自动化设备行业深度报告：人形机器人迎产业化机遇建议关注核心零部件环节_30页_2mb.pdf

东吴证券研究所 证券研究报告 行业深度报告 自动化设备 1 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 自动化设备行业深度报告 人形机器人迎产业化机遇，建议关注核心零部件环节 2022年 07月 20日 证券分析师 周尔双 执业证书： S0600515110002 021-60199784 证券分析师 朱贝贝 执业证书： S0600520090001 行业走势 相关研究 增持 （ 首次 ） Table_Summary 投资要点 特斯拉拉开人形机器人产业化序幕，千亿级市场未来可期 2021年 8月，特斯拉 CEO马斯克于“人工智能日”首次公开展示人形机器人 Tesla Bot。 2022年 6月，马斯克再次于推特称，将于 2022年 9 月 30日公布人形机器人原型机。考虑到特斯拉强大的产业化能力与市场影响力，我们认为其有望拉开人形机器人产业化序幕。而深层次来看，我们认为短期内实现产业化仍有许多困难需要克服，例如缺乏拥有刚需的应用场景；售价高昂，性价比较低；实际应用场景中技术仍不够完善等等。 尽管存在诸多问题，我们仍十分看好并期待特斯拉人形机器人的发布，若其能够明确市场需求，并且在成本控制和技术水平之间形成有效平衡，就有望实现商业化的落地和规模化的量产。且根据 Marketsandmarkets 的预测，全球人形机器人市场规模（仅考虑单机）将从 2022年 15亿美元提升至 2027年的173亿美元 (人民币兑美元 6： 1计算得 1038亿元 )，千亿市场未来可期。 产业链视角：核心零部件重要性凸显 人形机器人产业链主要包括上游核心软硬件（硬件包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等；软件包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等）；中游本体制造商和下游应用（包括迎宾接待、高校科研等）。其中核心零部件重要性十分突出，一方面高性能的零部件是实现机器人感知与运动的基础；另一方面核心零部件成本占比较高。以传统工业机器人为例，核心零部件占据了工业机器人整机 70%以上的成本。 减速器： 主要包括谐波减速器和 RV减速器，目前仍主要被日本企业所垄断，近年来在绿的谐波和双环传动等国产龙头的带领下国产化率逐步提升。考虑到人形机器人将为减速器市场需求带来 较大 增量，根据测算 2025年全球谐波减速器市场空间有望达 147.5亿元， 2022-2025年 CAGR=59.5%。 控制器： 主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，近年来机器人控制器市场需求稳步增长。竞争格局方面由于机器人控制器多为本体厂商自制，竞争格局与本体类似，国外企业占据主导地位，国内外差距主要体现在软件算法，近年汇川、埃 斯顿等国产机器人龙头正逐步追赶。 伺服系统： 主要包括驱动器和伺服电机。相较于通用伺服、机器人用伺服对响应速度，负载能力，体积质量等要求更高，因此国内外差距也更 大 。近年来汇川、埃斯顿等国产品牌迅速发展，在中低端伺服领域已实现大规模量产，并不断投入研发向高端伺服系统迈进。 主要公司介绍： （ 1）绿的谐波（ 688017.SH）： 国产谐波减速器龙头，受益于国产替代 &产能扩张，业绩高速增长， 2017-2021年收入和归母净利润 CAGR分别为 26.0%和 40.5%。短期来看，根据测算全球谐波减速器市场到 2025 年仍存在供需缺口，产能扩张下绿的市场份额有望快速提升。 此外绿的也正在拓展非机器人应用，包括机床、半导体等新领域，而正在加速推进的人形机器人产业也有望在长期为谐波减速机行业带来 较大 的市场增量。 （ 2）埃斯顿（ 002747.SZ）： 国产工业机器人领军企业，布局工业自动化全产业链，业绩持续稳定增长， 2016-2021年收入和归母净利润复合增速达 34.8%和 12.2%。相较于传统机器人，人形机器人关节更多，运动形式更复杂，对伺服、控制器及机器视觉等诸多技术融合度要求更高 ，埃斯顿坐拥自主研发的伺服系统、 TRIO 高端控制技术和Eculid先进的机器视觉技术，三位一体下将充分受益于人形机器人发展机遇。（ 3）双环传动（ 002472.SZ）： 专注 汽车 齿轮 箱 生产， 2013年布局 RV 减速器率先打破国外垄断自主生产。目前公司 RV 减速器性能达国内领先水平，未来随着产能进一步释放，国产替代加速，有望开启第二成长曲线。 投资建议： 重点推荐绿的谐波、埃斯顿、汇川技术（东吴电新组覆盖）；建议关注双环传动 。 