从ABB看工业机器人演化趋势
　　通过复盘全球工业机器人发展历程，我们看到工业机器人经历了从特种到通用、从机械到智能、从单一到复杂的演变过程。随着工业机器人开始应用到各类下游行业，逐步替代人类重复劳动，产业价值开始逐步显现。以ABB为例，拆解产业链环节来看，工业机器人核心部件包括传感、执行、决策三层，其中IT架构是决定机器人智能化程度的核心，软件重要性有望逐步提升。与此同时，随着ChatGPT等大预言模型的兴起，机器人正开始向具身智能演进，产业变革有望加速到来。建议关注：柏楚电子、科大讯飞、宝信软件。
　　工业机器人逐步走向智能化/通用化，产业应用前景可期
　　全球工业机器人大致经历三个发展阶段：1）技术萌芽阶段：最初的工业机器人主要用于军事、核工业等高危领域，以示教再现型机器人为主；2）产业崛起阶段：ABB、库卡、发那科等领军企业开始崛起，工业机器人开始具备感知和处理外界信息能力；3）产业升级阶段：向通用工业场景延伸，智能化水平不断提升。据IFR数据，2021年全球新增工业机器人安装量为51.7万台，同比增长31.2%；据Inkwood Research预测，2021-2028年年全球工业机器人产值的CAGR将达14.7%。我们认为，随着工业机器人智能化不断升级，人口供给收缩和下游需求释放驱动行业增长，产业应用前景可期。
　　IT架构是决定机器人智能化程度的核心，软件重要性有望逐步提升
　　以ABB为例，拆解核心环节来看，工业机器人产业链包括上游核心部件、中游机器人本体及软件、下游系统集成与应用，主要成本集中在减速器、伺服系统等上游核心零部件。从功能分类来看，工业机器人部件可以分为感知、执行、决策三层。ABB在传感器、伺服系统/控制器、算法软件等各层级均有布局，形成工业机器人全栈解决方案。我们认为，随着工业机器人向智能化发展，已经逐步进入软件定义阶段，机器人正逐步演化为IT产品，软件算法的差异将对机器人最终能够实现的智能化水平产生重要影响，软件地位有望逐步提升。
　　AI赋能有望助力产业变革加速到来
　　我们看到，对于简单的机器人任务，ChatGPT已经能够以zero-shot的方式解决，对于课程学习、AirSim避障等复杂任务，ChatGPT可以在人类用户on-the-loop交互下实现。从工业领域落地情况来看，目前具身智能还处在产业发展早期，AI应用集中在部分简单场景。以ABB为例，2020年2月ABB与Covariant合作推出智能分选机器人，通过机器视觉算法提升识别效率和准确率。此外，2023年7月，ABB宣布与微软合作，将GPT-4应用于工业分析等场景。基于此，我们认为，随着ChatGPT等大模型的出现，机器人正开始向具身智能演进，产业变革有望加速到来。
　　风险提示：宏观经济波动；技术应用落地不及预期。
　　

研究报告全文：证券研究报告计算机从ABB看工业机器人演化趋势华泰研究计算机增持维持2023年7月25日中国内地专题研究研究员谢春生从ABB看工业机器人演化趋势SACNoS0570519080006xiechunshenghtsccomSFCNoBQZ938862129872036通过复盘全球工业机器人发展历程我们看到工业机器人经历了从特种到通用从机械到智能从单一到复杂的演变过程随着工业机器人开始应用到联系人林海亮各类下游行业逐步替代人类重复劳动产业价值开始逐步显现以ABB为SACNoS0570122060076linhailianghtsccom例拆解产业链环节来看工业机器人核心部件包括传感执行决策三层862128972228其中IT架构是决定机器人智能化程度的核心软件重要性有望逐步提升与此同时随着ChatGPT等大预言模型的兴起机器人正开始向具身智能演进行业走势图产业变革有望加速到来建议关注柏楚电子科大讯飞宝信软件计算机沪深300工业机器人逐步走向智能化通用化产业应用前景可期48全球工业机器人大致经历三个发展阶段1技术萌芽阶段最初的工业机32器人主要用于军事核工业等高危领域以示教再现型机器人为主2产业崛起阶段ABB库卡发那科等领军企业开始崛起工业机器人开始具16备感知和处理外界信息能力3产业升级阶段向通用工业场景延伸智1能化水平不断提升据IFR数据2021年全球新增工业机器人安装量为51717万台同比增长312据InkwoodResearch预测2021-2028年年全球Jul-22Nov-22Mar-23Jul-23工业机器人产值的将达我们认为随着工业机器人智能化CAGR147资料来源Wind华泰研究不断升级人口供给收缩和下游需求释放驱动行业增长产业应用前景可期重点推荐IT架构是决定机器人智能化程度的核心软件重要性有望逐步提升目标价以ABB为例拆解核心环节来看工业机器人产业链包括上游核心部件股票名称股票代码当地币种投资评级中游机器人本体及软件下游系统集成与应用主要成本集中在减速器伺柏楚电子688188CH25604买入服系统等上游核心零部件从功能分类来看工业机器人部件可以分为感知