华峰研究：物流机器人正在加快占领工厂的脚步

作者：华峰资本 李悦影 

（一）物流机器人定义

国际标准化组织对机器人的定义是：机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。

国际机器人联合会（IFR）将机器人分为两大类：工业机器人和服务机器人，物流机器人属于工业机器人的范畴。

物流机器人，是指应用于仓库、分拣中心、以及运输途中等场景的，货物转移、搬运等操作的机器人。随着技术的发展及需求的增加，物流机器人的研发及应用在全球范围逐渐被重视，国外传统工业智能制造（Dematic、Swisslog等），以及Amazon等互联网巨头，都在陆续布局物流机器人。

物流机器人，也逐渐被认为是物流及供应链相关企业数字化与自动化进程中重要的智能基础设施。

（二）物流机器人的历史今身

·工业机器人国际大事件

第一阶段：20世纪60年代后半期开始投入使用。这一阶段的机器人只有“手”，以固定程序工作，不具有外界信息的反馈能力。第一代是可编程机器人，这类机器人一般可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作。

第二阶段：20世纪60年代-20世纪70年代初期。机器人具有对外界信息的反馈能力，即有了感觉，如力觉、触觉、视觉等。第二代是感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”。

第三阶段：20世纪70年代中期以后是工业机器人发展的完善时期。“智能机器人”阶段，这一阶段的机器人已经具有了自主性，有自主学习、推理、决策、规划等能力。第三代机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。

数据来源：以上信息根据公开资料搜集整理

（三）物流机器人的市场规模及预测

根据IFR发布的2019年全球工业机器人研究报告，2018年全球工业机器人的销量达42.2万台，预计2019年销量持平，未来三年保持10%以上的增速，至2022年超过58万台。

数据来源：IFR2019年全球工业机器人报告

在全球工业机器人销售市场中，中国仍是最大的销售市场，2018年的数据显示，中国的工业机器人销售量为15.4万台，在8年的快速增长后首次显现出轻微的下降。

数据来源：IFR2019年全球工业机器人报告

但是与此同时中国工厂的机器人密度在逐渐超过全球的平均密度，说明中国的工业领域在工业机器人方面的投入力度在逐渐增强。

数据来源：IFR2019年全球工业机器人报告

在活跃度日渐升高的AGV机器人（Automated Guided Vehicle）领域，2018年全球AGV销售量11.1万台，比2017年增长了60%，其中7700台用于生产，103000台用于仓储，物流等领域。2019年的销量为176000台，预计2020-2022年会以每年59%的速度增长，到2022年会应用712000台AGV机器人。

物流领域的机器人销量在快速增长：

数据来源：IFR 2019年工业机器人报告

（一）物流机器人重要组成部分：

机械部分：机械结构系统是指工业机器人为完成各种运动的机械部件，由骨骼（杆件）和连接它们的关节构成，具有多个自由度，主要包括手部、腕部、臂部、机身等部件；驱动系统为机器人各部位的运动提供动力，包括液压传动、气动传动、电动传动以及综合传动系统等。

传感部分：感受系统由内部传感模块和外部传感模块组成，用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息；机器人与环境交互系统则是指实现工业机器人与外部环境中的设备 相互联系和协调的系统，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。

控制部分：人机交互系统是将操作人员与工业机器人控制相联系的系统，主要分为指令给定装置和信息显示装置；控制系统则是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心，主要由主控计算机和关节伺服控制器组成，是工业机器人的核心系统之一。

（二）产业链图谱

（成本分配：减速器36%，伺服系统24%，控制器12%）

工业机器人的核心零部件包括减速机、伺服驱动/电机和控制器，对于整个工业机器人的性能指标起着极其关键的作用。这些核心零部件支持、完成了工业机器人的主要运作，控制器在接收到指令注资后，将指令信号转换为路径控制信号发送到伺服驱动，伺服驱动控制电机转动，电机通过减速机带动执行机构运动。从零部件市场进入难度来说，难度从大到小依次是减速器>控制器>伺服电机。

