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机器人行业研究报告
2021年机器人行业研究报告
1．智能转型时代，机器人前景可期
1.1制造业PMI持续高于荣枯线，下游制造行业复苏
随着科技进步，机器人的技术逐渐成熟，机器人产品应用在各个行业的不同场景。
根据应用环境，国际机器联盟（IFR）将机器人分为工业机器人和服务机器人，其中工业机器人主要包括切割焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人、运输机器人、分拣机器人等；服务机器人包括个人/家用机器人、专业服务机器人以及特种机器人三类。
两类机器人相比较，服务机器人多见于日常生活，如扫地机器人、送餐机器人、场地机器人、陪伴机器人等愈发常见。
Digitimes指出留守老人在发达国家中已成为重要问题，而陪伴机器人的出现有助于降低老年人因孤独产生的精神和经济成本，也能提升老人的生活质量和居家安全。
工业机器人普遍用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。
工业机器人被广泛应用于汽车、3C、物流、化工等各个工业领域之中。
工业机器人由三大部分六个子系统组成。
三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。
六个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
机器人学院提出工业机器人成本通常仅为人工成本的四分之一，且在工作质量、效率方面有所提升。
中国、美国、欧洲、日本、全球制造业PMI在2019年呈下降趋势，在2020年疫情影响初期，景气度受挫，下降至近十年历史低位。
自2020年初疫情爆发，中国2020年2月制造业PMI跌落近年低位35.7%，3月回升并连续13个月位于荣枯线上。
2021年3月环比提高1.3个百分点至51.9%。
中国制造业PMI指数显示国内经济保持复苏态势，制造业景气度良好，行业仍处于扩张阶段。
2021年3月美国、欧洲、日本、全球制造业PMI均高于中国，分别为64.7%、62.5%、52.7%、55%。
数据显示美国、欧洲、日本、全球制造业景气度站在荣枯线上，由此反应各国和全球经济均在持续复苏。
另外，2020年初制造业工业增加值指标触底至-1.8%，通用设备制造业、专用设备制造业工业增加值指标分别为-5.4%、-2.2%；随后呈上升趋势至2021年3月，制造业工业增加值为15.2%，通用设备及专用设备制造业工业增加值高于行业平均水平，分别为20.2%、17.9%，制造行业复苏态势明显。
1.2人口老龄化，自动化生产成刚需
如果65岁以上老年人口占总人口数达7%，意味着国家或地区的人口处于老龄化社会。
日本统计局数据显示，制造业大国日本早在1980年已进入人口老龄化阶段，截至2019年65岁及以上人口为3582万人，占总人口比例28.39%。
自1995年开始日本出生率持续低于10‰，人口增长率于2009年第一次出现负增长。
2011-2019年日本人口连续9年出现负增长，且降幅呈持续扩大趋势，从-1.9‰扩大至-2.1‰。
虽然日本进入老龄社会已久，但日本仍保持制造业大国地位，2018年工业机器人出口量是中国的2倍。
这有赖于日本专注于高新技术发展，制造业自动化覆盖率高，工业机器人密度高达364台/万人。
2019年中国工业机器人出口量激增76%至10.55万台，相较日本出口量仅差318台。
近两年中国工业机器人出口量有望赶超日本成为出口量第一。
国家统计局数据显示，中国2019年15-64岁人口为98910万人，占总人口比例为70.65%。
与2018年相比下滑0.5个百分点，从2010年开始连续第9年下降且降幅有持续扩大的趋势。
65岁及以上人口从2000年逐年上升至2019年的17603万人，占总人口比例12.57%，同比增长0.6个百分点。
此外，自2000年开始，婴儿出生率和自然增长率呈下降趋势，在2012-2016年小幅上升后继续下降。
2019年出生率和自然增长率跌至近十年最低，分别为10.5‰和3.3‰。
2019年出生率较2018年下降0.4个千分点，婴儿出生人数比2018年减少接近60万人。
中国社会人口老龄化严重，已出现刘易斯拐点。
另一方面，制造业城镇单位就业人员平均工资从2010年的30916元提升至2019年的78147元，年复合增长率为10.85%。
假设按照每年10%的平均工资增长率，工资增速远高于年通胀水平，员工薪资对企业将是一个沉重负担。
