機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告-運(yùn)動控制機(jī)器人供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)

機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告：運(yùn)動控制，機(jī)器人供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)運(yùn)動控制成為人形機(jī)器人供應(yīng)鏈的主要領(lǐng)域機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈框架人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈涉及的四大環(huán)節(jié)：感知、交互、運(yùn)控、導(dǎo)航。自動化裝置包括：1）傳感器：本體感受傳感器、觸覺+視覺+聲音傳感器、機(jī)器視覺等（數(shù)量較多）；2）執(zhí)行器：減速器、伺服系統(tǒng)、微電機(jī)等（數(shù)量較多）；3）計(jì)劃控制：控制器、工控系統(tǒng)、AI系統(tǒng)等。運(yùn)動控制硬件領(lǐng)域有望成為人形機(jī)器人主要外部供應(yīng)鏈根據(jù)特斯拉產(chǎn)品發(fā)布會信息，人形機(jī)器人Optimus（擎天柱）主要配置為：身高1.72m，體重57kg，可負(fù)載20kg，最快運(yùn)動速度8km/h；采用Autopilot的攝像頭作為視覺感知傳感器，共八個(gè)攝像頭；采用FSDComputer作為計(jì)算核心；脖子、胳膊、手、腿、軀干累計(jì)搭載了40個(gè)機(jī)電傳動器；搭載多相機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)化、自動標(biāo)記、算法訓(xùn)練等。Optimus單價(jià)位于17~30萬元之間，有望進(jìn)入消費(fèi)級、商級等各類場景。人形機(jī)器人對運(yùn)動控制能力及感知計(jì)算能力要求較高，人形和工業(yè)機(jī)器人的核心零部件基本相同，數(shù)量和質(zhì)量上有升級需求。在特斯拉的產(chǎn)品介紹中，軟件裝置，如全自動駕駛計(jì)算機(jī)FSD進(jìn)行行為決策與運(yùn)動控制，Dojo超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動訓(xùn)練，主要是特斯拉自己完成。硬件方面，機(jī)電傳動器領(lǐng)域預(yù)計(jì)會采取和外部供應(yīng)鏈合作的方式。與工業(yè)機(jī)器人2-6的自由度相比，人形機(jī)器人通常有30-40自由度，對應(yīng)的伺服電機(jī)、減速器數(shù)量有較大增長空間。伺服系統(tǒng)和減速器（諧波）環(huán)節(jié)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化能力相對較強(qiáng)；控制系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人差別較大，開發(fā)和供應(yīng)模式尚不明確；傳感器環(huán)節(jié)，與外部環(huán)境感知和導(dǎo)航相關(guān)的自動駕駛類傳感器有望受益。成本構(gòu)成上，人形機(jī)器人中運(yùn)動控制占比接近50%，其中減速器占比22%，伺服系統(tǒng)占比16%，控制器占比11%。減速器：機(jī)器人運(yùn)動的關(guān)節(jié)減速器可以通過降低轉(zhuǎn)速而提高扭矩，以傳遞較大的負(fù)荷，克服伺服電機(jī)功率有限導(dǎo)致輸出的扭矩較小的缺陷。根據(jù)構(gòu)架和傳動原理的不同，減速器可分為RV減速器、諧波減速器、齒輪減速器和擺線針輪減速器等。諧波、RV減速器的構(gòu)造及工作原理：諧波減速器構(gòu)造主要包括剛輪（帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪）、柔輪（帶有外齒圈的柔性齒輪）、以及波發(fā)生器，通常采用波發(fā)生器主動-剛輪固定柔輪輸出形式，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，此時(shí)長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，為完全嚙合狀態(tài)；而短軸處則為脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯(cuò)齒運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動傳遞。