，将进一步推高劳动力成本，机器替代人力将成为未来发展趋势。经济快速发展以及人力短缺背景下，我国制造业城镇单位就业人员平均工资逐年走高，2011-2021 年间复合增长率达 9.7%，2021 年年平均工资已达9.2 万元。假设未来制造业人员年均工资按十年 CAGR 为 8%计算，同时按照特斯拉对Optimus 价格的规划（2万美元，按照美元对人民币汇率为 7，折合人民币 14 万元），预计在2025 年，制造业就业人员平均工资将超过一台 Optimus 的价格。在机器人成本降低以及智能化、通用化程度不断提升的背景下，机器人替代人力将是长期趋势。

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