机器人方案研究报告

机器人项目研究报告

●当前全球机器人市场主要以工业机器人为主，占市场份额的80%。未来服务机器人的行业规模或将超过工业机器人，成为新蓝海。

●预计2014~2017年全球服务机器人市场规模累计将达2000亿元，复合增速将达到22%，中国市场增速远高于全球增速。以清洁机器人为例，“双十一”期间，国内扫地机器人公司科沃斯实现全网销售3.15亿元，其中在天猫商城销售达2.76亿元。这让我们看到了服务机器人在终端消费需求的爆发力。

●中国的机器人密度仅为30，远低于世界平均水平的62，而世界最高的韩国达到437。工信部工业装备司副司长王卫明曾透露，国家的相关产业规划到2020年中国工业机器人的产业体系要具备3至5家具有国际竞争力的企业，8至10个产业配套集群，机器人密度达到100以上。从30到100对应的是3倍以上市场规模的增长。

●机器人将迎来政策密集落地期，制造强国战略对机器人产业是长期利好。

机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。

广泛采用机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，

有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

机器人能干的工作也已经从搬运、码垛、焊接等生产活动，到读报、陪护、弱交流等生活活动，再到排雷、战斗等军事活动，渗透到了人类的方方面面。随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端机器人具有明显的仿生和智能特征，其性能不断提高，功能不断扩展和完善，各种机器人系统逐步向具有更高智能方向演进。

目前机器人主要分为：工业机器人和服务机器人两大类。工业机器人细分为焊接机器人、搬运机器人、装配机器人、处理机器人、喷涂机器人五大类，服务机器人细分为个人、家用机器人、专业服务机器人。

【工业机器人概述及发展趋势】

1.1工业机器人发展概述

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。

据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右。2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。

1.2国外工业机器人发展趋势

1.2.1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

1.2.2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

1.2.3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

1.2.4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

1.2.5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

1.3中国工业机器人发展现状

中国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，中国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。

1.4工业机器人应用领域发展趋势

经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的abbRobotics，日本的fanuc、Yaskawa，德国的kukaRoboter，美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、

S-TRobotics，意大利comau，英国的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。

在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在40%左右。

1.5工业机器人四大家族

1.5.1日本发那科（Fanuc)

FANUC是日本一家专门研究数控系统的公司，成立于1956年。是世界上最大的专业数控系统生产厂家，占据了全球70%的市场份额。FANUC于1959年首先推出了电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环数控系统。

进入70年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了飞速发展，FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品，一方面从GETTES 公司引进直流伺服电机制造技术。1976年FANUC公司研制成功数控系统5，随后又与SIEMENS公司联合研制了具有先进水平的数控系统7，从这时起，FANUC公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家。

自1974年，FANUC首台机器人问世以来，FANUC致力于机器人技术上的领先与创新，是世界上唯一一家由机器人来做机器人的公司，是世界上唯一提供集成视觉系统的机器人企业，是世界上唯一一家既提供智能机器人又提供智能机器的公司。FANUC机器人产品系列多达240种，负重从0.5公斤到1.35吨，广泛应用在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等不同生产环节，满足客户的不同需求。

2008年6月，FANUC成为世界上第一个装机量突破20万台机器人的厂家；2011年，FANUC全球机器人装机量已超25万台，市场份额稳居第一。FANUC发布史上最“给力”机器人

2015年，FANUC向大众展示了M-2000iA系列的机器人。M-2000iA系列是世界上最大、最强壮的可搬运超重物体的机器人，有两种型号，一个是可举起900公斤重物的M-2000iA/900（动作半径4680mm）和能举起1200公斤的M-2000iA/1200（动作半径3730mm），能够做到更快、更稳、更精确地移动

