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工業機器人細分領域龍頭初現,國產替換確定性強

一.全面進入工業化后期,機器換人是大勢所趨

1.1 疫情不改行業復蘇,制造業景氣度持續回升

我國工業機器人產量自2019年10月走出2018年9月以來的低迷負增長階段,期間雖在2020年初受到新冠疫情影響,但不改行業整體復蘇態勢,行業自2019年10月以來,產量同比增速屢創新高,2021年3月工業機器人產量為 3.3 萬臺,同比增長80.8%。

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全球銷量方面,2018年四季度以來,工業機器人行業受下游汽車和3C行業不景氣影響較大,對2019年工業機器人產銷量造成一定的影響,銷量同比下滑11.61%,但隨著持續的自動化趨勢及技術改進,2020-2022年均增長率能夠保持在11.97%,2022年全球工業機器人銷量有望達到59.3萬臺。

從下游需求來看,全球范圍內制造業投資保持復蘇態勢,從全球主要國家制造業PMI指數來看,4月英國制造業PMI達到創26年內新高的60.9;美國PMI自去年3月以來連續14個月處于50以上。國內方面,我國制造業PMI自2020年3月以來持續維持在榮枯線之上,2021年3月制造業固定資產投資額累計同比回升至29.8%。從工業機器人應用占比最大的汽車制造業和3C行業固定資產投資增速來看,汽車制造業固定資產投資方面,受益于各地出臺相繼出臺的汽車消費促進政策,汽車制造業固定資產投資累計增速降幅持續收窄,2021年3月為-3.3%;3C制造業去年4月以來固定資產投資穩步復蘇,到3月累計同比提升40.4%。整體來看,下游制造業應用端景氣度保持持續回升態勢。

1.2 人口紅利逐漸消退,機器換人是確定趨勢

利好政策頻出,國家大力支持工業機器人發展。我國已連續多年成為全球工業機 器人最大市場,工業機器人作為實現自動化生產的終端設備,在制造升級中扮演 著至關重要的角色。政府多次出臺政策大力支持我國工業機器人行業發展,國務院提出的《中國制造 2025》明確了制造升級的發展方向,工業機器人是重中之重。 隨著中國智造升級的產業政策和下游行業的需求增長,預計到 2025 年我國制造 業重點領域將全面實現智能化,其中關鍵崗位將由機器人替代。同時,隨著工業機器人的價格下降、性能提升、應用領域擴大,工業機器人行業將繼續保持較快增長的勢頭。2020年5月,兩會再次提出要扶持工業機器人核心零部件產業發展,看好未來國內工業機器人產業鏈加速閉環。

我國制造業人口紅利優勢逐步消退。中國制造業過去的成長方式主要依靠從業人 口基數大帶來的低成本優勢,而從1994年開始到2019年,中國人口出生率從17.8‰跌至10.48‰,低于2018年全球粗出生率的18.17‰。而出生率的下降直 接導致制造業從業人員工資的增長。我國制造業城 鎮單位就業人員平均工資從2010年的30916元上漲到2019年的78147元,年均復合增速達到10.85%;從勞動力人口結構分布來看,我國15-64歲人口占總人口比例不斷下降,到2019年僅為70.65%,可以看出目前我國人口成本不斷提升,適齡勞動力人口占比不斷走低,我國人口紅利優勢正在逐漸消退。

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價格差距逐漸縮小,機器換人具有較高性價比。從工業機器人價格方面來看,1996年到2019年間,我國工業機器人進口均價已經由4.76萬美元/臺下降到1.63萬美元/臺,工業機器人價格不斷下降與制造業工人工資不斷上升之間形成的剪刀差 正在不斷縮小,考慮到工業機器人代替人工所帶來的效率和安全性等方面的提升,目前機器換人已經具有了較高性價比。

疫情推動制造業自動化升級需求。我國首部機器人產業藍皮書《中國機器人產業發展報告(2019)》主編石勝君先生近期接受采訪時談到,疫情過后,更多行業 也將加速推向“少人化、無人化、智能化”;而在人民網“金臺圓桌”人民戰疫·企業對策共商會上,萬博新經濟研究院院長滕泰先生同樣也表示,疫情結束后,企業會越來越多的采用自動化、機器人、人工智能等現代的管理方法。本次COVID-19疫情中,制造業龍頭企業自動化水平較高,在復工中展示出較大優勢,疫情短期影響過去之后,勢必會促進機器人自動化的進一步應用滲透,會在較長時期內促進制造業自動化率提升。整體而言,機器換人長期趨勢不會改變。