RV減速器由正齒輪（行星輪）、RV齒輪、曲柄軸、銷（針齒銷）、外殼（針輪）、輸出軸等組成，其中RV齒輪位于正中是減速器的核心，其工作原理是通過正齒輪變速、差動齒輪變速進(jìn)行變速。機(jī)器人使用的減速機(jī)主要有三種：RV減速機(jī)、諧波減速機(jī)、行星減速機(jī)，最常用的是RV和諧波。諧波減速器在多關(guān)節(jié)機(jī)器人、SCARA、協(xié)作機(jī)器人、DELTA機(jī)器人中平均應(yīng)用3.5臺、3臺、7臺與1臺，下游主要是多關(guān)節(jié)機(jī)器人（占比36.22%）、協(xié)作機(jī)器人（占比32.41%），RV減速器在中大負(fù)載的多關(guān)節(jié)機(jī)器人中應(yīng)用數(shù)量較多，RV在小型的SCARA、協(xié)作機(jī)器人中應(yīng)用較少。行星減速機(jī)因精度較低，在機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用較少，常用在DELTA上，少量使用在SCARA上。我們測算：人形機(jī)器人減速器使用數(shù)量或在40~50個(gè)，將大幅抬升減速器的需求天花板。主要邏輯：減速器數(shù)量主要取決于手指數(shù)量、手腕彎曲度、腿部彎曲度等。若是人形機(jī)器人想達(dá)到人類相似的活動自由度，共需要78個(gè)減速器，使用諧波減速器約60個(gè)（在人形機(jī)器人小臂、腕部、手部等部件），RV減速器約18個(gè)（在人形機(jī)器人的腰、上臂、下臂等大慣量、高轉(zhuǎn)矩輸出部件）。若是基本滿足人形機(jī)器人需求的情況下，共需要減速器40~50個(gè)。預(yù)計(jì)25年中國工業(yè)機(jī)器人RV/諧波需求為45.7/41.2億元我們預(yù)測2025年中國工業(yè)機(jī)器人RV減速器市場需求45.7億元，諧波減速器市場需求為41.2億元。工業(yè)機(jī)器人的工作壽命一般為8-10年，減速器的使用壽命通常在兩年左右，當(dāng)前保有的工業(yè)機(jī)器人維修保養(yǎng)亦需要大量的減速器替換。新增的工業(yè)機(jī)器人需求是減速器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力，機(jī)器人存量市場的更換亦是需求方向之一。核心假設(shè)：

1）據(jù)MIR預(yù)測，2021~2025年中國工業(yè)機(jī)器人銷量將從25.64萬臺增長至45.72萬臺；

2）單臺工業(yè)機(jī)器人所需RV減速器、諧波減速器分別為2個(gè)和3個(gè)；

3）RV減速器和諧波減速器單價(jià)分別為5000元/臺和3000元/臺。競爭格局：諧波實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，RV持續(xù)進(jìn)步諧波的龍頭是哈默納科（HD），RV的霸主是納博特斯克（帝人），2021年這兩家全球市場份額合計(jì)75%左右，其中納博特斯克占60%。諧波減速器國產(chǎn)替代趨勢明顯，本土企業(yè)快速追趕哈默納科。2021年，哈默納科占中國諧波減速器38%的市場份額，相較2018年過半的市場份額顯著下降。以綠的諧波為代表的國產(chǎn)諧波減速器份額提升明顯，但在全球市場跟國際巨頭的市場份額依然存在差距。同時(shí)，國內(nèi)入局新玩家增多，除日本新寶、來福等原有廠商，同川、大族等企業(yè)也占據(jù)了一定的市場份額。據(jù)GGII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國市場超100家本土企業(yè)涉足精密減速器的生產(chǎn)，其中諧波減速器企業(yè)超50家，國內(nèi)企業(yè)增多疊加技術(shù)迭代升級，繼續(xù)推動國產(chǎn)份額提升。日企掌握全球80%以上的RV減速器市場份額。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，截至2020年，日本機(jī)器人減速器企業(yè)占據(jù)了全球80%以上的市場份額，RV三巨頭是納博特斯克、住友、SPINEA，其中博特斯克市場份額達(dá)到60%。采埃孚減速機(jī)的性能跟精度也處于前列，主要應(yīng)用在高端機(jī)床上，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用較少。國產(chǎn)RV減速器在技術(shù)領(lǐng)域有所突破，但高端市場、重負(fù)載市場的市占率、產(chǎn)品系列完善度方面有待進(jìn)一步提高。國產(chǎn)RV以模仿起步，目前國內(nèi)規(guī)?？壳暗钠髽I(yè)有雙環(huán)傳動、中大力德、南高齒、南通振康、力克精密等。國內(nèi)廠商加快擴(kuò)產(chǎn)節(jié)奏，滿足減速器增長需求。近年來主流減速器日企產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃受疫情影響進(jìn)度減緩，加之日本的人工成本較高，國內(nèi)廠商在擴(kuò)產(chǎn)成本上備具一定優(yōu)勢。綠的諧波減速器產(chǎn)能已突破30萬臺/年。RV減速器方面，雙環(huán)傳動