大型部件，用于物流搬运、机床上下料、装配、码垛、材料加工、拾取及包装及举重表演等。

当需要处理超重部件，如机床组装、车身定位时，M-2000iA机器人可实现安全快捷的安置，能代替起重机、运输班车、龙门吊工作。

1.5.2ABB（Asea Brown Boveri）

ABB是一家瑞士-瑞典的跨国公司，集团总部位于瑞士苏黎世。1988年创立于欧洲，1994年进入中国，1995年成立ABB中国有限公司。2005年起，ABB 机器人的生产、研发、工程中心都开始转移到中国，目前，中国已经成为ABB 全球第一大市场。

ABB集团业务遍布全球100多个国家，拥有14.5万名员工，2014年全球销售收入约400亿美元，在华销售收入约58亿美元。

ABB在中国拥有研发、制造、销售和工程服务等全方位的业务活动，员工1.9万名。在中国大陆设有38个子公司和100多个办事处。ABB机器人产品和解决方案已广泛应用于汽车制造、食品饮料、计算机和消费电子等众多行业的焊接、装配、搬运、喷涂、精加工、包装和码垛等不同作业环节。

机器人业务属于ABB五大业务部门中的离散自动化与运动控制部。该部门在中国拥有以下生产基地：西安ABB大功率整流器有限公司、ABB高压电机有限公司、北京ABB电气传动系统有限公司、上海ABB工程有限公司、上海ABB电

机有限公司、上海ABB动力传动有限公司、广州ABB微联牵引设备有限公司、南昌ABB发电机有限公司。其中上海ABB工程有限公司是ABB机器人业务全球总部，也是ABB集团重要的机器人研发和生产基地，拥有最先进的机器人生产线。

ABB发布全球首款双臂人形协作机器人

ABB2015年发布了全球首款真正实现人机协作的双臂机器人YuMi，YuMi具有协同式双臂，配有突破性功能，将小件装配等自动化带入一个全新时代，其灵活的双臂以软性材料包裹，并配备创新的力传感技术及最先进的软件控制系统。YuMi从机械手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理，都能以其精确性轻松应对，甚至连穿针引线都不在话下。YuMi将人与机器人并肩合作变为现实，并宣告一个人机协作新时代的来临。

1.5.3日本安川电机机

安川电机创立于1915年，总部位于日本福冈县北九州市。1999年4月，安川电机（中国）有限公司在上海注册成立，注册资金3110万美金，公司位于上海市黄河路21号鸿祥大厦12楼。

截至2011年3月，安川的机器人累计出售台数已突破23万台，活跃在从日本国内到世界各国的焊接、搬运、装配、喷涂以及放置在无尘室内的液晶显示器、等离子显示器和半导体制造的搬运搬送等各种各样的产业领域中。

2012年7月，安川电机海外首个机器人生产基地落户常州武进高新区，该基地将用最新的设备生产用于汽车相关制造的溶解用机器人。项目总投资约3亿元，设计产能12000台套机器人/年(含控制系统)，年销售6亿元人民币。基地已于2013年6月投入生产。

安川重磅推出机械外骨骼ReWalk

安川电机2015年重磅推出了“辅助脊髄损伤患者步行的机器人”ReWalk，为脊髄损伤患者带来了福音。ReWalk作为外骨骼状机器人，不采用力传感器和肌电传感器，而是采用通过可以定位穿戴者的身体重心进行步行的独创性计算程序算法，从而实现步行自然化和穿戴简便化，在欧美已实现商品化，可帮助因为脊髄损伤造成的下肢麻痹患者实现站立和步行。患者在指定医院接受使用训练（基础训练20小时，应用训练最低20小时）后，便可在日常生活中使用。

1.5.4德国库卡（kuka）

库卡（KUKA）是世界工业机器人和自动控制系统领域的顶尖制造商，总部位于德国奥格斯堡。

KUKA机器人公司在全球拥有20多个子公司，其中大部分是销售和服务中心。KUKA在全球的运营点有：美国，墨西哥，巴西，日本，韩国，台湾，印度和欧洲各国。库卡机器人（上海）有限公司是德国库卡公司设在中国的全资子公司，成立于2000年，是库卡公司在德国以外设立的第一家，也是唯一一家海外工厂。库卡机器人（上海）有限公司位于上海市。库卡机器人的品牌代言人是乒乓球运动员蒂姆波尔。