科大讯飞002230CH8080买入执行决策三层ABB在传感器伺服系统控制器算法软件等各层级均宝信软件600845CH6550买入有布局形成工业机器人全栈解决方案我们认为随着工业机器人向智能资料来源华泰研究预测化发展已经逐步进入软件定义阶段机器人正逐步演化为IT产品软件算法的差异将对机器人最终能够实现的智能化水平产生重要影响软件地位有望逐步提升AI赋能有望助力产业变革加速到来我们看到对于简单的机器人任务ChatGPT已经能够以zero-shot的方式解决对于课程学习AirSim避障等复杂任务ChatGPT可以在人类用户on-the-loop交互下实现从工业领域落地情况来看目前具身智能还处在产业发展早期AI应用集中在部分简单场景以ABB为例2020年2月ABB与Covariant合作推出智能分选机器人通过机器视觉算法提升识别效率和准确率此外2023年7月ABB宣布与微软合作将GPT-4应用于工业分析等场景基于此我们认为随着ChatGPT等大模型的出现机器人正开始向具身智能演进产业变革有望加速到来风险提示宏观经济波动技术应用落地不及预期免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读1计算机正文目录工业机器人逐步走向智能化通用化产业应用前景可期4发展历程工业机器人走向智能化通用化发展4市场现状四大家族占据的稳增长市场6驱动力人口供给收缩和下游需求释放驱动行业增长7IT架构是智能化核心软件重要性有望逐步提升9感知层工业机器人的信息最初来源10执行层决定工业机器人实际运动的准确度11机器人的肌肉伺服系统11机器人的关节减速器13决策层决定工业机器人性能的关键14IT架构软件地位有望逐步提升17AI赋能有望助力产业变革加速到来20产业趋势工业机器人正在向具身智能演进20落地情况ABB等头部厂商积极拥抱产业变化22风险提示24图表目录图表1主要机器人公司研发起始时间4图表2工业机器人发展历程5图表3ABB发展历程5图表4ABB工业机器人业务发展历程6图表52011-2021全球新增工业机器人安装量及增速6图表6全球工业机器人市场规模6图表72020年全球工业机器人竞争格局7图表8机器人四大家族概览7图表91961-2021世界各国生育率每名妇女生育数7图表10中国制造业人均工资增速与GDP增速7图表11中国新能源汽车销量迎来爆发8图表12全球半导体市场规模稳步上升8图表13工业机器人产业链全景图9图表142020年工业机器人成本占比9图表152020年工业机器人各环节毛利率9图表16工业机器人主要传感器分类10图表17工业机器人可在多部位搭载多个不同功能传感器10图表18机器人传感器市场规模10图表19机器人传感器市场竞争格局10图表20ABB集成力控传感器硬件11免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读2计算机图表21电动伺服系统工作原理11图表22ABB伺服驱动器产品12图表23ABB伺服电机产品12图表24ABB伺服产品配套软件工具12图表25谐波减速器VSRV减速器13图表26四大家族减速器外购情况13图表272020年全球减速器市场竞争格局13图表28控制器组成部分14图表29控制器工作原理14图表30控制器在机器人结构中的位置及连接方式14图表31ABBOmnicore控制器产品系列15图表32ABBIRC5产品系列15图表33ABBIRC5模块化分布设计15图表34ABBTrueMove技术16图表35ABBQuickMove技术与竞争对手对比16图表36机器人可被完全集成在贝加莱系统中16图表37IRC5机器人硬件和软件17图表38单柜型IRC5控制器硬件结构17图表39部分工业机器人公司操作系统构成18图表40控制器软件包括操作系统和算法库18图表41RobotWare的软件安装界面18图表42ABB应用软件包产品18图表43RobotStudio产品19图表44ChatGPT将人类从机器人pipeline中的in-the-loop变为on-the-loop20图表45人类用户在机器人pipeline中评估ChatGPT输出的质量和安全性20图表46ChatGPT能够以zero-shot的方式解决简单的机器人任务21图表47教授ChatGPT简单的拾取和放置物体技能21图表48ABB机器人利用CoviarantAI对不同包裹进行分类22图表49ABBItemPicker界面22图表50ABB与微软合作将生成式AI功能整合到工业数字化解决方案中23图表51重点推荐公司一览表24图表52重点推荐公司最新观点24免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读3计算机工业机器人逐步走向智能化通用化产业应用前景可期发展历程工业机器人走向智能化通用化发展工业机器人的发展历程可以分为三个阶段技术萌芽阶段20世纪50-60