（1）减速器

机器人行业应用的精密减速机分为：RV减速机、谐波减速机和行星减速机，三者在市场上的份额占比约40%、40%、20%。在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置。谐波减速器一般放置在小臂、腕部或手部。两者的主要区别在于载重的不同。

RV减速器是旋转矢量（Rotary Vector）减速器的简称，最早由日本发明，它是传统摆线针轮和行星齿轮传动装置的一个新的混合种，RV减速器的传动比较大。

RV减速机的原理很早就已经公开，而且未有专利保护，这和我们大家一直听到的有所出入，但是整个行业RV减速机80%市场仍由日本占据，主要品牌是Nabtesco和住友。

RV减速器制造核心难点在各项工艺的密切配合，包括：齿面热处理、加工精度、零件对称性、成组技术、装配精度等，这些工艺总装公差总分配带来的结果是产品的磨损和寿命。

RV减速器主要用于转矩大的机器人腿部腰部和肘部三个关节，负载大的工业机器人都用RV。RV具有更高的的疲劳轻度、刚度和寿命，缺点是重量重，外形尺寸较大。

国内RV减速机厂家主要有南通振康和恒丰泰，南通振康2017年的年产量达到200多台，其RV减速器与Nabtesco的RV-E系列的输出扭矩范围相当，产品已被多家机器人厂商试用，包括国外的ABB、KUKA、发那科以及国内的埃夫特、埃斯顿等企业等。未来单价最高，应用范围最广的是RV减速器。

图片来源：电子发烧友

谐波减速机（harmonic gear drive ）主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成。

谐波减速机的技术难点主要体现在柔轮寿命和加工精度上。1970年10月，长谷川齿车株式会社与美国USM公司达成协议双方各出资50%，在东京都大田区南六乡3丁目24番13号成立了Harmonic Drive Systems Inc（哈默纳科）。这家公司2002年和2004年分别在德国和美国上市发行股票，成立德国和美国子公司，分别负责欧美地区的产品销售。Harmonica日本公司、德国公司、美国公司基本垄断了全球谐波减速机市场。

谐波减速器用于负载小的工业机器人或大型机器人末端几个轴，谐波减速器的特点是体积小、重量轻、承受能力大、运动精度高，单级传动比大。缺点是由于它需要反复的高速变形，所以比较脆弱，承载力和寿命都有限。

目前，国内还没有能够提供规模化且性能可靠的精密减速器生产企业，精密减速器的国产化率很低，RV减速器、谐波减速器不超过5%，精密行星减速器不超过40%。全球市场 75%的市场被日本两家企业占据，Nabtesco生产的 RV 减速器约占 60%、Harmonica 生产的谐波减速器约占 15%。

我国从1961年开始谐波传动方面的研制工作。国内涌现的苏州绿的谐波和中技克美在减速比范围方面与日本Harmonica水平相当，产品性能基本满足要求，目前已经大量应用于国产机器人。我国现阶段的谐波传动装置的制造能力只相当于日本八十年代的水平，国内谐波传动产业存在的主要问题是规模偏小，且产品种类少，研究开发人员和投入不足等。

我国减速器发展现状

以安川电机 ES165Kg 为例，6 台精密减速器的总价值约为 2.08 万元，占整机成本的 12%；而同类型的国内产品，6 台精密减速器的成本约为 9.1 万，占整机成本的比例为 31%，一般情况下，一台工业机器人需要的减速器个数为4-6台，精密减速器成为制约降低国产工业机器人成本的重要因素。

在工业机器人用减速器领域，我国已涌现出了几家具备一定实力的发展工业机器人核心零部件研究、制造的企业，但从产业化的角度来说，我国工业机器人减速器至今还没有产业化，国外厂家包括Nabsteco、住友、SEJINIGB、SPINEA、Harmonica Drive 等在竞争中仍具有垄断性优势。

2020年，联合重庆大学机械传动国际重点实验室攻克了RV机器人用减速器国际技术壁垒，自主研发成功摆线包络精密减速器、谐波减速器、轮边马达减速器、摆线钢球减速器等四款高精密减速器，实现了国产机器人用精密减速器国产化的重大突破。