1973年KUKA研发其第一台工业机器人，即名为FAMULUS。这是世界上第一台机电驱动的6轴机器人。今天该公司四轴和六轴机器人有效载荷范围达

3~1300公斤、机械臂展达350~3700mm，机型包括：SCARA、码垛机、门式及多关节机器人，皆采用基于通用PC控制器平台控制。KUKA的机器人产品最通用的应用范围包括工厂焊接、操作、码垛、包装、加工或其它自动化作业，同时还适用于医院，比如脑外科及放射造影。

库卡推出首款轻型工业机器人

2015年，库卡推出首款轻型工业机器人LBRiiwa，LBRiiwa是一款具有突破性构造的7轴机器人手臂，其极高的灵敏度、灵活度、精确度和安全性的产品特征，使它特别适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业（如电子、医药、精密仪器等），可满足更多工业生产中的操作需要。

传统的工业机器人往往被铁栅隔离，以防止其用力过猛伤及附近的工人，而LBRiiwa在接触到人体时，则会按照设定的程序自动弹开保持安全距离。它的机身装配有7个力矩传感器，使得其能够精确感知外部所施加力量的大小。

综合财务数据来看，对运动控制掌握的深度决定机器人企业的体量。四大家族中惟有发那科研发和制造数控系统，这是比电机、伺服等更底层的运动控制技术，可以说FANUC是最具有运动控制基因的企业，ABB和安川电机相当，处于中等，KUKA没有。

截止2013年末FANUC市值300亿美元，营业收入60亿美元，净利润15亿美元，毛利率和净利率分别达到48%和25%，除市值低于ABB外，其他各项指标都遥遥领先。考虑到ABB是大型的工业集团，机器人和自动化业务占比低，可以认为机器人四大家族中FANUC体量最大。

ABB和安川电机的运动控制技术都比较单一，只有FANUC通过数控系统，将其连接在一起，产生了1+1远大于2的协同作用。

同为日企，FANUC和安川电机在工业机器人收入基本一致的情况下，市值、净利率相差10倍以上，净利润相差约20倍；作为欧洲企业的ABB和KUKA机器人收入相同，市值和净利润相差约30倍。

机器人本体不是高利润的行业，纯粹的工业机器人企业很难有大体量和高估值。机器人的价值在于作为系统集成的中心，与其他业务结合提供整体解决方案所产生的协同作用。而与机床数控相结合是最合适的。FANUC无疑是一个成功的典范。

【服务机器人概述及发展趋势】

2.1服务机器人发展概述

目前，全球机器人市场主要以工业机器人为主，占市场份额的80%。未来服务机器人的行业规模或将超过工业机器人，成为新蓝海。服务机器人好比30年前的电脑、15年前的手机，未来10年服务机器人行业规模将超万亿元，未来三年复合增速将达到22%，目前尚处于爆发临界点。预计2014~2017年全球服务机器人市场规模累计将达2000亿元，复合增速将达到22%，中国市场增速远高于全球增速。

2.2服务机器人发展趋势

服务机器人的核心技术包括人机交互、导航及路径规划、多机器人协调、人工智能、云计算等，具体涉及语音、语义、处理器、算法、通讯、大数据、云联网等，以实现服务机器人的自主性、适应性、智能型。另外，产业链上下游的整合，包括资金、系统、应用层开发等。服务机器人目前还存在关键技术尚未突破的瓶颈。

服务机器人的发展将由简到繁，由易到难。清洁机器人应用场景简单，看好其率先爆发。手术机器人和军用机器人具备人力所不及的优势和特点，待成本进一步下降和功能继续增强后，有望快速普及。