风险提示： 人形机器人产业化不及预期，核心零部件国产化不及预期 ， 人形机器人或存在舆论阻力 。 -39%-34%-29%-24%-19%-14%-9%-4%1%6%2021/7/20 2021/11/18 2022/3/19 2022/7/18自动化设备 沪深 300 东吴证券研究所 行业深度报告 2 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 内容目录 1. 特斯拉拉开人形机器人产业化序幕，千亿级市场未来可期 . 5 1.1. 特斯拉 Optimus即将推出，拉开人形机器人产业化序幕 . 5 1.2. 人形机器人起源于日本， 21世纪以 来迅速发展 . 5 1.3. 产业化落地条件初步具备，千亿市场未来可期 . 7 2. 产业链视角：核心零部件重要性凸显 . 9 2.1. 精密减速器：机器人生产中壁垒最高的零部件 . 11 2.1.1. 精密减速器包含谐波与 RV 减速器，其原理与使用场景各有不同 . 11 2.1.2. 全球精密减速器被日本垄断，近年国产化率逐步提升 . 13 2.1.3. 考虑到人形机器人需求， 2025年全球谐波减速器市场空间有望达 147.5亿元 . 14 2.2. 控制器 &伺服系统：机器人实现运动功能的核心部件 . 15 2.2.1. 控制器：机器人运动控制的 “大脑 ” . 16 2.2.2. 伺服系统：机器人运动控制的 “神经系统 ” . 17 3. 主要公司介绍 . 19 3.1. 绿的谐波（ 688017.SH）：突出重围的国产谐波减速器龙头 . 19 3.1.1. 进口替代 &产能提升， 国产谐波龙头业绩高增 . 19 3.1.2. 短期内行业供不应求，产能扩张下市场份额提升 . 21 3.1.3. 新产品 +新应用拓宽长期成长边界 . 22 3.2. 埃斯顿（ 002747.SZ）：玉汝于成，国产机器人集大成者 . 23 3.2.1. 国产工业机器人领军企业， 布局工业自动化全产业链 . 23 3.2.2. TRIO控制器 +ESTUN伺服，打造高端运动控制解决方案 . 25 3.3. 双环传动（ 002472.SZ）：高精度齿轮龙头， RV 开启第二成长曲线 . 26 3.3.1. 国产高精度齿轮龙头，新能源机遇下业绩迎快速增长 . 26 3.3.2. 率先打破 RV 减速器国外垄断，开启第二成长曲线 . 28 4. 投资建议 . 29 5. 风险提示 . 29 东吴证券研究所 行业深度报告 3 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 图表目录 图 1： 特斯拉 Optimus示意图 . 5 图 2： 人形机器人发展历史 . 6 图 3： 目前主流人形机器人参数及应用场景 . 7 图 4： 人形机器人正处于 L3向 L4阶段迈进的过程 . 7 图 5： 优必选人形机器人 To B端的应用场景，但缺乏刚性需求推动其规模化 . 8 图 6： 机器人产业链情况 . 9 图 7： 人形机器人主要部件构成 . 10 图 8： 工业机器人核心零部件示意图 . 10 图 9： 机器人产业链各环节成本占比 . 10 图 10： 伺服电机输出与本体需求不匹配，需要减速器进行减速增距 . 11 图 11： 精密减速器包括谐波减速器与 RV 减速器，但其工作原理和应用场景存在区别 . 12 图 12： 2020年谐波减速器国内市场销量占比情况 . 13 图 13： 2021年谐波减速器国内市场销量占比情况 . 13 图 14： 2020年 RV 减速器国内市场销量占比情况 . 13 图 15： 2021年 RV 减速器国内市场销量占比情况 . 13 图 16： 国内外各品牌同型号谐波减速器关键参数对比 . 14 图 17： 国内外各品牌同型号 RV 减速器关键参数对比 . 14 图 18： 考虑人形机器人需求， 2025年全球谐波减速器市场空间有望达 147.5亿元 . 15 图 19： 运动控制系统应用原理 . 15 图 20： 控制器分类及特点介绍 . 16 图 21： 2022年国内工业机器人控制器市场规模有望达 16亿元 . 16 图 22： 国内工业机器人控制器市场四大家族合计市场份额占有率超过 50%（ 2020年） . 16 图 23： 国内企业加速布局工业机器人控制器 . 17 图 24： 2019年伺服系统下游应用领域占比 . 18 图 25： 国内伺服系统市场规模 . 18 图 26： 2015年国内伺服系统主要供应商市场份额 . 18 图 27： 2019年国内伺服系统主要供应商市场份额 . 18 图 28： 绿的谐波发展历程 . 