年代第一代工业机器人第二次世界大战期间工业机器人的雏形始成其最初是出于军事核工业的发展需要用来满足代替人类进行放射性物质处理的遥控机械手此后美国发明家乔治德沃尔最早提出工业机器人的概念并于1954年申请可编辑关节式转移物料装置的专利1958年世界上第一家机器人公司Unimation成立并于1959年利用乔治德沃尔的专利推出了世界上第一台真正意义上的工业机器人Unimate开创了机器人发展的新纪元在此期间主要为第一代工业机器人即没有自主决策能力和环境感知能力的示教再现型机器人产业崛起阶段20世纪末期第二代工业机器人1968年起Unimation先后将机器人制造技术转让给日本川崎英国GKN公司工业机器人业务扩张到日本和欧洲开始走向产业化和全球化1969年ASEA公司研制出全球首台喷涂机器人川崎成功推出了日本第一台液压动力机器人川崎Unimate2000此后更多公司入局工业机器人领域形成了以ABB库卡为代表的欧洲机器人企业以及以川崎发那科安川为代表的日本机器人企业格局机器人市场稳步增长在此期间工业机器人从第一代发展到第二代能够感知外界信息并进行简单的处理和反馈图表1主要机器人公司研发起始时间资料来源各公司官网ABB工业机器人应用技术全集龚仲华2020年华泰研究产业升级阶段21世纪初期第三代工业机器人随着工业自动化的发展工业机器人不断拓展应用场景发展核心技术1从应用场景来看工业机器人能达到更快速度更高精准度以及更大范围的大小型号和负载实现在大型工件搬运生产物流运输食品饮料生物制药汽车制造等更加广泛和智能的场景应用2从技术发展来看工业机器人核心技术得到快速发展2002年美国波士顿公司和日本公司共同申请了第一台机械狗智能军用机器人专利2004年安川和ABB均开发了可以同步控制多台机器人的控制器2006年意大利柯马公司推出了第一款无线示教器2015年ABB推出世界上第一台真正意义上的协作机器人YuMi在此期间工业机器人进入第三代具备智能化特点可以利用各种传感器测量器获取信息并利用智能技术进行识别理解和反馈免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读4计算机图表2工业机器人发展历程资料来源各公司官网华泰研究工业机器人四大家族凭借在原有业务的领先优势和对机器人技术的高度掌握占据高位以ABB的发展历程为例公司成立于1988年是由具有百年历史的两家著名电气公司电气照明和发电机制造商ASEA和高压电气传输公司BBC合并而来此后ABB成为了电气和自动化领域的技术领导者提供全面且日益数字化的电气化运动和自动化解决方案在此基础之上ABB对业务结构进行调整延续其前身ASEA公司在工业机器人领域的领先布局开始快速发展机器人业务自1974年推出世界上第一台微电脑控制的机器人以来ABB不断取得突破性创新不断完善工业机器人在产业链上的产品布局并通过技术创新提升性能图表3ABB发展历程资料来源公司官网亿欧智库华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读5计算机图表4ABB工业机器人业务发展历程资料来源ABB官网华泰研究市场现状四大家族占据的稳增长市场工业机器人市场规模稳步增长全球新增装机量快速增长根据IFR数据2021年全球新增工业机器人安装量为517万台同比增长3122012-2021年复合增长率为120根据InkwoodResearch数据未来全球工业机器人市场规模将保持稳定增长从2020年的5537亿美元增长至2028年的16535亿美元2021-2028年复合增长率为147图表52011-2021全球新增工业机器人安装量及增速图表6全球工业机器人市场规模全球新增工业机器人安装量万台全球工业机器人市场规模十亿美元60同比增速右35同比增速右165355171806031615338301602421412450129124042331225140197403941171839112010465204014920928010090141193041578108101030254805710553722160-201661782015908540-40-4202010-76-50-600-102018201920202022E2023E2024E2025E2026E2027E2028E201120122013201420152016201720182019202020212021E资料来源IFR华泰研究资料来源InkwoodResearch华泰研究工业机器人市场集中度较高以机器人四大家族为主根据IFR数据2020年全球工业机器人市场中发那科ABB安川库卡四家占比超过65其中发那科排名第一占比173ABB第二占比157安川和库卡分别占比129和121四大家族的主要业务和在机器人领域的核心技术各不相同安川和库卡以机器人业务为核心而发那科和ABB则分别起家于工厂自动化设备和电力业务其中ABB的业务以电气运动控制过程自动