以清洁机器人为例，‘双十一’期间，国内扫地机器人公司科沃斯实现全网销售3.15亿元，其中在天猫商城销售达2.76亿元。这让我们看到了服务机器人在终端消费需求的爆发力。作为服务机器人的一种，清洁机器人有望率先实现产业化。服务机器人通过场景入口导入终端需求，目前相对成熟的领域是清洁、导购、医疗、教育等。

目前A股上市公司中，机器人(300024)、博实股份(002698)、巨星科技(002444)等均涉足服务机器人领域。

【机器人产业链分析】

机器人产业链图：

3.1零部件：零部件核心在于控制

机器人本体的核心零部件包括伺服、减速器和控制器。以六轴关节型机器人为例，每台机器人标配六台伺服，六台减速器和一个控制器。电机与减速器在机器人内部，控制器也就是控制柜，通过电缆与机器人本体相连。

机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动，驱动伺服电机旋转，通过减速机执行动作。其中，技术门槛最高的是减速机，其次是伺服电机和驱动，再次是控制器。但这里说的门槛是指功能性的门槛，也就是做出来的门槛。

三大核心零部件的减速器、伺服和控制柜成本分别占机器人成本的30%~50%，20%~30%，10%~20%。

3.1.1减速器

减速器工作原理，是把电机的转速降低，从而得到大的转矩。可以等同于汽车在上坡时需要减速的道理。

减速器成本，平均占机器人本体成本的30%。由于减速器供应商较少，近乎垄断，故国内机器人本体的减速机采购价格更高，减速机占本体比例可达

40%~50%。

减速器分为谐波减速器和RV减速器。

谐波减速器用于小型机器人或大型机器人末端几个轴，特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高，单级传动比大。国际上HarmonicDrive公司几乎垄

断了整个工业机器人谐波减速器领域，目前全球市场占有率高达80%。国内谐波减速器的产业发展中，以绿的发展最快，已经与部分国产机器人甚至外资机器人厂家供货试用，发展到今年有望突破三万台，在国内谐波减速器市场占有率超过50%。

谐波减速器结构：

RV减速器适用于在重载机器人。一般应用于重载机器人的腿部腰部和肘部三个关节。相比谐波减速器，RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，不像谐波传动那样随着使用时间增长，运动精度会显著降低，其缺点是重量重，外形尺寸较大。RV减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。

日本的纳博特斯克（帝人）在RV减速器市场占有全球60%的市场份额。国内厂家南通振康和恒丰泰花费了6~8年时间，目前在RV减速器国内品牌中位于前列。减速机市占率对比详见下表：

3.1.2伺服

所谓“伺服”，源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服机构”就是一个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；信号消失，转子能即时自行停转。

机器人用伺服电机要求控制器与伺服之间的总线通讯速度快；伺服的精度高；另外对基础材料有加工要求。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。

伺服中主要的三大零部件为：马达、驱动器、编码器。目前国内在马达和驱动器制造方面都有所突破，而编码器的生产制造水平与国际水平还有差距。伺服有可能实现国产化替代的零部件。国内伺服电机市场份额详见下图：

3.1.3控制器

机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对机器人进行控制，以完成特定的工作任务。它是机器人大脑，它以算法为核心。其主要基本功能如下：（1）位置伺服：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。（2）示教：所谓示教，就是当用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人应该完成的动作和作业的具体内容。这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。

（3）各种接口：如与外围设备联系（输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口）。人机接口（示教盒、操作面板、显示屏）。传感器接口（位置检测、视觉、触觉、力觉等）。

（4）坐标设置：为机器人运动设置坐标系。

（5）存储：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

（6）故障诊断安全保护：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

控制器硬件部分占机器人本体成本10%~20%，但软件部分却承担着机器人大脑的职责。可以说，外资机器人使用的硬件零部件类似，采购成本也相似。而不同品牌的机器人精度速度各有优势，究其根本原因是不同品牌的机器人对零部件的驾驭设计与控制算法的不同。这才是不同品牌的机器人在技术层面的核心竞争力。