21年均實(shí)現(xiàn)6萬臺套以上產(chǎn)能，并計(jì)劃進(jìn)一步產(chǎn)能擴(kuò)充。技術(shù)壁壘：加工設(shè)備、材料、工藝國產(chǎn)減速器精度、壽命與外資仍有一定差距。在效率、減速比、傳動精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上，國產(chǎn)減速器已經(jīng)基本達(dá)到了國際領(lǐng)先的產(chǎn)品水平，但是在使用壽命、故障率等方面仍有差距。根據(jù)官網(wǎng)數(shù)據(jù)，納博特斯克銷量最高的RV-C和RV-E系列都具有更高的額定輸出轉(zhuǎn)矩和減速比，同時(shí)壽命可以達(dá)到6000小時(shí)以上。與國外產(chǎn)品相比，一部分國產(chǎn)減速器長時(shí)間使用后仍有出現(xiàn)的磨損、漏油、精度下降的情況，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和使用壽命上仍需提升。減速器對技術(shù)積累要求非常高，細(xì)小的工藝差距會影響減速器的精度、損耗速度和壽命。打破海外技術(shù)壁壘的關(guān)鍵：設(shè)備、制造工藝。1）國內(nèi)廠商仍以購買進(jìn)口制造設(shè)備為主，部分國家對我國有所限制，導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)對于新增需求無法做出快速反應(yīng)，加之我國機(jī)床整體制造水平偏低，對減速器零件加工工藝缺乏經(jīng)驗(yàn)，自主制造能力仍然受限。除了綠的諧波等企業(yè)通過工藝、材料的改進(jìn)解決設(shè)備卡脖子問題外，加速提高國產(chǎn)精密設(shè)備制造水平仍為關(guān)鍵。2）減速器屬于薄壁零件，如果熱處理技術(shù)不過關(guān)，會導(dǎo)致零件變形較大，RV減速器C系列中的雙聯(lián)齒輪對于熱處理變形的控制等，均屬于技術(shù)難題。伺服電機(jī)：機(jī)器人運(yùn)動的心臟2021年中國工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)市場規(guī)模20.7億元電機(jī)按用途可劃分為驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。1）驅(qū)動用電動機(jī)包括：電動工具用電動機(jī)、家電用電動機(jī)及其他通用小型機(jī)械設(shè)備（包括各種小型機(jī)床、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機(jī)。2）控制用電動機(jī)包括：步進(jìn)電動機(jī)、伺服電動機(jī)、空杯電機(jī)等。伺服系統(tǒng)直接影響工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動精度、控制速度以及穩(wěn)定性，主要包括伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、編碼器三部分。伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠隨著輸入量的任意變化而變化的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器發(fā)出信號給伺服電機(jī)驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，同時(shí)編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再對信號進(jìn)行匯總、分析、修正。整個(gè)工作過程通過閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。工業(yè)機(jī)器人行業(yè)占伺服系統(tǒng)下游9.4%，主要應(yīng)用交流伺服電機(jī)，其中協(xié)作機(jī)器人主要用直流無刷電機(jī)；服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療器械是對無刷直流伺服增長帶動比較明顯的領(lǐng)域。