【儀表網 儀表下游】工業機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，對其研發、制造、應用的能力，是衡量一個國家科技創新與高端制造水平的重要標志，也是未來我們邁向制造強國的必由途徑，了解我國目前工業機器人處于一個什么樣的水平，與國外差距如何，又存在何等難以解決的痛點，未來的發展趨勢是怎樣的等等問題，才能做出更加準確的決策，讓有限的資源產出最大的價值，以提高整個行業在全球的競爭力。
工業機器人行業發展現狀
1、定義
工業機器人是在工業生產中使用的機器人的總稱，是一種多關節機械手或多自由度的機器裝置，通過編程或示教等方式，可以擁有一定的自動性，依靠自身的動力能源和控制能力，實現各種加工制造功能，替代人類完成繁重、重復、有害等各方面的工作。
目前工業機器人一般可分為多關節機器人、協作機器人、Delta機器人和SCARA機器人四大類。從國內工業機器人市場銷量來看，占比最高的是多關節機器人，在63%左右，其次分別為SCARA機器人、協作機器人和Delta機器人，分別約占30%、4%和3%。
2、我國工業機器人發展歷程
我國工業機器人研究開始于20世紀70年代，直至2000年之前，行業主要以技術研究、市場探索為主，為后續的發展進行技術、人才等多方面的儲備。
2000年到2010年，在汽車等主要應用領域較為低迷的情況下，國內工業機器人年均銷量僅為數千臺，這一階段主要是外資在加速布局國內市場，而國內供應商主要做集成和代理。
2010年到2013年，隨著下游汽車、3C等行業需求的高速增長，推動了國內工業機器人快速發展，銷量開始超過萬臺，一些內資集成企業發展到了一定程度，開始謀求向中上游拓展。
2013年到2017年，國家對機器人的支持補貼政策密集出臺，汽車、3C電子行業景氣度高，長尾市場也逐漸打開，終端用戶使用機器人的意愿大幅增長，5年來的年均增速達到了43%，我國工業機器人產銷量呈爆發式增長。
2018年到2019年，由于國家補貼的減少以及貿易摩擦的影響，國內汽車、3C電子等機器人下游應用行業發展受限，機器人需求增速放緩。
2020年疫情爆發，整體經濟受到打擊，不過隨著疫情得到控制，需求開始反彈，同時伴隨著新能源等行業的大力發展，國內工業機器人增速再次抬頭，2020年國內工業機器人產量達到了237068臺，同比增長19.1%。
2021年國內工業機器人需求持續高速增長，據國家統計局數據，今年1-9月總產量達到26.87萬套，同比增長57.8%，預計未來三到五年，國內工業機器人仍將保持超過35%的高速增長。
主要邏輯有：一是人口紅利褪去，用工成本持續增加；二是智能制造產業升級的需求；三是工業機器人規模效應凸顯，性價比提高；四是工業機器人技術更加成熟，應用領域增加；五是國產替代的加速。
3、工業機器人市場情況
全球對機器人行業的未來發展持樂觀態度，此前央視財經曾報道，2020年全球機器人市場規模為250億美元，約合人民幣1600億元，預計到2030年，該數字將擴大十倍，達到2600 億美元，約合人民幣1.7萬億元。
在今年世界機器人大會上發布的《2021中國機器人產業發展報告》顯示，2021年，我國機器人市場規模預計為839億元，其中工業機器人445.7億元，預計到2023年，將突破589億元；另外德邦證券研報顯示，到2023年，我國工業機器人市場規模將突破100億美元(約638億人民幣)。
從供需上看，國內工業機器人穩定增長，2015-2020年，產量由3.3萬臺提升至23.7萬臺，年均增長率達48.3%；銷量從6.9萬臺提升至17萬臺，年均增長率為19.8%；出口方面，2015-2020年，國內工業機器人出口量由1.2萬臺提升至8.1萬臺，年均增長率為46.5%，出口量在全球占比由4.6%提升至20.4%，增長約16個百分點。