化机器人与离散自动化为核心的2022年电气业务营收占比479机器人与自动化业务占比108免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读6计算机图表72020年全球工业机器人竞争格局图表8机器人四大家族概览发那科173其他420ABB157库卡安川129121资料来源IFR华泰研究资料来源发那科官网安川官网库卡官网ABB官网华泰研究驱动力人口供给收缩和下游需求释放驱动行业增长人口老龄化导致人力成本上升机器替人为大势所趋世界各国的生育率已连续多年下降据国家统计局2021年中国15-64岁人口占比已降至683企业用人成本不断攀升根据国家统计局数据2022年中国制造业就业人员人均工资已达86933元同比增长52高于GDP增速劳动力成本上升的长期趋势将成为工业机器人产业发展的强大驱动力图表91961-2021世界各国生育率每名妇女生育数世界日本中国美国印度80070060050040030020010001966199020141962196419681970197219741976197819801982198419861988199219941996199820002002200420062008201020122016201820201960资料来源世界银行华泰研究图表10中国制造业人均工资增速与GDP增速制造业人均工资增速GDP增速1210864220182019202020212022资料来源世界银行华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读7计算机新能源汽车的爆发为工业机器人带来需求释放由于新能源汽车的带动汽车行业进入下一轮扩张周期工业机器人将持续受益以中国为例据同花顺数据从2021年起新能源汽车销量进入爆发式增长阶段2023年6月销量超过80万辆半导体光伏锂电等行业也有望带来大量工业机器人需求汽车与3C电子是工业机器人需求量最大的两个行业如今3C电子需求相对疲软大部分企业开始积极探索汽车和3C之外的业绩增长点如半导体光伏锂电等2022年全球半导体市场规模达5735亿美元随着AI带动算力芯片设计制造封装等产业需求半导体扩产有望带动工业机器人建设需求图表11中国新能源汽车销量迎来爆发图表12全球半导体市场规模稳步上升中国新能源汽车月销量全球半导体市场规模亿美元yoy1000000700030258000006000205000600000154000104000003000502000002000-510000-100-1520152016201720182019202020212022Jul-15Jul-16Jul-17Jul-18Jul-19Jul-20Jul-21Jul-22Jan-16Jan-17Jan-18Jan-19Jan-20Jan-21Jan-22Jan-23Jan-15资料来源同花顺华泰研究资料来源WSTS华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读8计算机IT架构是智能化核心软件重要性有望逐步提升工业机器人产业链可分为上游核心零部件中游机器人本体及软件以及下游系统集成及应用三个环节上游核心零部件包括传感器控制器减速器伺服系统传感器主要分为内部传感器和外部传感器伺服系统主要包括伺服驱动器和伺服电机两个部件中游包括机器人本体制造及配套软件产品下游包括系统集成及应用系统集成即将各种机器人传感器控制器软件等组合以形成一个完整的自动化生产线工业机器人应用覆盖广泛其中主要应用领域为汽车制造电子电气食品制造金属加工及制药行业等图表13工业机器人产业链全景图资料来源工业机器人技术基础林燕文等2019CSDN华泰研究上游核心零部件为工业机器人主要成本来源盈利能力强劲从成本来看2020年工业机器人60的成本由上游核心零部件构成其中减速器伺服系统控制器分别占比352510机器人本体仅占比15从毛利率来看盈利能力较强的环节主要集中在上游核心零部件2020年减速器伺服系统控制器的毛利率分别约为4035和25中游本体制造毛利率较低仅15下游系统集成毛利率较高为35图表142020年工业机器人成本占比图表152020年工业机器人各环节毛利率产业链上游下游45其他1540403535减速器3535控制器30102525201515本体10155伺服系统0减速器伺服系统控制器本体系统集成25资料来源OFweek机器人网华泰研究资料来源OFweek机器人网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读9计算机以ABB为例按照具体功能结构我们可以将工业机器人核心部件归纳为感知层执行层决策层具体来看感知层工业机器人的信息最初来源传感器是机器人的感知器官是机器人实现与环境交互及精准运动的信息来源传感器用来感应和采集各种信息并按照一定规律将被测量的信息转化成便于传输和处理的