19 图 29： 2017-2021年营业收入 CAGR=26.0% . 20 图 30： 2017-2021年归母净利润 CAGR=40.5%. 20 图 31： 2022Q1公司毛利率 52.4%，销售净利率 39.0% . 21 图 32： 2022Q1公司期间费用率为 14.9%，同比 +7.1pct . 21 图 33： 根据测算 2022-2025全球谐波减速器市场存在供需缺口 . 22 图 34： 埃斯顿发展历程 . 23 图 35： 两大核心业务：核心零部件 +工业机器人 . 24 图 36： 两大核心业务示意图 . 24 图 37： 2021年公司实现营业收入 30.2亿元，同比 +20.3% . 24 图 38： 2021年公司归母净利润 1.22亿元，同比 -4.75% . 24 图 39： 毛利率维持稳定，规模效应下销售净利率回升 . 25 图 40： 2021年公司期间费用率为 29.2%，同比 -3.5pct . 25 图 41： 埃斯顿全新的智能控制单元解决方案示意图 . 25 图 42： 智能控制单元解决方案成功打入锂电行业 . 26 东吴证券研究所 行业深度报告 4 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 图 43： 智能装备核心控制部件业务迎来快速增长期 . 26 图 44： 双环传动营业收入保持持续增长 . 27 图 45： 双环传动归母净利润 2021年迎来拐点 . 27 图 46： 2020年双环传动盈利能力迎来拐点 . 27 图 47： 2021年双环传动期间费用率开始降低 . 27 图 48： 双环传动 RV 减速器发展历程 . 28 表 1： 预计 2021-2025年国内数控机床用谐波减速器的市场规模 CAGR=41% . 22 表 2： 相关公司估值情况（截至 2022.7.19收盘价） . 29 东吴证券研究所 行业深度报告 5 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 1. 特斯拉拉开人形机器人产业化序幕，千亿级市场未来可期 1.1. 特斯拉 Optimus即将推出，拉开人形机器人产业化序幕 2021年 8月，特斯拉 CEO马斯克于“人工智能日”首次公开展示特斯拉人形机器人 Tesla Bot。 2022 年 6 月，马斯克再次于推特宣称，特斯拉将于 2022 年 9 月 30 日公布人形机器人原型机，并将其命名为 Optimus（擎天柱），预计最早将于 2023 年开始生产。根据公开信息， Optimus身高 1.72m，体重 57kg，可负载 20kg，最快运动速度达到8km/h。 图 1： 特斯拉 Optimus示意图 数据来源：特斯拉官网，东吴证券研究所 根据特斯拉 CEO 马斯克在“人工智能日”当天的演讲披露，硬件方面 Optimus 全身由 40个机电执行器控制（腿部 12个 +手部 12个 +双臂 12个 +颈部 2个 +躯干 2个），面部配有显示屏，双臂采用轻量材料，双手可实现人类活动水平的动作，双脚可感应反馈。软件方面 Optimus结合了特斯拉的基于视觉神经网络神经系统预测能力的自动驾驶技术，并搭载自研 AI 训练芯片 D1，算力高达每秒 9PFLOPs（ 9 千万亿次）。 考虑到特斯拉强大的产业化能力与市场影响力，我们认为特斯拉 Optimus的推出有望拉开人形机器人产业化序幕。 1.2. 人形机器人起源于日本， 21世纪以来迅速发展 人形机器人起步于 1960年代后期，以日本的研究成果最为瞩目。 1973年日本早稻田大学的加藤一郎教授研发出世界上第一款人形机器人 WABOT-1，但其运动能力不足，每走一步需要 45 秒钟。 1986 年日本本田开始进行人形机器人 ASIMO 的研究，并成功于 2000 年发布第一代机型。相较于 WABOT-1， ASIMO 能跑能走、上下阶梯，在运动能力方面取得 较大 突破。 东吴证券研究所 行业深度报告 6 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 进入 21 世纪后，人形机器人在日美多家企业的大力研发下迅速迭代，并不断取得功能突破。 2003年日本丰田发布第一代仿人类机器人，即“丰田音乐伙伴机器人”，可以实现吹喇叭、拉小提琴等乐器演奏功能。 2009年丰田发布第二代会跑步的人形机器人，在无障碍平面上奔跑速度可达 7km/h。 2011 年本田推出的 All-New ASIMO 具备利用传感器避开障碍物等自动判断并行动的能力 ,还能用五根手指做手语，或将水壶里的水倒入纸杯。 至此人形机器人已具备初步的行动能力，逐步向特定场景应用发展。 