另外，在电力供应充足情况下工业机器人可24/7工作。
工作精细度、生产效率方面相比人工生产也有明显提升。
我国的劳动密集型产业以低廉的劳动力成本著称，该特点推动了我国的经济发展，使中国成为世界制造工厂。
近年由于人口老龄化和人工成本提高，削弱我国制造行业竞争力，也对劳动密集型产业带来冲击。
制造业承受压力增大，行业未来的不确定性随之提升。
这或许是行业转型的新拐点，打破现状将生产自动化全面实行，有望将自动化生产普遍化，成为制造企业生产的刚需配备。
1.3国家大力推动智能发展，促进工业机器人技术创新
中国制造业转型除了需要行业领头企业带领改革创新，还需国家政策扶持辅助加速进程。
为了贯彻“中国制造2025”，机器人作为智能制造发展领域的重要一环，推进我国工业机器人行业的健康发展，国家出台一系列相关政策支持与鼓励工业机器人的技术创新和行业发展。
国务院在2016年发布的《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，明确到2020年工业机器人年产量达10万台，机器人密度达150以上。
根据国家统计局数据，2020年底中国工业机器人年累计生产237068台。
IFR公布数据显示2019年中国工业机器人密度已达187台/万人。
同时，工业机器人作为制造业自动化升级的关键设备，行业潜力巨大。
行业通过推出标准体系将提高行业进入壁垒，促进行业企业技术革新提高技术壁垒。
我国工业机器人发展已数十年，标准体系已初步形成，但可能存在标准缺失或老化问题，且近年来机器人行业发展快速。
2017年颁发《国家机器人标准体系建设指南》提出制定行业完整标准体系，建立检测评定系统；予以应对由于行业的研发技术标准滞后带来的企业技术要求统一困难，产品质量缺保证等问题。
另外，国家在多项政策中提出，多个高端设备行业包括机器人行业应加强检测认证体系和鼓励行业标准化建设。
为促进积极性，国家将团体标准纳入各地财政补贴范围。
2021年我国“十四五”规划和2035年目标纲要提出，持续鼓励、推动智能产业发展，工业机器人行业也将受益。
具体内容是推动机器人等产业的创新发展和“机器换人”计划。
国产替代也将成为未来重要主题。
目前大部分国内工业机器人企业技术暂未达到世界级水平，厂家生产大多为低端产品。
高端工业机器人所需核心零部件多为国外知名企业生产，但国内仍有多家优秀上游核心零部件企业，如伺服系统企业埃斯顿、汇川技术和雷赛智能等。
2．制造业升级转型，工业机器人稳速增长
2.1工业机器人月产量创新高，需求量有望突破20万
工业机器人指在工业领域中的多关节机械手臂或其他拥有多自由度的机械装置。
它能365天24小时无间断替代人工从事流水线生产环节的工作。
工业机器人集成了机械制造、电子电器、计算机编程等顶级技术制造而成，是智能制造领域具有代表性的产品之一。
工业机器人在全球范围应用广泛，从工业机器人密度可以了解到国家或地区的自动化生产程度。
工业机器人密度可作为指标判断各国、区域制造业自动化程度差异。
数据显示2019年亚洲工业机器人密度已超过欧洲、美洲、乃至全球，分别为118台/万人、114台/万人、103台/万人、113台/万人。
亚洲的工业机器人密度2012-2019年复合增长率为14%，高于全球工业机器人密度增长率10%，是欧洲和美洲工业机器人密度增长的2倍。
在2019年全球国家与地区制造业工业机器人密度数据中，新加坡（918台/万人）、韩国（855台/万人）和日本（364台/万人）为前三名，是工业机器人高密度国家。
中国以187台/万人排在15位，2012-2019年复合增速高达49.89%，远高于日本和韩国的年复合增速，分别为1%、12%。
根据IFR统计，近十年中国是工业机器人需求大国，2013年中国工业机器人装机量已超越日本，占据当年全球装机量的1/5；2019年全球工业机器人装机量达37.3万台，中国的装机量达14.05万台，占全球总量的37.67%；比2018年稍有回落，主要反映汽车和3C行业正经历艰难时期。
2020年全球有270万台工业机器人正在运行工作中，同比增长12%；2020年工业机器人累计产量23.7万台，同比增长26.81%；2021年3月，中国工业机器人月产量33075台，同比增长91.84%，创月产量新高；2021年1-3月累计生产78714台，同比增长127.2%，工业机器人的需求量持续上升。
2019年工业机器人下游应用行业需求量有明显下降，尤其汽车和3C行业相比2018年购买量共下降约4万台。