有用信号传感器通常由敏感元件和转换元件组成其中敏感元件是指传感器中直接感应被测量的部分转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的电信号部分传感器一般分为内部和外部传感器内部传感器主要测量机器人内部系统状态如温度转速电压等外部传感器主要测量外界环境的信息包括位置传感器速度传感器力传感器视觉传感器等图表16工业机器人主要传感器分类图表17工业机器人可在多部位搭载多个不同功能传感器资料来源工业机器人基础李卫国2018华泰研究资料来源TDK官网华泰研究机器人传感器市场规模稳步增长市场集中度较低根据MordorIntelligence预测全球机器人传感器市场规模预计将从2023年的616亿美元升至2028年的924亿美元2024-2028年CAGR为84机器人传感器市场主要参与者来自全球不同国家的众多企业包括瑞士宝盟集团泰科电子美国ATITekscanFutek森萨塔霍尼韦尔日本发那科TDK欧姆龙集团等图表18机器人传感器市场规模图表19机器人传感器市场竞争格局传感器市场规模亿美元109249815X7616654321020232028资料来源MordorIntelligence华泰研究资料来源MordorIntelligence华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读10计算机力传感器是工业机器人的重要传感器ABB集成力控技术是力传感器主要技术之一工业机器人大多为机械臂形态由机器人的动力关节和连接杆件组成力传感器可以对机械臂上的力度进行实时监控并进行反馈随着机器人向智能化发展对与外界交互的柔顺控制需求更高对力控技术提出了更高的要求为了提高传感器的灵活度和精度2014年ABB成功开发了集成力控技术基于此技术ABB提供3种集成式力控传感器兼容其IRB140到IRB6700的大部分工业机器人配备该技术的机器人能根据外部实时回馈信号应对制造过程中的细微变化像人类一样拿捏易碎物品或执行精密作业编程时间也可缩短图表20ABB集成力控传感器硬件资料来源ABB官网华泰研究执行层决定工业机器人实际运动的准确度机器人的肌肉伺服系统伺服系统是机器人的肌肉是一种自动控制系统能够精确地跟随或复现某个过程伺服系统由驱动器驱动电机伺服编码器及配套软件组成伺服驱动器控制伺服电机其作用是将控制信号转换为电机运动的驱动信号一般通过位置速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制实现高精度的传动系统定位伺服电机是控制机械元件进行运转的发动机接收到伺服驱动器的驱动信号后将电能转化为机械能即将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象伺服编码器一般安装在伺服电机末端用于测量转角及转速是伺服系统的信号反馈装置对伺服系统的精度有着关节作用图表21电动伺服系统工作原理资料来源智能无人系统产业发展研究报告2022版张涛2022华泰研究ABB伺服驱动器及伺服电机产品性能优越覆盖电压及功率范围较大ABB的伺服驱动器能满足大部分电压范围应用场合定位精度较高MicroFlexe190和MotiFlexe180高度集成了以太网的灵活连接和电机反馈技术并针对要求苛刻的运动应用进行优化ABB伺服电机也同样拥有完整的产品系列功率覆盖范围满足大部分应用场合高转速及高转矩满足能够实现高动态响应及精准控制免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读11计算机图表22ABB伺服驱动器产品E530伺服驱动器MotiFlexe180伺服驱动器MicroFlexe190伺服驱动器E530伺服驱动器支持的电机DSM系列同步伺服电机异步电机同步电机直线伺服电机异步电机同步电机直线伺服电机支持电机功率200W-2kW15-15kW01-2kW电压范围单三相200V-240V交流电200-480VAC200-240VAC通信方式ModbusTCPIPEtherCATPOWERLINKPROFINETIOEtherCATPOWERLINKPROFINETIOEtherNetIPModbusTCPIPEtherNetIPModbusTCPIP资料来源ABB官网华泰研究图表23ABB伺服电机产品DSM伺服电机eSM伺服电机HDS系列伺服电机BSM系列伺服电机类型永磁同步电机永磁同步电机交流永磁伺服电机交流无刷伺服电机电压三相220VAC三相0220-400VAC230-460VAC额定功率005-20kW01-15kW019-76kW额定转矩016-955Nm032-955Nm06-54Nm045-120Nm额定转速50W-750W3000rpm1500-6000rpm1500-3000rpm1kW-2kW2000rpm资料来源ABB官网华泰研究ABB为其伺服产品提供了专门