2016年美国波士顿动力公司发布双足机器人 Atlas，其特征为具有极强的平衡性和越障能力，能够承担危险环境搜救任务。 2017年本田发布第三代人形机器人 T-HR3，可以模仿远程操纵者动作，并于 2020年东京奥运会中用于与运动员进行远程交流。 2020年美国敏捷机器人公司成功推出第一款商业化出售的双足机器人 Digit，售价为 25万美元，其能够在无人干涉的环境下自行选定搬动箱子，适用于物流、仓储、工业等多种应用场景。 2021年日本丰田推出第四代家务机器人 Busboy，能够完成擦地板、拿取玻璃杯等家务活。 图 2： 人形机器人发展历史 数据来源：各公司官网，物联网，东吴证券研究所整理 国内起步较晚，但发展十分迅速。 国内主要人形机器人玩家包括优必选和北京钢铁侠等。优必选以伺服舵机起家，于 2012 年推出第一款人形机器人 Alpha1，经过迅速迭代至 2017年推出稳定性较强的 Walker第一代样机， 2021年推出更为成熟的 Walker X，为进军消费级的人形机器人领域做好充分准备。 目前来看，全球范围内较为成功的人形机器人厂商主要包括中国优必选、日本本田和丰田、美国波士顿动力和敏捷机器人，但各家产品在设计结构、价格、功能及运用场景方面均有不同 ，但从产业化角度来看，仅有美国敏捷机器人和优必选实现了一定程度上的产业化销售。 东吴证券研究所 行业深度报告 7 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 图 3： 目前主流人形机器人参数及应用场景 数据来源：各公司官网，东吴证券研究所 1.3. 产业化落地条件初步具备，千亿市场未来可期 从基础功能角度来看，人形机器人已初步具备产业化条件。 从通用人形机器人的 L0-L5的发展阶段来看，其正处于 L3向 L4阶段迈进的过程。 L3阶段的机器人需要具备感知能力，能利用各种传感器测量环境信息，通过预设程序，进行识别、理解，并反馈预设动作。 L3级别的机器人在架构上至少需要 30个以上的自由度。 L4阶段的机器人能够通过预设行为和技能模板自主完成任务，不再需要人类的频繁干预。 L5阶段则是理想状态的人形机器人，真正具备人类的思维和创造力。 图 4： 人形机器人正处于 L3向 L4阶段迈进的过程 数据来源：优必选官网，东吴证券研究所 东吴证券研究所 行业深度报告 8 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 而从现状来看，人形机器人距离真正产业化仍有一定距离。 以日本本田 ASIMO为例，尽管能跑能跳功能齐全，但 2011年福岛核电站事故发生后， ASIMO由于无法为救灾做出贡献而遭到群众对其实用性的质疑， 2018 年本田宣布因高成本和低实用价值而放弃对 ASIMO 的研发。同样美国波士顿动力的 Atlas 机器人虽饱受外界关注，但现阶段仍未实现产业化出售。 我们认为人形机器人过去无法真正产业化主要有以下几点原因： （ 1）缺少明确的具备刚需的应用场景： 目前已实现量产的机器人都有着明确的应用场景，而且这些应用场景无论是 To B还是 To C都有大量的刚性需求，例如工业机器人在工业领域实现的搬运、焊接、点胶等工艺，扫地机器人的家用功能，电力巡检机器人在电网的应用等等。而现有的人形机器人的主要应用包括商业领域的导览接待、特殊环境下的搜救搬运等工作，尚无能够大规模应用的刚需场景。 我们认为人形机器人要实现大规模产业化落地，前提是需要找准某一细分领域或者特定场景下的市场需求，同时兼具实用性和性价比。 图 5： 优必选人形机器人 To B端的应用场景，但缺乏刚性需求推动其规模化 数据来源：优必选官网，东吴证券研究所 （ 2）成本高企，产品性价比较低： 人形机器人结构复杂，对智能化和感知能力的要求更高，除了控制器、伺服驱动、减速机等传统机器人必须的零部件之外，还要加入大量传感器、机器视觉以及软件层面的 AI 交互系统等，所以制造成本十分高昂。以美国敏捷机器人 Digit为例，其对外售价为 25万美元；而 Tesla Bot要实现 2.5万美金的预期售价，在大规模生产的基础上还需要进行多方位的技术突破以降低生产成本。 （ 3）实际应用场景中技术仍需完善： 人形机器人在产业化落地过程中，仍有许多亟待解决的技术问题，目前尚处于功能相对简单、初步智 能的形态。人工智能仍不够智能：人工智能限制了人形机器人的发展天花板，人机交互能力还较为薄弱；机器视觉在复杂场景下的应用：例如在早中晚光照变化 较大 的情况下，机器视觉定位容易失败； 东吴证券研究所 行业深度报告 9 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 或者在逼仄的白墙下，定位稳定性不好，容易导致导航中断；缺乏更高效的零部件：例如由于人形机器人需要站立，且体重较大，运动过程中对腿部扭矩需求 很大 ，因此对减速器的刚性、驱动器的功率密度等要求较高。 