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机器人产业:技术、市场及竞争格局新趋势

来源:智博会   作者:   更新时间:2024-07-09   浏览次数:130 次

新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,机器人产业作为其中的关键通用目的技术,将会保持快速增长势头,并在互补性技术的推动下,功能更加丰富和强大,向着云化、智能化、协同化等方向演进。中国已是全球最大工业机器人市场,在要素禀赋、人口结构、收入水平以及数字技术发展等因素作用下,未来中国机器人市场规模将持续增长、创新能力稳步增强、产业国际地位不断提升。


近年来,伴随着颠覆性技术创新、市场新需求的出现以及外部冲击的影响,机器人产业在技术、市场与产业竞争格局等方面都呈现出新的发展趋势。

一、全球机器人产业发展趋势

一是技术发展趋势

跨行业技术融合不断深化。数字技术是典型的通用目的技术,在国民经济各行业获得广泛应用并推动应用该技术的行业发生深刻变革,机器人产业也不例外。随着移动互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代数字技术的日益成熟,数字技术在机器人产业的深度应用成为可能。5G技术凭借高速率、低时延、大连接的特点,将工业机器人接入工业互联网,使其成为工业智能制造体系不可分割的部分。通过工业互联网将机器人的工况数据实时传输,可以检测工业机器人的运行状态,分析工作效率,研判和预警潜在故障。人工智能技术则可以显著增强机器人的功能,使机器人具备感知、决策等能力。此外,机器人还与激光雷达、卫星遥感、地理信息系统(GIS)、虚拟现实、认知科学、生物技术、新材料技术等新兴技术越来越紧密地结合在一起,形态不断丰富、功能持续增强。

加速云化和智能化转型。在新一代数字技术的赋能下,机器人向着云化、智能化的方向发展。云化意味着机器人本体终端只需要利用边缘算力处理需要实时处理的小规模数据,大规模的数据处理放在云端进行,存储、计算等系统资源按需调用,由此可以减少存储、计算资源在机器人硬件上的负荷,使机器人变得轻量化、低能耗,还可以降低机器人的使用成本,更好地促进机器人的普及。此外,连接到云端的机器人之间还可以更方便地进行数据交互,实现统一调度控制和机器人之间的协同工作。智能化意味着机器人获得一定的在复杂场景下自主解决问题的能力,依托于知识图谱数据库、在应用场景数据中进行训练习得的算法,机器人具备了全域感知、智能决策、准确执行等能力。智能化的机器人能够感知理解环境变化,并自主地对环境变化作出快速、准确的决策和响应。借助于人工智能技术的发展与融合,服务机器人在自然语言理解、场景识别、推理认知等方面取得了明显进步。未来机器人将愈加智能和灵活,从单一感知向全域感知、从感知智能向认知智能、从单机智能向集群智能的方向演进。

二是市场应用趋势

人机协同水平持续提高。早期的工业机器人按照事先设定的程序独立开展工作,特别是在工业场景下的一些重型机器人,为了保护工人的安全,被限定在封闭的环境下工作,工作环境与人隔离开来。尽管机器人的技术水平在不断提高,甚至在人工智能的加持下获得极大拓展,但是仍然无法完全替代人类的工作。在人工智能领域有一个著名的“莫拉维克悖论”:机器可以完成对人类来说难度很大甚至无法完成的任务,但是许多对人类很简单的工作,机器人却很难做到。因此,如果能够实现机器人与人的协同工作,将发挥二者各自的优势,使生产效率得到显著提高。服务机器人直接面对的对象就是人,在与人接触的过程中,不但不能对人类的人身安全造成伤害,而且必须要能够理解人类的指令。随着触觉、力觉、机器视觉、语音识别等传感器、人工智能技术的发展及其与机器人的融合,机器人可以感知人的位置、动作,理解人的指令,从而实现人机协同、人机共融;在工业领域,机器人与人可以在同一空间共同执行生产任务;在生活领域,机器人可以近距离为人类提供各种服务。
应用场景不断拓展。早期的机器人主要应用在工业领域,替代工人的重体力劳动或从事高精度、恶劣环境下的工作,主要应用在汽车制造、船舶制造、化工、3C电子等产业,从事搬运、上下料、焊接、喷涂等工作。近年来,工业机器人的应用领域开始扩展到装配、打磨、抛光等高精度、高灵敏度的场景。除了在工业领域的应用,服务机器人、特种机器人也在快速发展。在服务机器人领域,随着视觉、压力等各种传感器的应用、控制算法的优化以及人工智能技术的发展,机器人的智能水平大幅提升,已经进入清洁服务、教育娱乐、家庭陪伴、迎宾导购、送餐等日常生活。在特种机器人领域,随着功能、外在形态和制动方式不断进步,应用场景不断拓宽,机器人在物流配送、应急救援、医疗手术、深海探测、空间探索、国防等场景下获得广泛应用。特别是防疫需求以及日常生活中对“无接触”的需要,推动特种机器人的应用场景快速增加、市场规模需求快速扩大。根据国际机器人联合会(IFR)的数据,2017年—2021年间,工业机器人市场规模从163亿美元增长至175亿美元,年均增速仅为1.8%;而服务机器人市场规模从66亿美元增长至172亿美元,年均增速达到27.1%,特种机器人市场规模从38亿美元增长至82亿美元,年均增速达到21.2%。可以看到,服务机器人的增速远远超过工业机器人的增速。随着核心技术的进一步成熟和成本的进一步下降,服务机器人有望成为机器人产业增速最快、所占份额最大的领域,也将成为全球机器人产业竞争的焦点。此外,机器人技术也在向生产装备和生产工具渗透,“机器人化”的智能装备和工具日益普及。