我们认为2020年上半年疫情后工业机器人需求不降反升，随着全球经济的进一步复苏，我们预测2020-2023年工业机器人装机量分别为16.85万台、19.38万台、21.32万台、22.39万台。
在进出口方面，2019年中国工业机器人进口量6万台，同比下降39.37%。
中国出口量2017-2019年持续上升，分别2.77万台、6万台、10.55万台，出口量年复合增速94.91%。
根据IFR的数据，中国工业机器人出口均价2280元/台远低于进口均价16309元/台，进出口均价差异严重。
主要原因为中国出口工业机器人大部分为中低端产品，高端产品仍以采购国外厂商为主，导致进出口金额的悬殊差距。
2.2下游应用行业广泛，长尾行业有望拉动需求2019年汽车行业仍是全球下游行业应用工业机器人占比最高的行业，占比33.9%。
电子行业占比24.68%，排名第二。
金属加工行业、塑料和化学制品行业、食品行业分别占比为10.32%、6.68%、2.97%。
根据IFR，2019年中国仍然是工业机器人全球第一大潜力市场。
工业机器人在中国的应用范围广泛，服务于国民经济44个行业大类。
工业机器人主要服务于制造业；按细分应用行业分，中国工业机器人在下游行业分布与全球分布基本相同，汽车、电子以及金属加工行业占据前三，分别为35.79%、28.7%、8.19%。
2018年末开始制造业面临巨大下行压力，固定资产投资增速持续下滑，2020年2月受疫情影响触底，制造业固定资产投资完成额累计增速-31.5%。
疫情后固定资产投资完成额累计增速持续上升至2021年2月，2021年3月整个制造业固定资产投资完成额累计增速较2月呈下降趋势，主要原因系2020年2月基数较低导致。
2021年3月制造业固定资产投资完成额累计增速为29.8%，计算机、通信和其他电子设备制造业固定资产投资完成额累计增速40.4%，高增速拉动行业平均水平。
2021年2月汽车制造业固定资产投资完成额累计增速在经历约3年持续低增长和负增长后，首次出现高于10%的正增长，3月累计增速回落至-3.3%；食品制造业、金属制品业、通用设备固定资产投资完成额累计增速分别为25.6%、23.6%、19%。
2011-2019年中国工业机器人密度年复合增长率高达44%。
由于我国工业机器人行业仍在高速发展，生产自动化有序进行，我们认为2020-2023年中国工业机器人密度将以20%复合增速增长。
预计2020-2023年我国工业机器人密度将会达到224台/万人、269台/万人、323台/万人、388台/万人。
国内工业机器人市场空间巨大。
IFR数据显示，我国2019年汽车行业工业机器人密度全球排名第12位，达938台/万人。
和美国1287台/万人（全球排名第7位）、德国1311台/万人、日本1248台/万人相比，中国汽车行业自动化生产和发达国家的差距已逐渐收窄，2010-2019年汽车行业工业机器人密度年复合增长率为27.55%，结合汽车制造业的固定投资完成额累计增速持续负增长和现有数据的增长周期等因素考虑，我们认为2020年、2021年、2022-2023年工业机器人密度增长约9%、20%、10%；假设按此速度增长计算，预测2020-2021年中国汽车行业工业机器人密度将分别达1022台/万人、1234台/万人；2022-2023年的汽车行业工业机器人密度分别为1361台/万人、1502台/万人，2023年中国汽车行业工业机器人密度接近日本的密度峰值，同时也是我国近10年来的密度最高点，我们认为之后将会在此峰值波动停留一段时间。
2019年中国、美国、日本、德国非汽车行业工业机器人密度分别为95台/万人、139台/万人、273台/万人、199台/万人。
2019年国内非汽车行业自动化生产仍在起步阶段，仅为汽车行业2010年的水平，上升空间巨大。
我们认为随着工业机器人技术愈发成熟，作业更加精细化，工业机器人在食品、饮料等长尾行业中的包装、挑拣、分配等工作的使用率将逐渐提高。
预测2020-2023年中国非汽车行业工业机器人密度以35%增速增长，分别达到128台/万人、173台/万人、234台/万人、316台/万人。
经历疫情影响，自动化生产的优势凸显。
同时在食品饮料行业中，减少产品与人的接触更有利于保障食品安全。
我们认为长尾行业将加大自动化生产力度，对于“机器换人”将会加速进行。
有望拉动对中游工业机器人的需求，工业机器人产业链上游也会随之受益。
3．核心零部件高技术壁垒，伺服系统格局分散
我国工业机器人行业在经历数十年发展后形成完整的行业产业链。