從安裝量上看，據國際機器人聯盟(IFR)發布的數據顯示，目前在中國工廠運行的工業機器人數量達到創紀錄的943000臺，增長了21%，并且還在持續高速增長，在2020年，全球新設工業機器人38.35萬臺，疫情之下也同比增加0.5%，主要得益于中國需求的大幅增加，有超過40%的新型機器人，約16.84萬臺被設置在中國工廠。
從營收規模上看，據工信部數據，2020年，全國規模以上工業機器人制造企業營業收入531.7億元，同比增長6.0%，實現利潤總額17.7億元，同比下降26.9%，總體利潤率較低，此外，從今年以來的數據上看，國內工業機器人企業凈利潤依舊在持續降低，市場增大、利潤不足的情況短時間難以緩解。
從應用分類上看，近年來工業機器人應用領域在持續拓展，非汽車領域應用占比逐步增加。數據顯示，汽車行業占比降到了29%，3C電子行業為23%，金屬制造領域超過了12%，鋰電、食品領域應用分別超過了5%。
未來工業機器人應用將繼續拓展到更多行業領域，《全球工業互聯網應用案例分析報告》數據顯示，目前工業互聯網應用企業主要集中在機械行業，占比36%，其次為能源行業，占比22%，再次是輕工業，占比11%，除此之外，其余行業的工業互聯網滲透率普遍偏低，而工業互聯網的前提是工業機器人等自動化設備和智能控制系統，因此從這一角度上看，未來中長期工業機器人的市場需求同樣強烈，足以保持相對穩定的市場增量。
如今，在中國的內外資工業機器人企業都在努力擴產，據統計，目前四大家族在國內實現的年產能約為15萬臺，最晚到2025年，產能將超過50萬臺；而國內工業機器人主要供應商目前實現年產能約4萬臺，預計到2025年產能將達到25萬臺。
今年以來，工業機器人獲得了資本的青睞，據不完全統計，今年前三季度，工業機器人領域就發生了70起融資事件，總融資額超過了125億人民幣，已經追上了去年一整年的融資金額，創下又一個融資巔峰記錄。
工業機器人產業鏈發展概況
工業機器人產業鏈主要分為上游核心零部件、中游本體制造以及下游系統集成三個環節。
上游核心零部件：包括減速器、伺服系統、控制器，直接決定了工業機器人的性能、可靠性、負載能力等主要技術指標，占工業機器人總體成本的66%。
中游本體制造：涉及工業機器人整機結構設計和加工工藝，對工業機器人的穩定、精度等也有重要影響，成本占比在25%左右。
下游系統集成：面向終端用戶，根據需求實現焊接、裝配、檢測、搬運、噴涂等工藝或功能，成本占工業機器人整體不到10%。
1、上游核心零部件
上游核心零部件是工業機器人最為關鍵的技術，也是國內外差距最大的領域，工業機器人大型企業往往通過掌握關鍵零部件技術打造核心競爭力。
減速器方面：目前全球大部分市場被日本的哈默納科(諧波減速器)、納博特斯克(RV 減速器)所占據，比例都在7成以上，國產化率不足30%，從分類上看，諧波減速器的國產化率相對較高，而RV減速器的技術門檻較高，國產化率相對較低。
數據顯示，2020年，全球機器人減速器需求量為223萬臺，其中諧波減速器需求量為110萬臺，RV減速機需求量為113萬臺，如果分別按均價3000元、6500元的價格測算，則2020年全球諧波減速器市場規模為33億元，RV減速機市場規模73.45億元，合計為106.45億元。
伺服系統方面：伺服系統是工業機器人主要的動力來源，也是控制設備實現精確運動與定位的必要系統，一般由伺服電機、伺服驅動器、編碼器三部分組成。在工業機器人伺服系統中，電機主要采用永磁同步交流伺服電機，伺服驅動主要以總線通訊形式實現對位置、速度和轉矩單元的控制，編碼器主要采用多圈絕對值編碼器。