综合而言，尽管人形机器人距离真正实现产业化仍有诸多困难需要克服，我们仍十分期待特斯拉新一代 Optimus人形机器人，若其能够明确市场需求 ，并且在成本控制和技术水平之间形成有效平衡，就有望实现商业化的落地和规模化的量产。 根据全球市场研究机构 Marketsandmarkets的预测，全球人形机器人市场规模（仅考虑单机）将从 2022年 15 亿美元提升至 2027 年的 173 亿美元 (按人民币兑美元 6： 1 计算为 1038 亿元 )，CAGR=63.5%。星星之火可以燎原，千亿蓝海市场未来可期。 2. 产业链视角：核心零部件重要性凸显 人形机器人产业链主要分为上中下游三部分。 具体来看，上游为核心软硬件，硬件主要包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等；软件包括机器视觉、 人机交互、机器学习、系统控制等；中游则是人形机器人本体制造商，国内包括优必选、北京钢铁科技、国外包括波士顿动力、美国敏捷机器人、日本丰田、本田、特斯拉等。下游目前还未有成熟的商业应用，可能的应用场景包括迎宾接待、展厅引导、高校科研等。 图 6： 机器人产业链情况 数据来源：中商产业研究院，东吴证券研究所整理 东吴证券研究所 行业深度报告 10 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 从技术与成本两方面看，核心零部件的重要性尤为突出。 一方面，人形机器人技术的本质是 3D 空间中高维度的感知与运动，高性能的核心零部件是实现感知与运动的基础。另一方面，成本 上 核心零部件也占据重要地位。以传统工业机器人为例，核心零部件占据了工业机器人整机 70%以上的成本，其中减速器占整机成本约 36%，伺服占整机成本约 24%，控制器占整机约 12%。 考虑到人形机器人自由度更高，所需零部件更多，其成本占比将会更高。 图 7： 人形机器人主要部件构成 数据来源：优必选官网，东吴证券研究所 机器人核心零部件主要包括精密减速机、交流伺服电机、控制器。精密减速器 是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用。 伺服电机 在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。机器人每个关节运动均需靠伺服电机驱动，以实现多自由度的运动。 控制器 是工业机器人的大脑，对机器人的性能起着决定性的影响。工业机器人控制器主要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。 图 8： 工业机器人核心零部件示意图 图 9： 机器人产业链各环节成本占比 数据来源： Ofweek，东吴证券研究所 数据来源： Ofweek，东吴证券研究所 东吴证券研究所 行业深度报告 11 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2.1. 精密减速器：机器人生产中壁垒最高的零部件 2.1.1. 精密减速器包含谐波与 RV减速器，其原理与使用场景各有不同 精密减速器是机器人生产过程中技术壁垒最高的零部件。 机器人每个关节运动均需靠伺服电机驱动，伺服电机具有输出转速大、输出扭矩小的特点；而关节结构实际上的需求是输出转速小、转动扭矩大，所以现有伺服电机的输出不能满足终端机械本体的运动需求，就需要减速器这一结构进行减速增距。 图 10： 伺服电机输出与本体需求不匹配，需要减速器进行减速增距 数据来源：埃斯顿官网，东吴证券研究所 精密减速器主要包括谐波减速器与 RV 减速器，但其工作原理和应用场景存在较大区别： 1）谐波减速器： 由波发生器、柔轮和刚轮组成。当波发生器被放入柔轮内圆时，柔轮产生弹性变形弯曲成椭圆状，且由于柔轮外侧的刚轮比其多 2个齿，导致柔轮长轴部分正好可以与刚轮的齿轮啮合，而短轴部分与刚轮的齿轮呈脱离状态。由于刚轮固定，因此在波发生器逆时针转动时，柔轮作顺时针转动。当波发生器持续转动时，柔轮不断发生变形，两轮轮齿在啮入、啮出的过程中进行错齿运动，波发生器转动 180，柔轮正好转动一个齿数，其转动角度之比即为减速比。谐波减速 器具有以下特点：体积和重量轻：由于谐波齿轮传动主要构件只有三个，相较 RV 减速器，零部件至少减少 50%，体积和重量均减少 1/3以上；精度高：由于谐波齿轮为多齿同时啮合，并且有两个 180度对称的齿轮啮合，因此齿距误差较小，使位置精度和旋转精度达到极高的水准；单级传动比大：波发生器每正时针旋转 180，柔轮逆时针旋转 1个齿数，这也造就了其高传动比，其单级传动比可达 50-500之间。