上游零部件作为原材料对于工业机器人极为重要，三大核心零部件控制系统、伺服系统、减速器分别占总成本的12%、22%、32%，合计成本占比近7成；目前国内大部分零部件较依赖国外知名厂商。
中游为机器人本体，下游是集成系统。
目前工业机器人的应用市场包括汽车、3C、食品、饮料等行业。
3.1控制系统
控制器相当于工业机器人的大脑，对机器人的性能有决定性影响。
工业机器人的控制器主要包括两个部分，第一是控制柜，控制柜中包含了多个PLC控制模块，用于控制机器人六轴或N轴的运动；第二是示教器，示教器是人机掌控的连接器，可用于编程和发送控制命令给控制柜以命令机器人运动。
工业机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等，具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。
控制器分为硬件和软件，核心技术为软件算法，与本体一样大部分均为品牌自主研制。
控制器硬件方面国内外技术基本无异，软件算法方面国外企业优势凸显。
国内外控制器差距在于软件的算法、反应速度、兼容性等方面。
由于核心算法的优势，使用外资企业的控制器的工业机器人在稳定性、故障率等指标均优于国内企业。
控制器通过伺服系统操作实现工业机器人的精细动作；尤其四大家族拥有软件的底层算法，令工业机器人反应速度与准确定位等方面均优于其他企业。
控制器下游应用广泛，前五大行业分别是工作机械（11.73%）、包装（11%）、纺织（9.59%）、工业机器人（9.11%）、半导体（7.43%），总共占比48.86%。
控制器在中国的市场规模从2015年20.7亿元增至2018年42亿元，年复合增速26.6%。
假设每台工业机器人配套一套控制器系统需3.5万元，根据中国工业机器人销量预测，2019-2023年控制系统规模分别为49.2亿元、59亿元、67.9亿元、74.6亿元、78.4亿元。
中国控制器市场主要以四大家族发那科、库卡、ABB、安川电机为主导，分别占比为16%、14%、12%、11%，CR4占据约53%市场份额；外资品牌控制器的国内市场份额占比超过80%。
国内控制器企业的软件算法技术与国外存在差异，尚未对市场上知名品牌或四大家族形成威胁。
3.2伺服系统
伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
它的主要任务是按控制命令的要求、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、速度和位置控制非常灵活方便。
伺服系统作为工业自动化的重要组成部分，是工业机器人的执行器，利用电动机产生的力矩驱动机器人本体，使机器人得以做出各种动作。
一个普通的伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机、编码器（反馈装置）三部分构成。
伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。
一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。
伺服电机是指在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。
它可控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
机器人自由度的高低取决于其可移动的关节数目，关节数愈多，自由度越高，位移精准度也越出色，所需使用的伺服电机数量就相对较多；简单而言，越精密的工业型机器人，其内的伺服电机数量越多。
目前全球伺服系统以日本品牌为主导分为三大类，日系、欧美系、国产。
日系代表有松下、安川、三菱、三洋等；欧系包括西门子、施耐德等；国产企业有埃斯顿、汇川技术、雷赛智能以及中国台湾的台达等。
我国大陆伺服系统技术比日本、欧美企业起步较晚，在2000年后开始自主研发。
目前我国伺服系统大部分进口为主，中国大陆企业国内市场占比仍有待提升。
2019年日本品牌伺服系统企业松下和安川占据第一、二名。
日系品牌销量有下滑趋势，总占有率相比2018年下降4%至43%；欧美品牌除施耐德（2.5%）销量下降导致总占有率下降1%至9%，西门子（4.2%）、贝加莱（2.3%）销量均有稍微涨幅；中国大陆企业汇川科技（10.7%）、雷赛智能（2.3%）与台企台达（13.5%）总体占据市场份额26.5%，较上年有1.5%涨幅。
经历20年发展，通过引进与吸收国外先进高新技术，国内伺服系统企业在高速成长，在中国市场占据份额有望持续增加。
