全球工業機器人詳細產業鏈梳理！

核心零部件技術是機器人本體企業的核心競爭力

1.減速器：工業機器人不可或缺的明珠

（1） 技術分析：RV 與諧波減速器占據主流地位

伺服電機由於脈動信號的驅動，本身具備調速功能，那麼機器人為何需要減速器？

由於工業機器人需要重復、可靠地完成大量工序任務，對其定位精度和重復定位精度要求很高，因此需要專門的減速器以保證精度。減速器的另一作用是傳遞負載：當負載較大時，伺服電機功率有限導致輸出扭矩較小，此時需要通過減速器來提高扭矩。此外，伺服電機在低頻運轉下容易發熱和出現低頻振動，對於長時間和周期性工作的機器人這都不利於確保其精確、可靠地運行。

精密減速器的存在使伺服電機在一個合適的速度下運轉，並精確地將轉速降到機器人各部位需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機器人關節減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易於控制等特點。

工業機器人用精密減速機主要分為5類，不同類型的精密減速機在傳動效率、減速比方面各不相同。衡量精密減速機的主要指標包括：扭轉剛度、傳動精度、啟動轉矩、空程、背隙、傳動誤差、傳動效率等。

目前，大量應用於多關節機器人的減速器主要有兩種：RV減速器和諧波減速器。相比於諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉精度。因此在關節型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；二者之間適用的場景不同，屬於相輔相成的關係。而行星減速器一般用在直角坐標機器人上。

RV（Rotary Vector）減速器

在擺線針輪行星傳動的基礎上發展而來，結構主要分為兩級：第一級為漸開線圓柱齒輪傳動，第二級為擺線針輪行星傳動，包括轉臂曲柄、擺線輪、針齒殼，特點在於承受大負載的同時保證高精度。因此，其技術難點主要在於工藝和裝配方面：1.材料成型技術。RV減速齒輪需要具有耐磨性和高剛性，對於材料成型過程提出了較高要求，尤其是材料化學元素控制、表面熱處理方面。2.精密加工及裝配技術。RV減速器的減速比較高，具備無側隙、微進給的特點，這就需要特殊部件加工和精密裝配技術。

▲RV減速器結構拆分

工作原理：1.第一減速部：伺服電機的旋轉從輸入齒輪傳遞至正齒輪，按二者的齒數比進行減速；曲軸直接與正齒輪相連，以相同的轉速旋轉。2.曲軸部：曲軸旋轉，帶動偏心部的RV齒輪進行偏心運動。3.第二減速部：另一方面，針齒數目比RV齒輪的齒數多1個；如果曲軸旋轉1圈，RV齒輪與針齒接觸的同時進行1圈的偏心運動，使得RV齒輪沿著相反方向旋轉1個齒數的距離，並通過曲軸傳遞至輸出軸，做到減速。而總體減速比為第一、第二減速部的減速比之積。

▲RV減速器工作原理

諧波減速器

基於行星齒輪傳動發展起來，由波發生器、柔輪、剛輪和軸承組成。其工作原理在於依靠波發生器使柔輪產生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個齒輪位。因此，當波發生器轉一圈，柔輪移動N個齒輪位，產生了所謂的錯齒運動，從而做到了主動波發生器與柔輪的運動傳遞。諧波減速器是通過柔輪的彈性變形來做到傳動，其優勢是傳動比大、零部件數目少；其缺點是彈性變形回差大，這就不可避免地會影響機器人的動態特性抗衝擊能力等。

▲諧波減速器結構拆分

從國內外產品技術指標來看，國外產品信息相對完善，每種規格對應的各技術指標都有精確的數值呈現。而國內在這方面略顯欠缺，表明國內企業在檢測能力方面的不足，缺少嚴格的質量管理體系。目前，國產減速器還存在兩方面的問題：1.產品系列不健全。日本納博具備全系列產品，基本上可以應用於所有領域。根據納博官網的披露，其RV-N系列產品還處於專利保護期，而國內產品系列相對殘缺；2.一致性問題。國產減速器在實際使用環境下的性能，與實驗室性能無法完全匹配，個別產品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國產減速器進軍高端市場的原因之一。

從RV減速器的技術指標來看，對比納博RV-E系列和南通振康的產品，可以看到在同一輸出轉速和輸入功率下，二者的輸出扭矩範圍相當，說明國內產品在傳動效率上已經可以與國外媲美。然而工藝水平是限制RV減速器發展的主要原因，例如非標特殊軸承是RV減速器的精密機構，其間隙需根據零部件加工尺寸動態調整。為了結構緊湊，薄壁角接觸球軸承精度要求較高，加預緊力後軸承的遊隙為零。因此，今後需要在傳動精度、扭轉剛度等方面加強研究。