低负载：由于谐波减速器需要借助柔轮变形进行运动传递，如果负载过大将导致柔轮变形不均匀，且反复的高速变形使得其比较脆弱，因此其承 载力有限。 东吴证券研究所 行业深度报告 12 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2） RV 减速器： 由两个减速部构成，在第一减速部中，输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速；在第二减速部中，有一个曲柄轴与直齿轮相连接，在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装 RV 齿轮，曲柄轴会带动 RV 减速机做偏心运动，当曲柄轴转动一周， RV 齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿，从而达到减速效果。 RV 减速器与谐波减速器一样，具有精度高、单机传动比大等特点；但相较于谐波减速器， RV 减速器组成更加复杂，导致体积和重量较大，且由于不存在变形运动因此具有更高的刚性和扭矩承载能力，主导重负载精 密减速器领域。 图 11： 精密减速器包括谐波减速器与 RV 减速器，但其工作原理和应用场景存在区别 数据来源：绿的谐波招股书，东吴证券研究所整理 基于以上分析，由于谐波减速器承载力有限，但重量、体积较小； RV 减速器具有更高的承载力，但重量、体积较大，因此两种减速器短期内呈现互补、而非替代关系。一般来讲，负载 10kg以下工业机器人主要使用谐波减速器； 10-20kg高负载的工业机器人小臂、手腕关节可以采用谐波减速器；负载 30kg 以上的，在其轻负荷的末端关节上也能够使用谐波减速器；而如基座、大臂、肩部等重负载部位多使用 RV 减速器。 而在人形机器人的特殊应用场景下，我们判断应该会同时或单一使用到谐波减速器和 RV 减速器，但数量和具体使用部位会与每家公司的设计息息相关。例如优必选 Walker X 每条腿使用了 6个谐波减速器，而美国敏捷机器人 Digit每条腿会使用 4个谐波减速器。 东吴证券研究所 行业深度报告 13 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2.1.2. 全球精密减速器被日本垄断，近年国产化率逐步提升 从竞争格局来看，全球机器人减速器市场呈现高度集中状态，几乎被哈默纳科和纳博特斯克垄断。 工业机器人减速器市场分析与产业供需格局研究报告（ 2018年）显示，日本纳博特斯克是生产 RV 减速器的世界巨头，约占 60%的全球减速器市场份额；哈默纳科则是谐波减速器领域的龙头，约占 15%的全球减速器市场份额。除此之外，日本住友 RV 减速器和新宝谐波减速器合计占全球 10%市场份额，全球减速器市场呈现出日本企业高度集中的局面。 国内减速器市场得益于绿的、双环等龙头的带动，近年来国产化率持续提升。 根据高工机器人研究统计，谐波减速器方面， 2021年日本哈默纳科和新宝在中国的销量市占率分别同比下滑 1.5pct和 1.6pct，绿的谐波销量市占率同比提升 3.7pct； RV减速器方面，2021年纳博特斯克在中国的销量市占率同比下滑 3.0pct，双环传动销量市占率同比提升5.75pct。从产品类型来看，技术难度相对较低的谐波减速器国产化进程相对迅速。 图 12： 2020年谐波减速器国内市场销量占比情况 图 13： 2021年谐波减速器国内市场销量占比情况 数据来源：高工机器人研究所，东吴证券研究所 数据来源：高工机器人研究所，东吴证券研究所 图 14： 2020年 RV减速器国内市场销量占比情况 图 15： 2021年 RV减速器国内市场销量占比情况 数据来源：高工机器人研究所，东吴证券研究所 数据来源：高工机器人研究所，东吴证券研究所 哈默纳科37%绿的谐波21%新宝9%来福6%福德5%大族4%其它18%哈默纳科36%绿的谐波25%来福8%新宝7%同川6%大族4%福德4%其它10%纳博特斯克55%双环传动9%住友7%中大力德6%南通振康5%珠海飞马4%秦川2%其它12%纳博特斯克52%双环传动15%住友5%珠海飞马4%中大力德4%南通振康4%智同3%秦川3%其它10% 东吴证券研究所 行业深度报告 14 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 关键参数指标相近，实际使用性能仍有较大差距。 