新型商业模式不断涌现。机器人产业传统的商业模式是机器人制造企业将产品卖给用户,从而获得收入。但是在这种模式下,一些资金、技术实力不强的企业特别是中小企业缺少购买资金,也没有能力进行机器人安装后的保养、维护和应用开发。近年来,“机器人即服务”(Robot-as-a-Service,RaaS)的商业模式应运而生。在这种模式下,机器人制造企业向用户提供机器人租赁、代运营、一体化解决方案等服务。用户可以根据需要灵活租用机器人,并且获得机器人制造企业提供的增值服务,显著降低了机器人使用的资金和技术门槛,从而实现机器人的快速部署和制造业生产线的智能升级。机器人制造企业也因此降低了市场推广难度,加快了业务发展和营收增长。随着数字技术与机器人的进一步融合以及机器人应用场景的拓展,将会有更多新型商业模式出现。

三是产业竞争趋势

各国加强战略布局。国际金融危机后,世界主要国家高度重视先进制造业的发展,提出一系列振兴制造业、促进制造业回流、发展先进制造业的战略。机器人作为制造业的关键支撑技术和制造业智能化的重要推动力,更是成为各国产业政策关注的焦点。2018年美国国家科学技术委员会发布的《美国先进制造业领导战略》,提出5大领域15项需要开发和掌握的新制造技术,其中就包括先进工业机器人。2022年2月,美国国家科学技术委员会发布新一版《关键和新兴技术清单》也包括了自主系统和机器人的内容。欧盟委员会2020年发布的《欧洲工业新战略》将机器人作为对未来欧洲工业具有战略性的关键使能技术。2021年法国政府投资8亿欧元发展机器人产业,其中一半资金用于推动新一代数字技术与机器人的深度融合。机器人是日本“社会5.0”战略的重要支撑技术,日本政府一直非常重视加强机器人及相关技术和产业的发展,2021年日本科技政策研究所发布的《2021科技创新白皮书》提出,到2050年,通过人工智能与机器人的共同进化,实现自主学习、行动、与人共生的机器人。

企业加大投资力度。机器人产业的良好前景吸引了大量投资和新市场主体进入。一是传统机器人企业不断向产业链上下游延伸、拓宽产品线、应用新技术和创新商业模式;二是一批新兴机器人企业切入传统机器人企业尚未关注到的细分市场。这些新生力量凭借不同于在位者的技术优势,实现产品、商业模式和应用场景的创新;三是一些科技企业跨界进入机器人领域,例如特斯拉、小米分别发布Optimus和CyberOne人型机器人,亚马逊收购扫地机器人公司iRobot,商汤科技推出“元萝卜SenseRobot”AI下棋机器人。由于这些科技企业具有很强的数字科技能力特别是人工智能技术,它们的机器人产品也充分利用在人工智能领域的积累,具有更高的智能化水平。例如,特斯拉Optimus采用了特斯拉电动汽车中使用的完全自动驾驶系统FSD,并利用Dojo超级计算机进行神经网络自动训练,实现了自动驾驶技术、人工智能技术与机器人技术的深度融合。小米CyberOne同样包含了深度视觉、环境语义识别与语音情绪识别等功能模组。