從諧波減速器的技術指標來看，國內的蘇州綠的和中技克美的減速比範圍與日本哈默納科水平相當，產品性能基本滿足要求，目前已經大量應用於國產機器人。而國外產品在輸出扭矩、平均壽命和一致性等技術指標上依然占據優勢。

（2）國產化進程：國內企業訂單頻傳，加速進口替代

國產企業布局積極，有望率先突破。減速器是制約降低國產工業機器人成本最重要的因素，盡管目前國產工業機器人減速器研發困難重重，但是整體產品的質量在逐步提高，在一些核心指標上已經達到國際水平，其高性價比已經得到了部分國內企業的認可，例如新松機器人、埃夫特等企業均開始使用南通振康的RV減速機產品。目前國內公司已經開始積極布局精密減速機業務，主要上市公司包括雙環傳動、秦川機床、上海機電和巨輪股份等，非上市公司包括南通振康、中技克美、北京諧波等。

國內企業減速機業務推進順利，訂單頻傳。2017年以來，減速器國產化進程顯著加快，根據中大力德公告的披露，公司將於2019年底之前向伯朗特供貨RV減速器不低於30000套；根據公告的披露，埃夫特將採購雙環傳動的RV減速器一萬套；根據公司官網的披露，南通振康將分別向上海歡顏、埃夫特批量提供減速器。根據上海機電年報的數據，旗下的納博精機於2015年10月投產，目前已經達到10萬台產能，並於2017年5月開始做到單月盈利，目標早日達到20萬台的產能。除此之外，中技克美成為國內第一家上市的諧波減速器企業，產能2萬套，其中50%-60%用於軍工領域。秦川機床、中大力德、來福諧波也分別開發了系列產品，進入量產階段。

▲2017年中國大陸地區減速器出貨量統計（台）

（3）需求測算：未來減速器業務有多大的空間？

減速器市場測算邏輯：根據IFR的預測，按照類型劃分未來工業機器人需求量，進一步按每種類型的機器人所需的RV和諧波減速器數量，來預測總體市場需求和空間。

2016年中國機器人銷量已接近全球市場份額的30%，連續四年成為全球最大的工業機器人市場。根據國際機器人產業協會IFR的預測，未來幾年中國機器人行業銷量有望維持25%-30%左右的增速。我們以IFR預測下限25%的增速，以2017年14萬台為基數進行測算。到2020年，大陸工作機器人銷量有望達到27萬台。

另外，根據MIR公布的2017年中國工業機器人市場份額，按類型來劃分，六軸多關節機器人、SCARA機器人、關節型手臂、協作機器人和DELTA機器人的占比分別為67.8%、21.2%、6.05%、2.89%、2.05%。我們按照各種類型工業機器人所需減速器類型和數量進行劃分。一般情況下，六軸多關節機器人需要4套RV減速器和2套諧波減速器；SCARA機器人包含4個諧波減速器；關節型手臂和協作機器人類型較多，我們按照4軸多關節機器人計算，大約每套需要3個RV減速器和1個諧波減速器；而DELTA機器人的電機安裝在固定基座上，我們按照其需要1個諧波減速器計算。

由此，我們可以得出以下減速器需求量測算公式：

• RV減速器數量=六軸多關節機器人*4+（關節型手臂+協作機器人）*3；

• 諧波減速器數量=六軸多關節機器人*2+（關節型手臂+協作機器人*1+SCARA機器人*4+DELTA機器人*1。

根據我們的測算結果，到2020年RV減速器市場需求81.5萬台，諧波減速器需求63.3萬台，總體市場需求量有望達到144.8萬台。當前，一台RV減速器的售價約5000-6000元左右，而諧波減速器價格約2000元；而在2015年，RV減速器和諧波減速器的平均價格分別為8000元、3000元。減速器的國產化進程，促成了過去三年國外品牌的降價，當前價格雖然還存在下降空間，但已經接近其生產成本，未來價格壓縮的空間相對較小，因此我們可能未來RV和諧波減速器的價格分別在4000元和1500元左右。根據上述計算過程，2018-2020年間，國內減速器市場空間分別有望達到31.71、36.76、42.63億元。

▲2017年中國工業機器人市場份額（按機型）

▲國內工業機器人用減速器需求測算（萬台）

2.伺服電機與控制器，相輔相成的核心零部件

（1）伺服電機：國產替代空間最高

伺服系統下遊應用領域眾多。在20世紀70年代，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料製造工藝的發展和性價比不斷提高，交流伺服系統逐漸取代直流伺服系統成為主流產品。而國產交流伺服系統在核心技術方面已取得突破，國內外差距已明顯縮小。目前伺服系統的應用領域主要集中於機床，但近幾年電子製造業和機器人行業的崛起，催生了大量行業需求。2016年，機器人占伺服系統下遊應用的9%。我們認為，隨著未來機器人零部件做到突破，大陸工業機器人行業將迎來快速發展期，伺服系統的應用領域也將由機床向機器人傾斜。