（2）伺服电机

伺服电机用于驱动机器人的关节，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。它是一个独立的电气装置，能高效率，高精度地旋转机械部件为了高效驱动，伺服电机要求具备最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。伺服电机可以分为两大块，伺服驱动和电机；从电流的应用方面，伺服电机可以分为直流和交流伺服电动机两大类。对于直流电动机，速度与恒定负载下的电源电压成正比；对于交流剪辑，速度是由施加电压的频率以及磁极的数量决定的，交流电机可以承受更大的电流，所以被广泛应用于伺服应用，更适合于高精度的工作。

目前，国外品牌占据了中国伺服电机市场近 75%的市场份额，品牌市场主要来自日本和 欧美。其中日系产品以约 45%的市场份额居首，其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、 三洋、富士等；欧美品牌中，美国有罗克韦尔、丹纳赫、帕光等品牌，德国则拥有西门子、伦茨、博世力士乐、施耐德等品牌。

数据来源：华创证券行业研究报告《机器人产业新三板淘金：工业机器人》

除日本、欧美伺服品牌外，以东元和台达为代表的台系伺服在大陆市场也迅速推广，因为其性价比优于海外品牌，市场占有率也迅速提升至 10%左右。

虽然国产伺服系统在市场上的比重比较低，但近几年国产品牌伺服系统的发展也很迅 速，获得了一定的市场认可，比较具有代表性的企业主要有华中数控、广州数控等；同时还有一大批相关企业也进入到了伺服系统行业，比如深圳的英威腾、汇川科技，大连的安迪等。相对于减速器，伺服电机和驱动器市场未形成主要厂商垄断现象，而且几大国际厂商在中也建立了分工厂，供应充足，产品价格相对合理。另外，国内的一些公司在伺服电机和驱动器领域也有所建树，产品质量正在追赶国际厂商，占据了一定的市场份额。

（3）控制器

控制器、软件与本体一样，一般由机器人厂家自主设计研发。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，各品牌机器人均有自己的控制系统与之匹配。因此，控制器的市场份额基本和机器人保持一致，国内企业控制器尚未形成市场竞争优势。国内机器人厂商如广州数控、广泰数控、埃斯顿等均研发了自己的控制器与控制系统；国内的专用控制器发展也较为迅速，一些企业如固高科技、卡诺普、众为兴等已经开始向市场提供机器人专用控制器。经过多年的沉淀，国内机器人控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。随着技术和应用经验的积累，国内企业机器人控制器产品已经较为成熟，是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件。

物流机器产业链的中游为机器人本体生产商，主要负责物流机器人支柱、手臂、底座等物流机器人主体机械结构部分的生产与组装。

根据机械结构形式，物流机器人可以分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，并联机器人，关节型机器人等。

机器人本体的主要技术指标包括工作范围、负载、重复性精度、响应速度、自身总量、 功耗等。不同种类或行业的机器人，对技术指标有不同的侧重要求。比如，播种机器人对关节型机器人本体有较高的精度要求；而码垛、搬运类机器人则对负载能力要求比较高。

机器人系统集成是指在机器人本体的基础上，根据机器人的不同应用类型为其安装不同的执行装置，将机器人本体和附属设备进行系统集成。从产业链角度看，下游的系统集成是机器人商业化、规划普及的关键，是国内企业进入数量较多的领域，但相对产业链其他环节来讲，系统集成的壁垒较低、与上下游的议价能力较弱，竞争较为激烈。

（一）AGV

1. 定义：AGV也称为AGV小车，是AGVS（Automated Guided Vehicle System）自动导向搬运系统的硬件组成部分。

AGVS主要由三部分组成：AGV、导引装置（固定通道、半固定通道、无通道）、控制系统（计算机控制、遥控、手动控制等）

2. AGV组成部件：

·车体：AGV的主体部分，车架和相应的机械装置所组成，是其他总成部件的安装基础。

·驱动电源：AGV常采用24V和48V直流蓄电池为动力。常采用铅酸电池或锂电池，锂电可自动充电，24小时可工作。

·驱动装置：车轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器等部分组成，是控制AGV正常运行的装置。其运行指令由计算机或人工控制齐发出，运行速度、方向、制动的调节分别由计算机控制。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。