1.3 全面進入工業化后期,對標日本,該階段工業機器人發展迅速

我國全面進入工業化發展后期階段。2019年我國人均GDP為70891.78元,約為10141.89美元,處于錢納里模型中的工業化后期階段;三次產業結構為7.1%∶38.6%∶54.3%,滿足A<10%、I<S,處于錢納里模型中的后工業化階段;2019 年第一產業就業比重為25.1%,符合錢納里模型中的工業化后期標準;我國城鎮化率為60.60%,處于錢納里模型中的工業化后期階段。綜合判斷,我國工業化尚未完成,當前雖全面符合工業化后期標準,但整個“十四五”期間也將仍處于工業化發展后期階段。

借鑒日本發展經驗,我國工業機器人發展前景仍較廣闊

雖然我國是全球工業機器人銷量第一大國,但保有密度仍較低。雖然我國2019年工業機器人銷量達到了14.05 萬臺,占據全球銷量的37.67%,繼續保持全球 工業機器人供應第一大國的位置。但從世界主要國家工業機器人人均保有密度來 看,作為目前全球工業機器人保有量密度最高的新加坡已經達到了918臺/萬人,相比之下,2019 年我國工業機器人保有密度雖較去年提升47臺/萬人,達到187臺/萬人,但仍遠低于韓國(855)、日本(364)、德國(346)等較發達國家,未來國內工業機器人仍有巨大的增量空間。

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我國工業機器人目前發展背景與當初日本極為相似:人工成本急劇上升、產業結 構升級、國家專項政策支持。按照錢納里工業化模型,日本在1970年左右進入工業化后期階段。該階段作為智能化、自動化生產代表設備之一的工業機器人產品進入需求爆發增長期。其機器人保有量在1970-1980年間年均復合增長率超過50%。

1.4 下游應用領域結構升級仍有空間

工業機器人下游應用領域中,汽車和3C領域占比最高。2019年汽車與3C行業合計占比超過50%以上,其中汽車制造業是工業機器人應用最廣泛、最成熟、數量最多的工藝領域,占比達到28.15%。3C行業由于產品 制造對生產效率和精度要求較高,而工業機器人的特點符合其高精度、高柔性的要求,其下游應用占比達到23.59%,位列第二位。

新能源汽車、5G手機加速滲透,工業機器人需求有望回暖。過去幾年,受限于傳統燃油汽車和3C行業增速放緩,市場對工業機器人需求呈現疲軟態勢,不過隨著各國相繼推出新能源汽車發展規劃以及5G商用牌照陸續發放,新能源汽車 和5G手機的加速滲透將支撐工業機器人需求的持續回暖。

無線耳機滲透率仍較低,未來 3C 行業占比有望再次提升。自2016年蘋果推出Airpods無線耳機以來,全球無線耳機出貨量始終保持三位數增長態勢,2020年全球無線耳機出貨量為2.7億套,同比增長105.4%。我們認為,目前無線耳機的滲透率仍較低,隨著未來技術愈發成熟以及價格逐漸降低,無線耳機出貨量持 續增加將帶動3C行業對工業機器人新的需求,成為工業機器人新的增長點。

縱向對比,應用領域結構升級值得關注。通過與2018年下游應用結構占比進行對比,我們可以發現,雖然2019年汽車和3C兩大領域仍然占據第一、二位,但對比2018年,2019年兩大領域應用占比分別下降9.29%、2.69%,而在未分類 領域應用占比上漲9.45個百分點,說明目前全球工業機器人下游應用領域出現逐步擴散趨勢,未來工業機器人應用領域結構升級值得關注。

二.工業機器人細分行業分析

目前工業機器人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。

從國內工業機器市場銷量來看,2020年銷量占比最高的是6軸多關節機器人,市場銷量約為10.78萬臺,占比約為62.88%,其次分別為SCARA機器人、協作機器人和Delta機器人,分別占比29.49%、4.38%和3.24%。

2.1 多關節機器人

多關節機器人一般指擁有6個旋轉軸的關節機械手臂,其優勢在于類似于人手擁有很高的自由度,適合于幾乎任何軌跡或角度的工作。通過搭配不同的末端執行器,多關節機器人可適用于裝貨、卸貨、噴漆、表面處理、測試、測量、弧焊、 點焊、包裝、裝配、切屑機床、固定、特種裝配操作、鍛造、鑄造等大量應用場景。

受限于傳統汽車需求見頂,多關節機器人增長放緩。從6軸多關節機器人出貨量來看,由于多關節機器人多應用于汽車制造業,近年來隨著汽車制造業固定資產投資逐漸放緩,行業對上游多關節機器人需求也逐漸放緩。未來新能源汽車占比 的不斷提升有望重新帶動多關節機器人市場需求的提升。