▲2016年伺服系統的下遊應用

這里我們需要強調的是，伺服電機並不完全等於伺服系統，但後者的運用環節能很大程度上反映伺服電機的下遊應用。完整的伺服系統包括伺服電機、伺服編碼器和伺服驅動器三個部分。

伺服驅動器又被稱為伺服控制器，作用類似於變頻器之於交流馬達，一般是通過速度環、位置環、電流環分別對伺服電機的轉速、位置、轉矩進行相應控制，做到高精度的傳動系統定位。伺服編碼器是安裝在伺服電機末端用來測量轉角及轉速的一種傳感器，目前自控領域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。作為伺服系統的信號反饋裝置，編碼器很大程度上決定了伺服系統的精度。

伺服電機作為執行元件，作用是將伺服控制器的脈沖信號轉化為電機轉動的角位移和角速度，主要由定子和轉子構成，定子上有兩個繞組，勵磁繞組和控制繞組。其內部的轉子是永磁鐵或感應線圈，轉子在由勵磁繞組產生的旋轉磁場作用下轉動。機器人的關節驅動離不開伺服電機，關節越多，其柔性和精度就越高，所要求使用的伺服電機數量就越多。機器人對伺服電機的要求較高，必須滿足快速響應、高啟動轉矩、動轉矩慣量比大、調速範圍寬，要適應機器人的形體做到體積小、重量輕、加減速運動等條件。

伺服電機可以分為交流（AC）和直流（DC）兩大類。具體來看，直流電機又分為有刷和無刷電機，前者成本低，但會產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用於對成本敏感的普通工業和民用場合。而交流伺服電機與直流電子相比，主要優點包括：（1）無電刷和換向器；（2）慣量小，快速響應；（3）適用於大力矩環境；（4）定子繞組散熱方便。目前工業機器人中使用較多的是交流伺服電機。

▲伺服編碼器內部結構

▲無刷直流電機內部構造

交流伺服電機也稱為無刷電機，分為同步和異步電機。異步電機負載時的轉速與所接電網的頻率之比不是恒定關係，有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載範圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。而同步電動機的功率因數可以調節，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而適合做低速平穩運行的應用。在不要求調速的場合，應用同步電動機可以提高運行效率。到目前為止，高性能的伺服系統大多採用永磁同步型交流伺服電動機，典型生產廠家如德國倫茨、路斯特、西門子、日本安川等公司。

如今一般伺服電機都追求高精度、高可靠性、高熱容量、高剛度、輕量化和高響應性等性能。國際上主要伺服電機廠家的電機手冊也一般會收錄機械時間常數、電器時間常數、發熱時間常數、轉動慣量和過載運動能力等參數，這些都是伺服電機的主要參考指標。

（2）控制器：與國際差距最小的零部件

控制器是機器人的大腦，主要負責發布和傳遞動作指令。其主要任務是對機器人的運動規劃，以做到機器人的操作空間坐標和關節空間坐標的相互轉換，完成高速伺服插補運算、伺服運動控制。

控制器分為硬件結構和軟件結構。硬件方面，目前市場已經研發了基於多CPU的分級分層控制系統。以典型的DSP控制器為例，該控制器採用模塊化結構，以工業PC作為系統的硬件平台，通過DSP控制卡做到對機器人多個自由度的操控，提高了機器人控制器的運動控制性能。

軟件方面，又分為上位機PC部分和下位機運動控制部分。其中，上位機模塊主要功能是對系統的可調參數進行設置，對機器人的正、逆運動學建模求解，並把運動控制卡與控制程序在邏輯上連接起來。下位機模塊由主控程序、運動程序和通訊程序構成，做到高速伺服插補運算、伺服運動控制。

▲機器人控制器硬件結構

▲機器人控制器軟件結構

競爭格局：硬件差距較小，難點集中於軟件。控制器本質上就是一個數據處理器，隨著半導體技術的成熟，半導體晶片的性價比越來越高，因此控制器在硬件上並無太高門檻。在機器人的核心零部件中，控制器的技術難度是最低的，國內企業開發的控制器產品已經可以滿足大部分功能要求。但控制器的核心在於算法要與機器人本體相匹配。目前，國外主流機器人廠商的控制器均是基於運動控制平台進行自主研發，以保證匹配性，導致國內企業控制器尚未形成競爭優勢。可以說，國產控制機在硬件上與國外差距不大，差距主要是算法和兼容性方面。

▲2015年國內機器人控制器銷量市場份額

系統集成商的核心優勢在於人才及行業積累