的选型和调试工具Servosize是针对ABB伺服产品的选型工具支持的产品有MotiFlexe180MicroFlexe190和E530伺服驱动器以及eSMDSM和HDS伺服电机MintWorkbenchServoComposer和AutomationBuilder是针对ABB产品的编程和调试工具MintWorkbench可用于MotiFlexe180和MicroFlexe190伺服驱动器的编程和调试ServoComposer可用于E530伺服驱动器的调试而AutomationBuilder则可用于运动控制PLC的编程和调试图表24ABB伺服产品配套软件工具资料来源ABB官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读12计算机机器人的关节减速器减速器机器人的关节是连接伺服电机和执行机构的中间装置减速器通过齿轮啮合将伺服电机高转速的动力转化为低转速高转矩的机械运动传递到执行机构上起到匹配转速和传递转矩的作用减速器的输出转速传动精度输出转矩等决定了对应运动轴的运动速度定位精度和承载能力一般来说工业机器人的每一个关节都需要搭配一个减速器工业机器人大多为六轴故一般一台工业机器人需要六个减速器减速器可以分为谐波减速器和RV减速器谐波减速器使用简单精度较高但结构刚性不及RV减速器日本哈莫纳科为全球最大谐波减速器生产商RV减速器结构刚性较好输出转矩大但其内部结构较为复杂制造成本高传动精度略低日本纳博特斯克为全球最大RV减速器生产商图表25谐波减速器VSRV减速器谐波减速器RV减速器产品型号哈莫纳克CSG-50-100-2UH那波特斯克RV-80E-101基本减速比100101额定输出转矩Nm611784传动效率70-8580-95传动精度x10E-04rad1524资料来源ABB工业机器人应用技术全集龚仲华2020年华泰研究工业机器人企业减速器自产程度较低大多采取外购减速器市场集中程度较高据哈工大2021年发布的中国机器人产业发展报告日本哈默纳科纳博特斯克和住友占据了85的份额其中纳博特斯克是RV减速器的发明者占据全球工业机器人减速器市场的60并在以及数控机床自动换刀ATC装置的RV减速器市场占比80工业机器人四大家族减速器自产能力较弱均外购纳博特斯克的减速器日本哈默纳科是全球最早研发生产谐波减速器的企业减速器市场占比第二位15图表26四大家族减速器外购情况图表272020年全球减速器市场竞争格局其他斯洛伐克100SPINEA50日本住友100日本纳博特斯克日本哈默纳科600150资料来源各公司官网华泰研究资料来源中国机器人产业发展报告哈工大2021年华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读13计算机决策层决定工业机器人性能的关键控制器在机器人结构中承担小脑的作用是决定机器人性能的主要因素控制器接收传感信息并据此生成对应的控制指令控制机器人完成动作任务控制器包括硬件和软件两部分硬件为控制计算机和示教器其中示教器是进行机器人手动操纵及配置与编程的手持装置软件主要为以控制算法为核心的运用软件和系统控制器的工作原理是将检测单元的输入信号与设定值信号进行比较并对偏差信号进行运算然后将运算结果输出到执行器又执行器改变操纵变量再输出到被控对象图表28控制器组成部分图表29控制器工作原理资料来源中国机器人产业联盟CRIAIFR华泰研究资料来源工业机器人基础李卫国2018华泰研究图表30控制器在机器人结构中的位置及连接方式资料来源工业技术网华泰研究以ABB为例OmniCore工业机器人控制器为工业机器人提供强劲性能其中C系列是OmniCore家族的紧凑型控制器不仅在尺寸上大大减小而且具备灵活的集成能力E系列是超紧凑控制器旨在满足客户运行紧凑电子产品装配线的需要V系列特韧型是模块化OmniCore控制器系列中的中型控制器主要面向工业环境中的中型和大型机器人进行优化例如MHMT弧焊免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读14计算机图表31ABBOmnicore控制器产品系列E10紧凑型C30紧凑型C90XT坚固紧凑型V250XT多功能型适用机器人类型多关节机器人SCARA协作机器人并联机器人多关节机器人多关节机器人SCARA多关节机器人码垛机器人SCARA适用机器人负载范围最高11kgIRB1300最高11kgIRB130010kgIRB1600最高11kgIRB130010kgIRB最高300kgIRB67001600宽深高44933889mm449443170mm500355520mm650480960mm支持机械臂IRB910INVIRB920IRBCRB1100CRB1300CRB15000IRB360CRB1300IRB910INVIRB460IRB660IRB26001010IRB1100E10不支持OmniCoreIRB365