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>20kg 多關節機器人由外資品牌主導,小負載競爭格局較為激烈。2020 年我國 20 公斤以上 6 軸機器人市場份額為44421臺,其中份額前五位的發那科、安川、庫卡、川崎、ABB均位外資品牌,合計占據市場份額約 70%,該領域中,國產龍頭埃斯頓僅占據 6.9%的市場份額。 而在小負載(≤20kg)領域,競爭格局相對分散,競爭較為激烈,行業CR5為50.8%,該領域中,內資品牌能夠占據一定的市場份額。

2.2 協作機器人

協作機器人(Collaborative robot)指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交 互的機器人。與傳統機器人不同,協作機器人具有很強的獨立性,機器人和人之 間可以互換,在生產過程中靈活性非常高。不過其缺點也很明顯,在與人協作過 程中,未來保護人的安全,對機器人控制能力和防碰撞能力都提出較高要求,因 此協作機器人運行速度普遍只有傳統機器人的 1/3-1/2。此外,為了減少機器人運 動時的動能,其設計結構一般較為簡單、重量較輕,這就導致其負載一般只能在 10kg 以下,應用場景受到限制。

協作機器人出貨量快速增長,遨博、優傲占據市場2/3。協作機器人市場規模從2016年的1714臺快速增長到2020年的7514 臺,年復合增速達到44.70%,預計到2022年,我國協作機器人市場規模有望增長到9426臺。從市場結構來看,行業內兩大領導者遨博和優傲分別占據33.3%和30%,合計占據我國協作機器人市場份額的2/3。

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2.3 Delta機器人

并聯機器人是指手臂含有閉環結構桿件的機器人,由動平臺、靜平臺和至少兩個獨立的運動支鏈構成,行業內通常將具有3個空間自由度和1個轉動自由度的并聯機器人叫做Delta機器人,從產品結構上來看,Delta機器人占據并聯機器人市場份額的60%-70%。與傳統串聯機器人結構不同,并聯機器人其中一個軸的運動不會改變另一個軸的坐標原點。

并聯機器人體量較小,常被用于分揀包裝。2020年Delta機器人市場規模為5563臺,僅占2020年全國工業機器人市場規模的3.24%。體量較小主要由于并聯機器人造價過高,以應用最多的 Delta 機器人為 例,其造價普遍在 10 萬元左右,而進口水平關節機器人單價在 5 萬元左右,雖 然并聯機器人在運動速度上優勢明顯,但水平關節機器人在精度更高的同時,性 價比優勢更高,未來并聯機器人還需要進一步降低生產成本,憑借較為接近的性 價比刺激下游需求。

2.4 SCARA機器人

SCARA機器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm,選擇順應性裝配 機械手臂)屬于平面關節型工業機器人,結構包括3個相互平行的旋轉關節和1個垂直于平面的移動關節,分別用與對平面上物體的定位和工業機器人垂直平面 內的運動。

市場規?焖僭鲩L,3C行業SCARA機器人需求大。SCARA機器人具有負載小、速度快的產品特點,主要被應用在3C行業、食品行業、半導體行業和醫療行業等,其中3C行業一條電子生產線上所需機器人數量往往達上百臺以上,其對SCARA機器人需求量最大,占比約為60%。從市場規模來看,2016年以來我國SCARA機器人市場規模從18779臺增長到50574臺,年符合增速達到28.10%。 預計到2022年,我國SCARA市場份額有望達到58278臺。

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愛普生、雅馬哈占據市場半壁江山,匯川為國產龍頭。目前我國SCARA機器人市場已基本形成由愛普生、雅馬哈兩家外資企業主導的格局,2020 年兩家企業合 計占據中國市場份額的50%,其中愛普生自2011年起一直保持全球 SCARA 機 器人市占率第一名,是全球范圍內行業絕對龍頭。國內企業由于起步較晚,從出貨量上來看國內企業市場規模較小,其中匯川技術是內資龍頭企業,2020年出貨 量達到3535臺,占比約為7%。

三.細分領域龍頭初現,國產替換確定性強

自2013年起,中國已經成為全球最大的工業機器人市場。2015年至2018年中國的工業機器人安裝量分別為6.85萬臺、9.65萬臺、15.62和15.40萬臺。工業機器人本體方面,2019年國內市場中國內外的機器人本體市場份額(以 臺數計算)為29.7%,較2015年的18.6%有明顯提升。