由于交流伺服電機(jī)具有最大轉(zhuǎn)速高、速度控制平滑、振蕩小不易發(fā)熱以及適用于無塵、易爆環(huán)境的諸多優(yōu)點(diǎn)更加適應(yīng)工業(yè)自動化對于運(yùn)動控制的要求，目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床都采用交流伺服電機(jī)。無刷直流伺服市場的增長與下游行業(yè)應(yīng)用以及細(xì)分行業(yè)中電機(jī)技術(shù)替代趨勢密不可分，服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療器械是對無刷直流伺服增長帶動比較明顯的領(lǐng)域。2017~2021年，中國伺服系統(tǒng)市場從97億元增長至224億元，CAGR=23.27%。2021年中國伺服電機(jī)市場規(guī)模為169億元，2017-2021年CAGR=9.86%。其中，交流伺服電機(jī)市場占比65%，直流伺服電機(jī)占比35%。2019年交流伺服電機(jī)市場90億，2010年至2019年CAGR=9.67%，占比從69%增長至78%；直流伺服電機(jī)25億（2020年無刷直流伺服市場約12億），2010年至2019年CAGR=4.25%。2021年工業(yè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)市場規(guī)模20.68億元，占比9.4%。人形機(jī)器人采用直流伺服電機(jī)和微型電缸系統(tǒng)，單臺設(shè)備所需機(jī)電傳動器數(shù)量約30~40個(gè)，單臺用量是多關(guān)節(jié)機(jī)器人的6~7倍。由于人形機(jī)器人體積更大，以及對精度要求更高，人形機(jī)器人通常使用直流無框力矩電機(jī)，可以在較小體積下輸出較大的力。其中對于頸關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)來說，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)組合形式，電機(jī)功率約100~200瓦。對于手部關(guān)節(jié)，空間狹小、要求較高，可選用微型電機(jī)系統(tǒng)和微型電缸系統(tǒng)相組合的形式，電機(jī)功率大約30瓦左右。短期來看，2020Q2以來中國交流伺服電機(jī)景氣持續(xù)上行，2022H1增速開始放緩。2022年上半年中國交流伺服電機(jī)銷售額為123.32億元，同比持平。2022Q2同比略有下滑，主要是由于疫情加劇上游缺芯+機(jī)床下游行業(yè)（傳統(tǒng)汽車、工程機(jī)械、3C）市場低迷導(dǎo)致需求持續(xù)減弱。表現(xiàn)得相對比較穩(wěn)定的是大中型PLC，在2022Q2仍保持同比正增長，主要得益于新能源、半導(dǎo)體及部分項(xiàng)目型行業(yè)如化工、市政等仍保持增長。我們將持續(xù)關(guān)注下半年行業(yè)需求的變化。競爭格局：外資占據(jù)高端市場，匯川打破壟斷國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)（主要是交流伺服）外資品牌占比約65%，匯川技術(shù)打破外資壟斷。外資品牌中以日系和歐美品牌為主導(dǎo)，國產(chǎn)品牌發(fā)展起步較晚，在伺服電機(jī)領(lǐng)域一直處于追趕位置，2021H1年國內(nèi)企業(yè)市場份額整體市場份額較小，為35%。國內(nèi)企業(yè)中，匯川技術(shù)在伺服電機(jī)的產(chǎn)量和業(yè)務(wù)布局及銷售占上處于領(lǐng)先地位，據(jù)MIR數(shù)據(jù)，2021年H1匯川技術(shù)以15.9%的市場份額超越日系供應(yīng)商安川、松下和三菱及中國臺灣臺達(dá)，排名第一。中國無刷直流伺服市場集中度不高，CR10市場份額不到50%，銷售額在1億以上的只有1家，5千萬以上的只有5家。這些供應(yīng)商可分為三類：第一類采取電機(jī)+驅(qū)動器的成套供應(yīng)方式，主要企業(yè)有步科、雷賽智能、科爾摩根等；第二類廠商自己沒有驅(qū)動器產(chǎn)品，僅供應(yīng)電機(jī)給客戶，如國內(nèi)的常州富興；第三類公司僅供應(yīng)驅(qū)動器，如ELMO、Copley、高創(chuàng)等。在下游高端應(yīng)用市場中，科爾摩根、納諾達(dá)克、日系的多摩川等份額靠前。中端市場國產(chǎn)廠商占比較多，步科、雷賽智能、江蘇雷利名列前茅。低端市場集中度不高，頭部廠商的份額也沒有與后面的廠商拉開距離，步科、臥龍電機(jī)、和利時(shí)等領(lǐng)先。伺服電缸：將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，速度為0.1~2m/s，因?yàn)殚]環(huán)伺服控制，所以控制精度較高，具有成本低，配置靈活等特點(diǎn)，是液壓缸和氣缸的最佳替代品。