近年来国内伺服系统行业发展迅速，广泛应用于电子制造、机床工具、纺织机械、包装机械、机器人等行业。
伺服系统在电子制造行业应用量最大达17.7%；机床工具（16.1%）、纺织机械（10.4%）应用量位列第二、三名；包装机械和机器人行业分别占10%、8.7%；其他行业占比22.6%，包括锂电制造设备、3C制造设备、橡胶机械等行业。
我国伺服系统规模稳速增长，从2012年52亿元增长至2018年116.53亿元，年复合增长14.39%。
2019年制造业明显受压，多个行业市场规模出现下降，我们认为2019年伺服系统市场规模降幅小于工业机器人销量降幅，综合考虑，我们认为2019年伺服系统规模下降约4%至111.9亿元；2020-2021年将以18%增速，2022-2023年将以15%增速，对应每年伺服系统市场规模分别为132亿元、155.8亿元、179.1亿元、206亿元。
3.3减速器
减速器是工业机器人必不可少的核心零部件之一，决定工业机器人的精度和负载。
控制器发出指示，伺服系统执行，减速器此时便发挥作用。
由于工业机器人各轴的转速和力矩参数未必在伺服系统的工作范围内，因此要搭配减速器使工业机器人各轴参数输出达到需求值。
减速器是连接伺服电机和执行机构之间的中间装置，它负责把伺服电机高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速目的，并传递更大的转矩。
减速器构成工业机器人运动的“关节”，每个关节使用的减速器各不相同。
工业机器人对减速器的精度、负载和寿命等要求极高，其技术壁垒是工业机器人核心零部件中最高的一个，是对工业机器人本体性能影响程度最高的核心零部件。
在全球减速器销量占比中，RV减速器和谐波减速器各占40%，Spinea减速器占剩余的20%。
RV（Rot-Vector）减速器和谐波减速器为工业机器人用的主流减速器。
两者主要区别为承重量不同；RV减速器主要用于20KG以上工业机器人关节，主要安装于机座、大臂、肩部等重负载部位。
谐波减速器主要用于20KG以下工业机器人关节，主要安装于小臂、腕部、手部等部位。
减速器对技术要求极高，核心技术工艺主要在齿面热处理、加工精度、成组技术、装配精度等方面。
在核心工艺上的丝毫差距会影响减速器的精度、刚度、损耗速度和寿命。
2018年日系企业纳博特斯克和哈默纳科占据全球减速器市场份额的75%，基本垄断全球市场。
国内在核心技术方面相比国外相对较弱，还需有经验累积的过程。
根据GGII数据显示，目前国内机器人减速器70%以上份额仍被外资企业垄断，国产减速器份额占比不足30%。
减速器市场格局变化不大。
四大家族仅减速器均无自主研发，使用的减速器均为外购产品。
RV减速器和谐波减速器领域分别由纳博特斯克、哈默纳科垄断。
近年，国内谐波减速器的进步较为明显，国产谐波减速器行业涌现值得关注的企业，绿的谐波表现较为亮眼，工艺技术水平已达国际水准；RV减速器技术差距仍有一段距离。
由于减速器作为承重，传动的零部件，磨损消耗速度较快，一台工业机器人需要4-6套，使用寿命大约在两年。
智研咨询表示2018年一台RV减速器约5000元，一台谐波减速器约2000元。
通过技术进步等因素影响，我们认为未来RV减速器和谐波减速器两者的合理定价分别为4000元和1250元。
我国2023年减速器市场规模将达121亿元。
4．安川电机领头伺服系统领域，国内企业加速追赶
4.1安川电机
日本安川电机成立于1915年，初创至今已有百年历史，可分为几个阶段。
1915-1949年是安川电机的初创期；1950-1970年动态的安川（モートルの安川）主营动态控制业务，于1958年研发全球第一部伺服电机（minertia电机）；1970-1990年自动化的安川（オートメーションの安川）开始提供自动化业务；1990-2005年机电一体化的安川（メカトロニクスの安川）开始推动机械电子工程发展；2005至今安川（トータルソリューションの安川）已经成为能为客户提供工业自动化全方位解决方案，同时公司在工业机器人的研发与生产方面已超过50年经验，特别是动态控制（控制系统和伺服系统）领域的工业机器人核心技术处于世界顶级水平。
根据公司最新数据显示，公司在全球伺服系统市场份额占比17%，相比2018年下降1个百分点。
公司是全球工业机器人行业领头企业之一，与日本发那科、瑞士ABB、德国库卡并称工业机器人四大家族；业务覆盖工业机器人上
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