3.1 工業機器人產業鏈情況

目前工業機器人產業鏈主要可分為上游核心零部件、中游本體制造和下游系統集 成三大方面。從成本角度來看,三大零部件是工業機器人成本占比較大的部分, 尤其是減速器成本占比已經超過了本體的比重,達到32%,另外兩大核心零部件 伺服系統、控制器分別占比工業機器人成本的22%和12%。

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市占率方面,全球工業機器人市場主要被四大家族(瑞士ABB、德國庫卡、日本 發那科、日本安川)占據,四家企業合計占據全球50%以上、國內60%左右的份額。從產業鏈環節來看,四大家族在上游零部件和中游機器人本體制造環節占據主導地位,而國內企業由于自主核心技術較少、機器人技術水平較低、產品主要 面向低端產品。不過隨著近年來國產機器人自主化率不斷提升,雖然外資仍然占 有優勢地位,但國產企業將憑借成本和服務優勢逐漸向核心零部件領域發展,目前國內已經出現一批具有較強實力的核心零部件企業。

從盈利能力角度來看,工業機器人上游零部件、中游本體和下游集成領域的盈利 能力具有一定差異。其中處于中游本體領域的企業毛利率、凈利率水平相對較低, 零部件和集成領域憑借其較高的工藝要求和客戶資源優勢盈利能力較強。

3.2 上游核心零部件

3.2.1 核心零部件一:減速器

目前應用于機器人領域的減速機主要分為諧波減速器、RV 減速器兩種。在關節型機器人中,由于RV減速器具有更高的剛度和回轉精度,一般被放置在機座、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。

全球減速器市場中諧波減速器行業龍頭為哈默納科,RV減速器的行業龍頭為納 博特斯克,目前在精密機器人減速器市場中,上述兩家公司憑借雄厚的資本實力 和長期的技術積累,占據了全球工業機器人減速器市場 75%左右的份額。國產減 速器龍頭為綠的諧波,雖然其較早地完成了工業機器人諧波減速器技術研發并實 現規;a,實現了對進口產品的替代,但分析其減速器產品出口均價我們可以發現,公司銷售給境外的諧波減速器平均價格低于銷售給境內的客戶,主要原因是銷往境外的產品主要是Universal Robots購買的小型諧波減速器。

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3.2.2 核心零部件二:伺服系統

伺服系統是指以物體的位置、方位、狀態等控制量組成的,能夠跟隨任意變化的輸入目標或給定量的自動控制系統,主要包括驅動器和電機兩部分。伺服系統可按照控制命令的要求,對功率進行放大、變換與調控等處理,通過驅動裝置對電 機輸出力矩、速度和位置的控制量,最終形成的機械位移能準確地執行輸入指令 要求。

2018 年交流伺服系統市場規模69.42億元,同比增速3.93%;其中,用于工業機器人領域的交流伺服系統市場規模為21.50億元,占比30.97%。隨著伺服系統將在交流伺服市場規模比重中逐漸上 升,到 2023年,機器人用伺服系統市場占比有望提升至40%以上,市場規模達到41億元。

國產工業機器人用伺服系統市場占比為22.34%,絕大部分市場份額仍由外資占 據。2018年以日本松下、安川、三菱等為代表的日系品牌占據國內伺服系統全 部市場份額的47%左右,西門子、博世力士樂、貝加萊(B&R)等歐美系品牌主要 把握高端市場。國產品牌在技術儲備、產品性能、質量上與國外品牌存在較大差 距。但近年來伺服系統的本土化生產速度不斷加快,匯川技術、埃斯頓、雷賽智 能等國產品牌快速發展,市場份額占比穩步提升。

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3.2.3 核心零部件三:控制器

控制器包括硬件和軟件兩部分:硬件部分主要是工業控制板卡,包括一些主控單元、信號處理部分等電路;軟件部分主要是控制算法、二次開發等。雖然控制器成本與技術門檻相對較低,但目前大部分中國控制器企業只生產通用控制器,成 熟的機器人廠商為了保證機器人的穩定性一般自行開發控制器,因此專注于工業機器人控制器領域的企業數量較少,所以控制器的市場份額基本跟機器人本體保 持一致。

控制器主要有PLC控制、PC-Based控制和專用控制,分別占比約30%、32%和38%, 工業機器人主要使用PC-Based控制器和專用控制兩種。其中PC-Based控制器科提供地城函數路進行靈活的二次開發和編程,可以實現更為復雜的運動控制。

目前國產控制器已經可以滿足基本要求,但在控制系統的研發方面仍與國外企業有一定的差距,國產控制系統憑借較高性價比在低端領域占有一定優勢。未來隨著工業機器人智能化和柔性化發展的要求,控制器逐漸向標準化和開放化發展,國產控制系統將迎來發展機會