國內(nèi)生產(chǎn)伺服電缸的企業(yè)較多，包括：蘇州通錦、華歐精密、AIM傳動天下、上海冀望、惠州科特、東莞銳聯(lián)、臺達(dá)集團(tuán)、上海貝錫、上海霸田等。技術(shù)壁壘：編碼器分辨率/響應(yīng)速度達(dá)到國際水準(zhǔn)，穩(wěn)定性/耐用性存在差距頭部國內(nèi)企業(yè)中小功率產(chǎn)品的核心技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。根據(jù)我們的調(diào)研，編碼器占電機(jī)成本的30%，編碼器分辨率決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移，編碼器分辨率越高，控制精度也越高。目前安川Σ-7系列與臺達(dá)ASDA系列所配備的編碼器的分辨率最高，為24bit，匯川已經(jīng)達(dá)到23bit的分辨率，與國際領(lǐng)先水平差距較小。在過載能力方面松下、安川、禾川、匯川與西門子的主流產(chǎn)品均已經(jīng)擁有3.5倍的過載能力，國內(nèi)企業(yè)以達(dá)到國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品使用穩(wěn)定性及耐用性方面依然與國外領(lǐng)先企業(yè)存在差距。例如安川電機(jī)的Σ-7系列耐環(huán)境性能表現(xiàn)出眾，能夠在更嚴(yán)苛的環(huán)境下運(yùn)行。其產(chǎn)品使用海拔高度為2000米，適用最高環(huán)境溫度為60攝氏度，而國內(nèi)伺服產(chǎn)品一般適用溫度為55攝氏度，且需要在大幅降低負(fù)載功率的條件下運(yùn)行。控制器：機(jī)器人運(yùn)動的大腦控制器是實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的位置、速度、加速度等進(jìn)行控制的核心零部件，工業(yè)機(jī)器人與人類的人機(jī)交互也依賴于控制器。控制系統(tǒng)主要由控制器（硬件）和控制算法（軟件）組成?？刂破魍ㄟ^分析伺服電機(jī)編碼器以及機(jī)器人傳感器所反饋的信號，通過給伺服驅(qū)動器發(fā)送位置、速度指令的方式來完成對工業(yè)機(jī)器人的控制。工業(yè)機(jī)器人控制器的主流控制方式為PC-Based控制，具有系統(tǒng)通用性強(qiáng)、可拓展性強(qiáng)的優(yōu)勢，能夠滿足工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動的算法要求。下游應(yīng)用場景分散，控制器供應(yīng)鏈方式尚不明確。由于人形機(jī)器人的伺服驅(qū)動器數(shù)量高達(dá)數(shù)十個(gè)，需要處理龐雜的數(shù)據(jù)，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)控一體很難實(shí)現(xiàn)，還需額外添加一個(gè)獨(dú)立控制器。人形機(jī)器人控制器，對于客戶應(yīng)用場景的了解及工藝要求是主要因素，單獨(dú)一家廠商還很難將人形機(jī)器人做到各個(gè)場景的通用，廠商負(fù)責(zé)本體制造+控制部分做成開源系統(tǒng)可能成為解決方案之一。目前人形機(jī)器人生產(chǎn)規(guī)模較小，未來進(jìn)入量產(chǎn)階段后，供應(yīng)鏈方式尚不明朗。2021年中國工業(yè)機(jī)器人控制器市場14.7億元，4年CAGR=8.78%中國工業(yè)機(jī)器人控制器市場規(guī)模從2017年的10.5億元增長至2021年的14.7億元，CAGR=8.78%。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2022年我國機(jī)器人控制器市場規(guī)模16.2億元，同比增長10.2%。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，2020年全球運(yùn)動控制市場規(guī)模約為196億美元，同比增長4.81%，預(yù)計(jì)2021至2025年，全球運(yùn)動控制市場規(guī)模將保持5%的復(fù)合增長率。競爭格局：外資主導(dǎo)，國產(chǎn)品牌深耕研發(fā)控制系統(tǒng)參與者分種類看：

一類是主流的大型機(jī)器人廠商，自主研發(fā)控制器和控制算法，包括ABB、KUKA、發(fā)那科、國內(nèi)的埃斯頓等。工業(yè)機(jī)器人行業(yè)巨頭一般都采用控制器自產(chǎn)自用的模式，且各機(jī)器人廠商的控制器無法兼容，因此控制器市場競爭格局類似于機(jī)器人本體的競爭格局。在國產(chǎn)機(jī)器人公司中，