·导引装置：磁导传感器+地标传感器，接受导引系统的方向信息，通过导引+地标传感器来实现AGV的前进、后退、分岔、出站等动作。

·控制器：接受控制中心的指令并执行相应的指令，同时将本身的状态(如位置、速度等)及时反馈给控制中心。

·通信装置：实现AGV与地面控制站及地面监控设备之间的信息交换。

·安全保护装置：障碍物感应器+物理防撞(感应器下发黑色皮条)+急停开关，主要对人、AGV本身或其他设备的保护等。

·运载装置——牵引机构：与所搬运货物直接接触，实现货物运载的装置。

3. AGV关键技术及发展状况

AGV控制系统中的三个主要技术分别是：AGV的导航（Navigation），AGV的路径规划（Layout designing），AGV的导引控制（Guidance）。

表3AGV常用的导引方式及选择

信息来源：机器人前沿

·直接坐标（Cartesian Guidance）

用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域，通过对小区域的计数实现导引，一般有光电式（将坐标小区域以两种颜色划分，通过光电器件计数）和电磁式（将坐标小区域以金属矿或磁块划分，通过电磁感应器件计数）两种形式，其优点是可以实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无特别要求。缺点是地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。

·电磁导引（Wire Guidance）

是较为传统的导引方式，在AGV行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大

·磁带导引（Magnetic Tape Guidance）

与电磁导引相近，用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行，但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。

·光学导引（Optical Guidance）

在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图像信号进行简单处理而实现导引，其灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。

·激光导航（Laser Navigaiton）

激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是AGV定位精确、地面无需其他定位设施、行驶路径可灵活多变、能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式；缺点是制造成本高，对环境要求较相对苛刻（外界光线，地面要求，能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）。

·惯性导航（Inertial Navigation）

惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向，从而实现导引。此项技术在军方较早运用，其主要优点是技术先进，较之有线导引，地面处理工作量小，路径灵活性强。其缺点是制造成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。

4. AGV在仓库的应用

（1）仓库内AGV的主要分类：

·叉车AGV

主要实现：货物出入库、装卸、上架等操作

实现基础：标准化托盘包装、库内导航、路由规划

·搬运AGV

主要实现：AGV支持的“货到人”替代传统“人到货”操作

实现基础：标准化料箱&包装单元、库内行驶路由规划

·拣选AGV：

主要实现：“货到人”自动化（半自动化）拣选作业中的应用

实现基础：举升功能，是搬运机器人的“升级”

·分拣AGV与自动化分拣系统

基于智能机器人与分拣钢平台的自动化分拣系统，逐渐在小件电商分拣中心被广泛应用，相对传统流水线分拣系统，占地面积更小、成本更低，且机器人之间为并联不会出现单一设备损坏导致系统崩溃的情形，可极大提高分拣效率。

主要企业：

新松机器人、GEEKS+、快仓

（二）协作机器人

1.  定义

协作机器人（collaborative robot）,简称cobot，指被设计成可以在协助区域（机器人和人可以同时工作的区域）内与人交互的机器人，通过机器与人的分工协作，共同完成仓库的分拣等工作，2014年开始兴起，随着市场需求对机器人的柔性要求越来越高，经济实惠、即插即用、编程简单直观、高精度、高安全性的协作机器人逐渐受到重视。

2. 分类

·固定机械手

随着机器人视觉识别系统的开放，基于二维平面和三维立体激光的视觉系统配合机械手，可以自动识别被抓取商品的大小，位置颜色等各方面参数，采用对应的抓手对其进行抓取，并放置到对应的区域，实现拣选，分拣商品的功能。目前在应用场景上可以覆盖至装卸、分拣、码垛等场景中