在伺服系統里面，伺服電機最難掌握，目前超過90%需要依賴進口，典型生產廠家有安川、西門子、三菱、松下、倫茨、路斯特等，國產的電機在技術標準、設計選料、制造工藝等多方面與國外先進水平都有較大差距，這些導致國產電機在穩定性、持久性、噪音、功率等方面都有所不足，只能用于一些低端產品。
控制器方面：控制器是根據反饋信號控制機器人的執行機構，相當于工業機器人的“大腦”。在三大部件中，控制器的技術難度相對較低，且成本占比不高，但對機器人的工作能力、操作精度、穩定性等關鍵指標同樣有著決定性的作用。
控制器分為硬件和軟件兩部分，在硬件上國內外差距并不大，但在軟件算法和二次開發上依然有較大差距，并且軟件算法最重要的是和機器人本體相匹配，而國內大多數企業并沒有完整的產業鏈，這就導致了國內控制器企業難以形成競爭優勢，所以國產控制器的差距主要是算法和兼容性方面。
2、中游本體制造
中游本體制造負責工業機器人本體的組裝和集成，即機座和執行機構，包括手臂、腕部等，部分還包括行走結構。
目前中游工業機器人本體制造商依然以國外“四大家族”為代表的龍頭企業占據領先地位，國內相關企業體量相對較小，此前國際機械設備統計機構數據顯示，全球工業機器人前十大生產商中，我國僅有埃斯頓一家入圍，排名第八位，占據3.26%的市場份額。
不過在趨勢上，中游環節已呈現國產替代加速的大勢，MIR數據顯示，國內工業機器人企業占國內市場的份額已從2018年的18%提升至2020年的29%。并且從內外資品牌出貨量增長率上也可以看出這點，2021年上半年，內資同比增長109.5%，外資同比增長71%。
主要因素包括：一是本土企業價格更為靈活，性價比高且更懂國內企業需求；二是下游行業細分領域眾多，市場分散、需求多樣，外資企業優勢并不明顯；三是國內用戶對國產工業機器人接受程度提高，在用工成本上升推動的“機器換人”進程中，擁有強烈的降本增效需求。
3、下游系統集成
機器人系統集成是連接機器人本體企業和應用端的“橋梁”，為終端客戶提供應用解決方案，負責工業機器人應用的二次開發，以及周邊自動化配套設備的集成，是工業機器人自動化應用的重要組成部分。
得益于我國擁有全球最完善的制造業產業類別，系統集成是機器人行業最大的市場，并隨著機器人應用領域的拓展而不斷增大，數據統計顯示，我國機器人系統集成商已經超過了3500家，市場規模也超過了600億元。
不過值得注意的是，機器人系統集成的技術門檻較低，競爭十分激烈，導致議價能力較弱，且在不同行業之間橫向拓展困難，企業發展存在一定的瓶頸，目前國內集成商企業規模偏小，營收過億的僅有百家左右，想要突破十分困難。
綜合來看，我國的工業機器人產業鏈在中低端已經有一定的優勢，并借此提高國產化率，同時在發展的過程中，突破工業機器人關鍵技術的研發應用，實現從低端向高端的滲透替代。
此外，從應用領域上看，在汽車、3C等傳統行業，工業機器人的應用已經過了大規模發展的階段，自動化程度相對較高，規模雖大需求量卻較小，且大部分被國外龍頭企業壟斷，難以進入。反而是一般工業領域，由于企業普遍體量較小，對工業機器人的需求呈現訂單分散、價格敏感、標準化低的特點，這種“長尾客戶”并不是國外龍頭企業的客戶，反而國內工業機器人企業擁有性價比高、服務及時等本土優勢，更能解決這些客戶的需求，是一個相對較好的切入點。
工業機器人行業痛點分析與發展趨勢
1、工業機器人行業痛點
一是人才極度缺乏。經過多年的努力發展，如今我國制造業已經跨過了第一階段的勞動密集型產業、第二階段的資本密集型產業，來到了第三階段的智力密集型產業，也就是高端制造，在這一階段，行業對人才的定位已經改變了，也就是說現今的大多數人才，與接下來行業的需求并不匹配，導致出現人才極度缺乏的狀況。