二、中国机器人产业发展前景

市场规模持续增长。近年来,中国机器人市场一直保持快速增长势头。2017年至2021年间,工业机器人销售额从46亿美元增加到75亿美元,年均增长13.0%;服务机器人销售额从12亿美元增加到49亿美元,年均增长42.2%。中国工业机器人和服务机器人销售额占全球比重分别从2017年的28.2%和18.2%提高到2021年的42.9%和28.5%。未来,随着下游需求市场的扩大,工业机器人发展将持续向好,预计2023年市场规模将达99亿美元。
要素禀赋变化、产业转型升级、老龄化和生活水平提高等因素将推动中国机器人应用市场规模继续保持快速增长势头。一是中国工资水平的快速提升推动“机器换人”。为了维持在劳动密集型产业和加工制造环节的综合成本优势,“机器换人”成为不少中国制造企业的选择,也是政府大力推动的方向。有数据测算,企业投资一个6轴焊接机器人,一年左右就可收回成本。尽管2020年中国工业机器人密度达到246台/万名工人,约为世界平均水平的两倍,但工业机器人具有较大的市场空间。二是中国产业高质量发展的需要。中国政府大力推动农业、制造业、服务业等各行业抓住数字经济带来的发展机遇,利用数字技术赋能产业发展,增强创新能力、提高生产效率、改善产品质量、提升用户服务,从而增强产业国际竞争力。机器人是数字化转型的重要生产设备,随着中国产业数字化智能化升级的深入推进,其市场需求将会继续增长。三是适应人口老龄化的需要。根据第七次人口普查数据,中国60岁及以上人口占总人口比重达到18.7%,其中65岁以上人口占比13.5%。需要加快开发和利用机器人提供老年人陪伴、护理、康复等工作。四是生活水平不断提升的要求。收入水平的提高带来人们闲暇时间价值的提升、对高水平医疗服务的需求,由此产生对家庭服务、教育娱乐、手术机器人等服务机器人的需求增长。据国际机器人联合会预测,中国工业机器人、服务机器人销售额在2024年将分别达到115亿美元和102亿美元,明显快于全球增速。
创新能力稳步提升。中国机器人产业已经形成较为完整的全产业链体系,核心零部件和整机研发、制造能力不断增强。2011年之后,美国、德国、日本、韩国等传统机器人强国的专利申请量年增长率仅在2%—3%左右,而中国机器人专利申请量进入快速增长轨道。2011年—2020年间,中国机器人产业累计申请专利20.1万项,占全球专利申请总量的55.9%。中国本土企业在精密减速器、高性能伺服驱动系统、智能控制器、智能一体化关节等关键技术和部件领域的技术进步明显,在信息感知与导航、多任务规划与智能控制等核心共性技术领域取得突破,仿生感知与认知、电子皮肤等前沿技术领域取得原创性成果。中国机器人产业涌现出一批机器人行业的专精特新“小巨人”企业。代表性的企业包括谐波减速器领域的绿的谐波,RV减速器领域的南通振康、双环传动,伺服电机领域的汇川技术、合川科技,电机控制器领域的新松机器人、新时达、华中数控等。
党的二十大报告指出:“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位。”机器人作为先进制造业的核心技术、满足人民群众日益增长的美好生活需要的重要支撑技术,是中国科技创新的重要方向。随着国家持续加大基础研究和产业共性研究的支持,企业研发投入和市场拓展力度的不断加大以及数字科技等新兴领域技术与机器人技术的深度融合,中国机器人产业的创新能力将继续提升,逐步缩小与传统机器人强国的差距,甚至在服务机器人、专用机器人等细分领域取得全球领先地位。
国际地位不断增强。在国内市场扩大的同时,中国机器人产业也在快速成长。2016年中国工业机器人产量7.2万套,2020年达到21.2万套,年均增长31%,2021年达到36.6万套,同比增长44%。2021年服务机器人产量921.4万台,比上年增长49%,特种机器人产量也在稳步增长。中国机器人产业不仅覆盖了包括工业机器人、服务机器人、特种机器人及其主要细分领域的广泛产业门类,而且形成了包括上游研发设计,中游减速机、伺服系统、电机控制系统、芯片等核心零部件制造,下游整机制造与系统集成开发在内的完整且自主的产业链条。中国机器人产业的发展一方面得益于全球领先机器人企业在中国的布局,同时也受到中国本土企业快速发展的推动,涌现出一批工业机器人新势力,如并联机器人领域的李群自动化、勃肯特,协作机器人领域的节卡机器人、遨博智能,移动机器人领域的斯坦德机器人、极智嘉、迦智科技等。
中国本土机器人企业的快速成长主要得益于两方面的因素:一方面,规模大且异质性的国内市场。中国机器人市场销售额世界第一且保持高速增长态势,这为国内机器人企业的发展提供了市场机会。更重要的是,中国机器人市场需求表现出与传统市场的巨大差异。
一是工业新需求快速增长。2011年,工业机器人应用行业分布分别为:汽车产业占36%,电子电器占23%,金属机械占8%,橡胶塑料占6%,食品饮料占3%;到2020年,电子电器占37%,汽车产业占27%,金属机械占14%,橡胶塑料占6%,食品饮料占4%,其中电子电器行业份额比2011年提高14个百分点,超过汽车行业成为工业机器人应用最多的领域。中国是全球最大的信息与通信技术(ICT)制造业基地和产品出口国,手机、笔记本等3C电子产量超过全球的一半。中国新能源汽车、动力电池、光伏等战略性新兴产业高速增长,在产品制造和使用环节大量使用机器人。在这些新兴领域,世界机器人巨头并不具备明显优势。
二是工业市场需求的多样性。中国拥有齐全的工业门类、相对完整的产业链条,同时企业发展水平具有多层次性,这就形成了中国工业领域机器人应用场景的丰富性和对产品、解决方案的差异化需求。目前,工业机器人的应用已扩大到焊接、喷涂、抛光打磨、涂胶、上下料、去毛刺、搬运、码垛、装配、分拣、包装、检测等广泛领域。
三是服务机器人市场快速发展。在家庭服务、物流配送、老年看护、医疗服务等领域对机器人的需求快速增长,这些领域是竞争相对不充分的“蓝海”,发达国家机器人企业尚未形成绝对的领先优势,为后发国家和后发企业的进入提供了机会。