在比较国内外各品牌同类产品的指标时，可以发现传动精度、减速比、扭矩刚度等关键指标参数已十分接近，但真实差距体现在指标之外，在真实使用过程中，寿命、精度、故障率等方面仍有较大差距。 根据我们的产业链调研，以哈默纳科和国内品牌为例，实际使用差距主要体现在两方面：1）哈默纳科谐波减速器在其全生命周期中可保持零故障，而国内品牌仍有故障率； 2）在相同环境下，哈默纳科谐波减速器的寿命是国内减速器的 1-2倍，在越恶劣的工况下寿命差距越大。 图 16： 国内外各品牌同型号谐波减速器关键参数对比 数据来源： 高工机器人整理，东吴证券研究所 图 17： 国内外各品牌同型号 RV减速器关键参数对比 数据来源：高工机器人整理，东吴证券研究所 2.1.3. 考虑到人形机器人需求， 2025年全球谐波减速器市场空间有望达 147.5亿元 工业机器人、协作机器人为谐波减速器提供基础市场，人形机器人提供增量市场。工业机器人：根据 IFR 预测， 2020-2025 年全球工业机器人销量 CAGR=8%；协作机器人：人机交互需求提升 +资本涌入，市场规模加速膨胀，根据 IFR预测 2020-2025年全球协作机器人销量 CAGR=21%；人形机器人：根据我们对目前产业形式的判断，保守预计至 2025年人形机器人销量为 50万台，与工业机器人相当。 东吴证券研究所 行业深度报告 15 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 按照一台工业机器人搭载 3.5台，一台协作机器人搭载 7台谐波减速器来计算，一台人形机器人搭载 10 台谐波减速器计算 ，则可得 2022-2025 年全球机器人用谐波减速器需求量将分别达 182/299/467/738万 台， CAGR=59.5%。再按照谐波减速器单价约 2000元 /台测算，则可得 2022-2025 年全球机器人用谐波减速器市场规模将分别达36.3/59.8/93.4/147.5亿元。 图 18： 考虑人形机器人 需求， 2025年全球谐波减速器市场空间有望达 147.5亿元 数据来源： IFR，东吴证券研究所测算 2.2. 控制器 &伺服系统：机器人实现运动功能的核心部件 机器人的运动控制主要通过控制器和伺服系统共同完成，而伺服系统 主要包括伺服驱动器和伺服电机。 运动控制上游包括各类电子元器件，如 PCB 面板、 IC 芯片、晶体管、电阻电容等，中游核心部件包含运动控制器、伺服驱动器、伺服电机，下游运用于工业机器人、半导体、机床等各行各业。 图 19： 运动控制系统应用原理 数据来源：雷赛智能招股书，东吴证券研究所 东吴证券研究所 行业深度报告 16 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2.2.1. 控制器：机器人运动控制的“大脑” 运动控制器是根据指令和传感信息控制机器人完成任务的装置，由控制板卡和算法控制软件组成，技术路线包括 PLC、 PC-based和嵌入式控制器三种。 其中 PC-Based能够实现更为复杂的运动控制，目前已成为发展最快的运动控制器，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控制将迎来更为广阔的发展。 图 20： 控制器分类及特点介绍 数据来源：雷赛智能招股书，东吴证券研究所 控制器作为机器人的大脑，对机器人的运动性能起着决定性的影响。 工业机器人控制器主要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。而对于不同类型的机器人，其控制器类型与设计方案也有所不同。例如直角坐标机器人售价低，运动控制相对简单，多采用工控机 +运动控制卡的方案；而在多关节机器人和SCARA的场景下，由于机器人结构紧凑，运动控制较为复杂，多采用示教器 +嵌入式控制器的方案。近年来随着工业机器人的市场扩张，机器人控制器市场需求也稳步增长。根据中商产业研究院统计， 2022 年国内工业机器人控制器市场规模有望达 16.2 亿元，2017-2022年复合增长率为 9.1%。 图 21： 2022 年国内工业机器人控制器市场规模有望达16亿元 图 22： 国内工业机器人控制器市 场四大家族合计市场份额占有率超过 50%（ 2020年） 数据来源：中商产业研究院，东吴证券研究所 数据来源：埃夫特招股书，东吴证券研究所 东吴证券研究所 行业深度报告 17 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 工业机器人控制器多为本体厂商自制，竞争格局与本体类似。 目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发，以四大家族和国内主流品牌为例，已均基本实现自主生产。