IRBIRB920IRB930IRB1100IRB4600IRB5710IRB5720CRB1100型号IRB1200910INVIRB920IRB930IRB1100IRB1200OmniCoreIRB1300IRB6650SIRB6700OmniCoreIRB1300IRB1200OmniCoreIRB1300IRB14050应用行业电子通用工业电子食品饮料通用工业电子食品饮料通用工业汽车食品引领电子资料来源ABB官网华泰研究ABB的IRC5是机器人控制器技术的行业标杆ABBIRC5控制器包含单柜型双柜型和紧凑型其中单柜型IRC5由控制器和FlexPendant示教器两个硬件部分组成使用者可以在FlexPendant示教器或FlexPendant示教器上的RobotStudio上对机器人进行编程此外IRC5采取灵活的模块化分布设计模块化分布设计较集中式控制器更为灵活IRC5由控制模块和驱动模块组成可选增过程模块使得IRC5可以灵活控制一台六轴机器人和伺服驱动工件定位器其中控制模块自带主计算机能够执行高级控制算法为多达36个伺服轴进行复合路径计算并可指挥四个驱动模块此外IRC5还提供灵活性安全性模块化应用程序接口多机器人控制和PC工具支持图表32ABBIRC5产品系列图表33ABBIRC5模块化分布设计资料来源ABB官网华泰研究资料来源现代机械设计手册第5卷第二版秦大同等2019华泰研究ABB控制器由其优越的运动控制技术支持QuickMoveTrueMove和MultiMove是ABB的核心运动控制技术它们对于机器人的精度速度周期时间可编程性以及与外部设备同步性等机器人性能指标的提升起到了重要作用TrueMove保证了机器人的路径精度能够确保不论速度或运行模式如何甚至是在安全保护停止进程停止程序停止或断电后机器人的运动路径也会遵循编程路径QuickMove则能够在短时间内实现运动控制可以根据不同的工作任务自动优化轴的加速度和速度从而实现更高效更精准的运动控制提高机器人的生产效率和精度循环速度比竞争对手快25MultiMove的引入进一步巩固了ABB在先进机器人系统和功能方面的领先地位可以确保多达4台机器人协同运行免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读15计算机图表34ABBTrueMove技术图表35ABBQuickMove技术与竞争对手对比资料来源ABB官网华泰研究资料来源ABB官网华泰研究贝加莱控制系统为ABB机器人提供强大集成架构据公司官网2017年4月ABB宣布收购贝加莱贝加莱在工业软件行业处于领先地位是PLC工业PC机伺服系统控制的真正领导者其拥有完整的集成架构2019年ABB和贝加莱联合开发了一种将ABB机器人集成到贝加莱机器控制系统中的解决方案该方案简化了机器人的编程实现工作台和机器人的并行工作提高了机器人运动和传感器的同步实现对机器人的仿真模拟使开发更加便捷图表36机器人可被完全集成在贝加莱系统中资料来源贝加莱官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读16计算机IT架构软件地位有望逐步提升以ABB为例工业机器人IT架构是决策系统的底座在工业机器人的决策系统中我们看到控制器起到了调度机器人行为执行复杂指令的重要作用拆解决策系统来看底层的基础控制硬件和控制软件是工业机器人IT架构中的核心底座图表37IRC5机器人硬件和软件类型部件控制硬件多处理器系统PCI总线大容量闪存盘停电备用电源USB存储器接口控制软件实时OSRAPID编程语言PC-DOS文件格式预装软件DVD版RobotWare功能组资料来源ABB官网华泰研究硬件主控设备由DSQC1000主计算机等核心硬件构成单柜型IRC5搭载DSQC1000主计算机是整个控制器的大脑用来接收机器人运动数据和外围信号并将信号发送到各单元轴计算机接收机器人轴串行测量板返回的位置数据并与原来的位置数据进行比较和运算输出新的位置和速度控制参数主伺服驱动器用来驱动分布在机器人6个轴上的伺服电机IO模块用来连接外部信号是用户自定义的输入输出信号板安全面板用来连接安全相关的信号正常工作时LED灯保持点亮图表38单柜型IRC5控制器硬件结构资料来源ABB官网华泰研究软件一般由操作系统和算法库构成操作系统主要包括VxWor嵌入式实时操作系统及使用较多的开源操作系统WindowsCE嵌入式Linux嵌入式LinuxCOS-以及通用ROS平台其中算法库包括底层算法库和应用工艺算法库底层算法库是直接在计算机操作系统上开发出的算法控制算法用来规划机器人的运动点位动力学算法用来识别机身负载物的转动惯量应用工艺算法库是软件使用人员二次开发的算法RobotWare是ABB嵌入式工业机器人控制器专用软件系列用于控制ABB公司生产的各种工业机器人所含选购插件可为机器人用户提供一系列丰富系统功能如多任务并行对机器人传输文件信息外部系统通信先进运