另一方面,国内机器人企业能力的差异性。跨国公司的能力与中国国内异质性的市场需求不完全匹配,同时它们主要关注高端市场,难以覆盖中国国内丰富的应用场景特别是差异化的利基市场需求。相比之下,中国机器人企业更加熟悉国内市场需求、具有更低的成本,一些初创公司可以从规模不大的利基市场或者系统集成等技术壁垒相对较低的产业链环节切入。同时,中国数字经济发达,人工智能、大数据、云计算、物联网等技术居于世界前列,通过推动数字技术与机器人的融合,可以创新产品、服务与商业模式,形成中国机器人企业的差异化优势。中国各行业数实融合和智能化转型的深入推进、服务机器人更广泛地进入家庭和各服务行业,带动国内机器人市场持续增长。随着国产机器人企业技术创新能力的提升,能够更好地服务国内市场,同时国际竞争力的提高也有助于开拓“一带一路”沿线国家乃至发达国家市场,由此带动中国机器人产业在全球产业格局中的地位攀升。


三、推动中国机器人产业高质量发展的建议

尽管中国机器人产业在国内市场、创新能力、产业规模和国际地位等方面不断提升,但技术水平和产品质量特别是关键基础零部件的稳定性与可靠性以及高速、高精、重载等高端整机产品方面与发达国家尚存差距。中国机器人产业应发挥国内市场规模大、数字经济发达等优势,抓住机器人产业发展机遇,加强科技创新能力,在补齐产业基础短板的同时在新兴领域锻长板,推动机器人产业链现代化水平提升和国际竞争力的提高。
第一,大力增强产业创新能力。依托大学、研究院所、新型研发机构、骨干企业等加强对机器人系统开发、操作系统、轻量化设计、多机器人协作等共性技术的研发,提高减速器、伺服电机、驱动器和控制器等关键零部件的技术水平、质量和稳定性,增强产业基础能力。鼓励关键核心零部件企业、机器人本体及整机企业、一体化解决方案企业针对新市场需求开发新产品、创新商业模式。支持数字科技、新材料、脑科学等机器人互补技术的研发创新,推动机器人领域的伦理道德规范建设,为新一代机器人产品的发展打好基础。
第二,推动产业跨界融合发展。支持机器人研发机构、生产制造企业与数字技术研发机构、数字科技企业开展合作,推进机器人与5G、物联网、人工智能、扩展现实等数字技术深度融合,开发云化和智能化的机器人新产品,提高机器人的感知、认知和协同工作能力。在孵化器加速器建设、融资服务等方面提供支持,鼓励支持机器人领域的科技创新创业,促进具有跨界融合基因、融合数字技术与机器人的科技初创企业发展。积极推动农业、采掘业、制造业等实体经济部门建设产业互联网平台、进行数字化智能化转型,为智能机器人的使用提供市场支撑。
第三,积极拓展新市场新场景。在劳动密集型产业实施“机器换人”行动,支持企业积极应用机器人进行生产设施、设备的技术改造升级。开展工业机器人应用的试点示范,支持工业机器人企业围绕新兴细分行业和新兴场景开发新产品、新模式。鼓励机器人企业围绕家庭、医疗、公共服务等领域快速增长的需求,融合数字技术开发娱乐休闲机器人、养老陪护机器人、手术机器人、人形机器人等新产品。支持产学研用合作,开发深海探测、深空探索、极地科考、国防军工等领域的特种机器人产品,并推动先进技术在工业机器人、服务机器人产业的应用。
第四,加强国际技术和产业合作。推进贸易和投资自由化便利化,积极吸引全球领先机器人企业在中国设立生产基地、研发中心。推动中国机器人研发机构、制造企业和服务企业加强与国外机构在技术研发、标准制定、科技交流等方面的国际合作。支持机器人龙头企业加强在机器人领先国家开展投资,设立海外研发中心。鼓励机器人企业加大海外市场开拓力度,推动工业机器人、服务机器人进入国际市场。

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