從最基本的操作和編程，到整個機器人系統的復雜調試、維護，我們在研究人才、工程人才、操作人才等全方位存在稀缺痛點，然而相應的人才教育培訓體系卻沒有建立起來，導致人才問題將成為未來工業機器人發展的最大阻礙。
《制造業人才發展規劃指南》指出，到2025年，高檔數控機床和機器人有關領域人才缺口將達450萬人，同時還指出，2020年制造業十大重點領域人才短缺將超過1900萬，在2025年這個數字將近3000萬。
二是核心技術太過弱勢。我國是最大的工業機器人市場，但國內企業卻相當弱勢，這主要是缺乏核心技術的積累，同時配套能力也不夠強，如高端芯片、操作系統、控制器、減速機、電機、精密加工技術等等都需要依賴進口，這些導致產品成本過高，利潤不足，于是大量工業機器人企業舉步艱難，發展緩慢。工信部數據顯示，2020年全國規模以上工業機器人制造企業營業收入531.7億元，利潤總額17.7億元，利潤率僅3.3%。
三是產業投資太少。包括機器人企業和投資機構，各方面對工業機器人產業的投資都太少，導致產業發展緩慢，對比當年千億萬億的資金進入互聯網和移動增值行業的風潮，目前進入機器人行業的資金太少了，也就是在去年和今年才堪堪超過了百億級別，沒有資金，導致人才稀少，然后研發緩慢，由此進入惡性循環，資金缺少是工業機器人發展緩慢的一個關鍵點。
2、工業機器人發展趨勢
一是提高工業機器人的智能化技術。工業機器人是先進制造業的代表，提高智能化程度可以提高工業機器人的工作能力和使用性能，推動制造業向著真正無人化、自動化的目標前進，智能化將是機器人發展的大趨勢，事實上目前行業內一直在推進這方面的研究，比如將人工智能與機器人結合，還有云化機器人及工業機器人云平臺等方式。
二是協作機器人成為工業機器人的重要創新方向。制造業網絡化、智能化發展趨勢顯著，在更加復雜的離散型場景中，安全的人機協作需求不斷增長，以完成更精確、更靈活的工作。傳統的工業機器人需要在隔離環境中作業，極大地限制了工業機器人的應用效果和應用場景，隨著技術的成熟，工業機器人的生產力和可靠性大幅提升，將會推動更加適應智能制造應用場景的協作機器人產業發展。
結語
我國是制造業大國，制造業增加值已連續11年位居世界第一，并且是全球唯一一個擁有聯合國產業分類中所列全部工業門類41個工業大類、207個中類、666個小類的國家，具有世界上最為健全的工業體系。
正是得益于此，我國工業機器人才發展迅速，占據了全球市場的四成份額，在此前制定的“中國制造2025”中，2025年工業機器人的目標產量是26萬臺，而今年的前三季度工業機器人產量就已達到了268694臺，提前四年就超額完成了數量指標，可見發展速度之快，遠超預期。
但另一方面，我國制造業也好，工業機器人也罷，都是大而不強，面臨諸多挑戰，如核心技術難以突破，被供應鏈卡脖子，企業盈利能力不足，研發資金、人才短缺問題，另外還有人口紅利不再、用工成本增加、原材料價格上漲、客戶需求多樣化、產品周期縮短等等客觀問題，都在阻礙著機器人產業的進一步發展。
綜上所述，對于工業機器人發展的預期，在市場規模上，我國工業機器人發展的速度會比預期快，未來幾年依然會繼續保持高速增長；在技術積累上，門檻較低、淺層次的技術，發展也會比預期的快，深層次的、需要產學研合作攻克的核心技術，發展則會比預期的慢。
在這種情況下，想要工業機器人產業長久健康發展，必須加大研發投入，突破技術壁壘，提高盈利能力，緩和產業鏈發展不平衡的矛盾，堅定走“技工貿”的路線，開發新技術、新產品，以獲得高利潤，從而帶動整個工業機器人產業的正向循環發展。
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