因此从竞争格局来看，工业机器人控制器市场份额与工业机器人匹配， 2020年四大家族合计市场份额占有率达到 50%以上。 国内外差距主要集中于软件算法，近年来国内企业加速布局。 从产品差距来看主要体现在软件和算法方面，采用的硬件平台与国外差距不大。一方面国外品牌天然具有先发优势；另一方面软件算法等二次开发需要大量的经验积累，而国外品牌工业机器人占据市场主导地位，能够在更多更高端的场景下进行开发试错，因而能够更加迅速的成长迭代。近年来国内企业加速布局控制器市场，例如埃斯顿收购 TRIO，埃夫特战略投资 ROBOX，并成立子公司瑞博思，逐步追赶国外品牌的步伐。 图 23： 国内企业加速布局工业机器人控制器 数据来源：埃夫特 招股书，东吴证券研究所 2.2.2. 伺服系统：机器人运动控制的“神经系统” 伺服系统主要包括伺服驱动器和伺服电机，是工业自动化设备的“神经系统”。 伺服系统是指以物体的位置、方位、状态等控制量组成的，能够跟随任意变化的输入目标或给定量的自动控制系统，主要包括驱动器和电机两部分。伺服系统可按照控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，通过驱动装置对电机输出力矩、速度和位置的控制量，最终形成的机械位移能准确地执行输入指令要求。伺服系统决定了自动化机械的精度、控制速度和稳定性，因此是工业自动化设备的核心。 下游需求 升级，市场规模逐步扩大。 伺服行业下游应用行业随高精密设备需求的不断提升，实现了从纺织、包装、印刷等传统领域向电子设备制造、工业机器人等新兴领域的转移。 2019年，电子半导体、机床和工业机器人是伺服应用最主要的三大市场，占比达到 36%。随着伺服系统下游应用的转型升级，市场规模也在逐步扩大。根据中商产业研究院测算， 2022年国内伺服系统市场规模有望达 286亿元， 2017-2022年复合增长率为 24.1%。 东吴证券研究所 行业深度报告 18 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 图 24： 2019年伺服系统下游应用领域占比 图 25： 国内伺服系统市场规模 数据来源： MIR，东吴证券研究所 数据来源：中商产业研究院，东吴证券研究所 外商占据半壁江山，国产奋起直追。 由于内资品牌在技术储备、产品性能、质量、品类上和国外品牌存在一定的差距，且电机编码器芯片依赖进口，国产伺服电机尚不能完全替代国外品牌，欧美和日系品牌仍然垄断着中高端伺服系统市场。 2019 年，松下、安川、三菱 三大 日系品牌 就 占据国内伺服系统全部市场份额的 约 45%，西门子、博世力士乐、贝加莱等欧美系品牌 主要把握高端市场，部分欧美品牌推出中端产品。随着国内电机制造水平的大幅提升，交流伺服技术也逐渐为越来越多的国内厂家所掌握，同时交流伺服系统上游芯片和各类功率模块的不断进行技术升级，促成了国内伺服驱动器厂家在短短的不足十年时间里实现了从起步到全面扩展的发展态势。 图 26： 2015年国内伺服系统主要供应商市场份额 图 27： 2019年国内伺服系统主要供应商市场份额 数据来源：工控网，东吴证券研究所 数据来源： MIR，东吴证券研究所 相较于通用伺服， 机器人用伺服系统对性能等各方面要求更高。 机器人伺服系统通常指用于多轴运动控制的精密伺服系统，其对伺服系统的反应速度、体积、性能等诸多方面均提出更高的要求。 （ 1）快速响应性： 机器人工作节拍快，对伺服系统的反应灵敏 东吴证券研究所 行业深度报告 19 / 30 请务必阅读正文之后的免责声明部分 性要求更高， 一般以伺服电机的机电时间常数的大小来反应伺服电机快速响应的性能；（ 2）高负载运作： 由于大型工业机器人负载量十分 大 ，因此要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小，有足够的起动转矩惯量比。此外工业机器人会进行十分频繁的正反向和加减速运行，并可能在短时间内承受数倍过载； （ 3）体积质量小： 为 配合工业机器人的体型，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短，并且还要经受得起苛刻的，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数倍过载。 正是由于机器人对伺服系统的更高要求，相较于通用伺服，国内外机器人用伺服系统的技术差距更 大 ，这也直接影响到国内外工业机器人性能和稳定性的差距。 近年来汇川技术、埃斯顿、广州数控设备等较大规模伺服电机品牌涌现，目前在中低端伺服领域已经可以实现大规模量产，市场占有率不断提升，并不断投入研发向高端伺服系统迈