以全球四大机器人厂家为样本来看，只有控制器是无一例外均为自产的。可见控制器的重要性。

对国产机器人厂家而言，减速器与伺服目前难以突破的核心在于基础工业，如材料、热处理工艺、精加工工艺等。而这些，并不是自动化厂商想要做好就能够做

好的，需要整个基础工业和加工水平的提升。而这需要时间与经验的双重积累。目前国内控制器市场情况详见下图：

3.2机器人本体

机器人本体按照机械结构分，可分为直角坐标机器人，SCARA机器人，关节型机器人，并联机器人及其他。全球工业机器人市场主要为关节型全球工业机器人机器人本体按结构分类图：

机器人本体销售量对比及国家销量对比图：

中国机器人本体市场份额图：

3.3机器人集成

机器人集成是指在机器人本体上加装夹具及其他配套系统完成特定功能。机器人本体是标准品，可理解为一只手臂。

系统集成就是给这只手臂安装上手（夹具），复杂的系统集成还需要安装眼睛（视觉控制）、触觉（力控）等完成相应动作及功能。甚至提供工作站或配套生产线。

2013年，机器人与其相关软件及系统的全球总交易为290亿美元，其中中国交易量为95亿美元，为全球最大机器人市场。预计到2020年中国机器人系统集成市场将达2000亿元。

国产品牌在搬运、喷涂等对精度要求不高的领域已经有所渗透。焊接应用由于外资品牌的强势地位渗透较慢。而装配、打磨等则由于对工艺要求较高而渗透较慢。详见国产品牌与外资品牌销量对比图：

对比国产机器人及外资机器人在不同应用中的机器人销量，可以看到国产机器人在搬运应用中的占比奇高。这主要是由于国产机器人以中低端机器人为主，而中低端机器人又以搬运应用为主。

机器人下游最终用户可以按照行业分为：汽车工业，一般工业。一般工业中又可以分为食品饮料，石化，金属加工，医药，3C，塑料，白家电等等。按照IFR 的统计结果，汽车及零部件在机器人的销售中占比最高。其次是电子、金属、塑料石化等。

【中国机器人产业现状】

4.1中国是全球最大、增速最快的工业机器人市场

中国是全球最大的工业机器人市场。从销量来看，2013年中国市场销售3。7万台工业机器人，已经成为全球最大的机器人市场。2014年全球工业机器人销量增长27%，而中国工业机器人销量约5.6万台，增长率达到54%。预计到2017

年，中国工业机器人销售量将达10万台。从保有量来看，截止到2014年中国工业机器人保有量接近20万台，据IFR推测将先后超越德国、韩国、美国和日本，2017年超过40万台。

4.2机器人密度存在巨大上升空间

机器人密度是指平均每万名工人对应的机器人保有量。中国的机器人密度仅为30，远低于世界平均水平的62，而世界最高的韩国达到437。工信部工业装备司副司长王卫明曾透露，国家的相关产业规划到2020年中国工业机器人的产业体系要具备3至5家具有国际竞争力的企业，8至10个产业配套集群，机器人密度达到100以上。从30到100，对应的是3倍以上市场规模的增长。

4.3国产机器人有望受益于3C产业的爆发式增长

3C行业机器人有望出现爆发式增长。中国是全球最大的3C制造基地，据统计集中了全球70%的3C产品产能。以手机为例，2000年到2013年，中国手机产量增长了66倍，快速增长的手机行业一直在推动生产设备的自动化升级。国内3C行业仍是劳动密集型，机器人密度仅为11台，而日韩的机器人密度早已超过1200台，国内机器人密度要达到这一水平，行业需求可能超过百万台。这意味着未来中国3C行业机器人将可能出现爆发式增长，超越汽车产业成为第一大市场。