·复合机器人

是将AGV自主移动与机械臂抓取相结合的机器人，但是国内对复合机器人的探索起步较晚，目前市面上已发布复合机器人的企业有新松、南江、海康威视、大族、海通等。

·移动协作机器人

是符合人工作业的可移动的机器人，包括自主移动机器人和跟随机器人。

主要企业：

新松、海通、南江、KUKA、YASKAWA、Dorabot

我国物流机器人累计融资事件100起，其中以早期为主（天使轮、A轮、Pre-A轮）。

数据来源：企名片

物流机器人投融资列表：

表6我国物流机器人企业融资列表

（一）行业发展驱动力

1. 经济

我国正处于经济转型发展阶段，人均消费水平持续增长的同时，消费结构、技术发展对销售端的影响以及供应链各环节都引起了商业模式的快速迭代，来满足快速变化的消费需求。

图12社会消费零售品总额&GDP总额变化

数据来源：国家统计局

2005-2019年我国GDP和社会消费品零售总额都保持稳步上升：

与此同时，我国居民消费水平也在持续上涨：

消费水平和产出水平的提高，对于零售业来说是积极正向的刺激，随着电商领域的飞速发展，这对于物流领域的产业升级和技术升级也是长期内的强大驱动力。

2. 社会

近年来随着经济快速增长，国内劳动年龄人口数量下降，劳动力供给拐点已经出现，人口红利逐步消失。

图14 15-64岁劳动年龄人口及比重

数据来源：国家统计局

根据中经网披露的数据显示，中国15-64岁劳动年龄人口比重自2010年开始下降，15-64岁人口绝对数量也从2014年开始下降，这种人口转变趋势在劳动力市场上反映为劳动力短缺，企业招工难，招工贵等现象。劳动力成本的上升会催生“机器换人”的需求。

2. 政策

政策积极支持中国智能制造，带来物流机器人发展利好

信息来源：根据公开资料整理

3.  技术

根据MHI面向全球1100多位制造及供应链领域高管的调研，机器人及自动化技术等被认为是企业供应链竞争的关键影响技术之一。

数据来源：罗戈研究院

（二）行业发展痛点分析

1. 机器人企业目前的生存环境依旧严峻。

我国机器人市场在经历9年的高速增长后，在2018年出现了首次下滑。业内专家表示，我国机器人产业的泡沫正在破裂。在当前总计经济增速放缓，行业增速放缓，竞争加剧的情况下，机器人行业的生存环境较为严峻。

2. 我国机器人核心技术落后。

我国机器人的核心部件，尤其是精密减速器部分，大多采用进口产品，国产机器人的性能，质量与发达国家的机器人产品还存在一定的差距。

在全球著名机器人专家、香港大学教授席宁看来，我国机器人还有三个新的产业瓶颈需要突破，即：

①   机器人编程，现在机器人编程方法阻碍了机器人的推广；

②   机器人的校正方法，新机器人与现有工厂坐标匹配协同是非常复杂的过程，亟须自主掌握快速简洁的方法，才能让未来机器人像电视那样，一打开包装就能投入工作；

③   传感器结合，传统机器人多使用位置传感器，未来要加入视觉传感器等，以增强协同实效。

3．无序化竞争严重

我国目前的物流机器人市场竞争无序，企业间相互排斥，陷入了低价竞争的怪圈，制约了行业的健康和可持续发展。

4.产品标准化程度低

我国物流机器人行业之所以鱼龙混杂，用户对产品功能识别度低，一个重要的原因就是产品标准滞后。国家没有出台强制性标准，使得市场发展不规范。

（三）发展趋势预测

1. 技术创新

物流机器人涉及到的关键技术：核心零部件、导航技术、调度系统。

未来几年，物流机器人技术发展趋势主要集中在以下几个方面：

①   导航技术：越来越多的物流机器人会采用激光导航+VSLAM导航，以适应复杂的开放性动态环境。

②   系统软件：机器人系统与上位调度系统融合，移动机器人工具化的趋势日渐明显；人工智能、物联网、大数据等新技术的应用，会使物流机器人在智能方面得到极大的提高。

③   应用场景：末端无人配送技术将成今后几年大家关注的焦点。

2. 拓展细分市场

参与者越来越多、同质化竞争越来越严重，开拓新的增量市场和新的应用领域是企业出奇制胜的关键。

3. 新的商业模式

在激烈的市场竞争下，一些企业为了提高出货量，抢占市场份额，积极探索新的商业模式，如设备代运营、融资租赁、共享机器人平台等，以找寻更适合自己的发展路径。