动任务等免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读17计算机图表39部分工业机器人公司操作系统构成品牌架构操作系统构成应用编程语言优势ABBx86VxWorksRapid控制算法库卡x86WindowsVxWorksKUKAROBOTlanguage无FANUC未知fanuc自研KAREL产业整合资料来源工业技术网华泰研究图表40控制器软件包括操作系统和算法库图表41RobotWare的软件安装界面资料来源工业技术网华泰研究资料来源工业技术网华泰研究ABB还提供各种针对不同应用场景下不同功能的软件包包括喷涂软件包上下料软件包拾料软件包机加工软件包切割软件包码垛软件包PickMaster拣选包装软件包等为焊接切割拾料码垛等专门环节提供了定制化的软件服务提高特定生产环节的工作效率图表42ABB应用软件包产品资料来源ABB官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读18计算机此外工业机器人的编程方法一般包括示教编程和虚拟仿真编程示教编程需要由操作者对机器人进行逐步的作业引导通过示教器操作告知机器人需要完成的动作示教操作完成后即生成程序机器人即可按照生成的程序复现全部示教动作适用于自动生产线等重复作业机器人虚拟仿真编程是通过编程软件实现编程和仿真两个功能不仅可以编写程序还可以对机器人运动进行模拟仿真以验证程序有效性虚拟仿真编程需要配备机器人厂家专门的编程软件例如ABB的RobotStudioRobotStudio是ABB机器人仿真和编程软件一方面提供可视化编程环境是机器人编程更加灵活高效另一方面强大的仿真功能可以帮助用户进行机器人应用程序的开发和测试2023年1月ABB通过云功能增强了其RobotStudio机器人编程和仿真软件新的RobotStudioCloud使个人和团队能够在任何设备上远程实时协作进行机器人单元设计图表43RobotStudio产品资料来源ABB官网华泰研究IT架构软件地位有望逐步提升我们认为随着工业机器人向智能化发展已经逐步进入软件定义阶段机器人不再是一个机械制造品迭代慢软硬高度耦合而逐步演化为IT产品迭代快速软硬解耦不论是操作系统算法库还是编程开发软件在机器人迭代过程中正扮演着越来越重要的角色软件算法的差异将对机器人最终能够实现的智能化水平产生重要影响基于此我们看好机器人产业变革下IT软件发展机遇软件地位有望逐步提升免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读19计算机AI赋能有望助力产业变革加速到来产业趋势工业机器人正在向具身智能演进ChatGPT将人类从机器人流程中的in-the-loop变为on-the-loop目前机器人pipeline流程需要一个专门的工程师in-the-loop编写代码来改进流程而ChatGPT的引入可以替代人类在循环中的位置人类技术或非技术均可用户可以以on-the-loop的形式通过高级语言命令与语言模型交互实现无缝部署各种平台和任务图表44ChatGPT将人类从机器人pipeline中的in-the-loop变为on-the-loop资料来源微软华泰研究人类用户在机器人pipeline中评估ChatGPT输出的质量和安全性人类在机器人pipeline中的任务主要包括1定义高级机器人函数库高级机器人函数库high-levelrobotfunctionlibrary一方面面向机器人平台能够调用和指导机器人相关动作另一方面面向ChatGPT保证库中函数的命名应能便于ChatGPT理解和遵循2构建promptPompt描述任务目标并标识允许ChatGPT使用的高级函数库中的函数此外还可以包括约束信息或者告知ChatGPT如何组织其响应3分析评估ChatGPT输出结果并反馈用户以on-the-loop的形式通过直接分析或模拟来评估ChatGPT输出的代码并就输出代码的质量和安全性向ChatGPT提供反馈4迭代不断迭代chatgpt生成的结果直到符合人类预期并确保最终的代码可以部署到机器人上执行图表45人类用户在机器人pipeline中评估ChatGPT输出的质量和安全性资料来源微软华泰研究简单任务ChatGPT能够以zero-shot的方式解决简单的机器人任务对于简单的机器人任务用户只需提供prompt和函数库描述不需要提供具体的代码示例ChatGPT即可zero-shot解决时空推理控制真实无人机和无人机工业检测等问题1时空推理要求ChatGPT控制一个平面机器人用视觉伺服捕捉篮球位置2真实世界无人机飞行使用ChatGPT和API控制一个真实的无人机完成物体寻找任务3AirSim工业检测基于AirSim模拟器利用ChatGPT控制模拟域无人机进行工业巡检免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读20