3.3 中游工業機器人本體

工業機器人本體生產商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,部分機器人本體還包括行走結構。按機械結構分,工業機器 人可以分為直角坐標機器人、SCARA 機器人、關節型機器人、圓柱坐標機器人等。我國工業機器人銷量結構以坐標機器人和關節機器人為主,占比達到 80%。

內資品牌機器人銷售占比不斷上升。2015年到2019年國產機器人本體的內資市 場份額由18.6%提升至30.3%,2020年內資占比略有下降為28.6%。目前內資工業 機器人本體制造仍主要集中在中低端市場,高端應用市場仍然被發那科、庫卡、 ABB、安川四家企業占據。

高端市場被“四大家族”壟斷,埃斯頓進入全球前十。2020年“四大家族”合計共占據市場份額的36%,分別為發那科(14%)、ABB(8%)、安川(8%)、庫卡(6%)。國產龍頭埃斯頓市場份額為3%,排名第八位,是前十名中唯一一家內資品牌。

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3.4 下游工業機器人集成領域

工業機器人企業主要集中在系統集成領域。系統集成和應用,該階段主要根據 不同的應用場景和用途對工業機器人本體的基礎上進行有針對性地系統集成和軟 件二次開發,將機器人本體和附屬設備進行系統集成,使其擁有特定的工作能力。

2019 年中國工業機器人系統集成市場規模為1857億元,其中80%的市場份額被本土工業機器人系統集成商占據,較2018年提升了兩個百分點。我們認為,隨著5G技術帶動3C行業的再次提速,系統集成需求也有望持續提升,到 2022年工業機器人系統集成市場規模有望突破2000億 元。

截至2020年6月,MIRDATABANK數據庫共收錄9456家工業機器人系統集成商。其中長三角地區、珠三角地區為兩大集聚區域,兩地區廠商合計占比超過70%。 其中30%集中在廣東省,41.4%集中在江浙滬地區,5.1%集中在京津冀地區,與全國工業機器人產業園分布情況高度吻合。

國內系統集成商數量多、規模小,且集中在中低端領域。目前我國工業機器人系統集成商主要以內資為主,2019年內資品牌共占據國內約80%的市場份額,企業規模普遍較小,主要服務于中低端市場,外資工業機器人系統集成商主要集中 在高端工藝段和中端工藝段,如焊接、裝配、鉚接和檢測等系統集成領域。隨著國產市場競爭越來越激烈,疫情過后大概率會迎來行業洗牌,預計未來本土繼承企業數量將逐步減少。

下游電子和汽車為主要行業,份額增速呈現下滑態勢。2019 年電子和汽車整車行業是工業機器人系統集成下游行業中市場份額最大的兩個行業,合計占比約為39%。從下游細分行業增長情況來看,2019年,除電子和汽車整車兩大應用領域增長出現下滑外,其余行業均有所提升,其中提升最大的行業為金屬加工行業。

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四.工業機器人未來發展展望

編程方式將從手工示教過渡為離線編程。在當前的機器人應用中,手工示教仍然主宰著整個機器人焊接領域,示教器是進行機器人手動操縱、程序編寫、參數配 置及監控用的手持裝置,也是最常見的機器人控制裝置。但傳統手工示教缺乏外 部信息傳感,靈活性較差,需要操作人員花費大量時間進行,而且編程過程中需 要機器人停止工作,因此編程效率較差。與示教編程相比,離線編程可以減少機器人工作時間,結合CAD技術達到簡化編程的效果。

智能制造為工業機器人發展注入動力。近年來我國先后出臺了多項政策,為智能制造發展提供了有力的政策保障,作為我國中長期全面提升制造業競爭實力的核心引擎,發改委等部門自2015年起啟動智能制造試點示范項目,旨在鼓勵智能制造單元、智能產線及智能工廠建設。從示范項目成果來看,智能制造行業發展對工 業機器人、變頻、伺服、PLC、DCS 等行業具有直接拉動效應。

人機協作成為工業機器人發展方向。傳統的工業機器人在作業時需與人類保持安全距離,以免人類受到傷害。目前人機協作的安全控制方案基本可分為基于外部 監控的外部控制系統方案和給予機器人本體設計的內部控制系統方案兩種,包括安裝激光距離傳感器和機器人本體輕量化等具體方法,未來隨著機器人穩定性和智能水平的不斷提高,人機協作可以將人類的認知判斷與機器人的高效結合在一起,是工業機器人的重要發展方向。

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