目录

《医疗机器人》

目录

一、医疗机器人概述

1.1医疗机器人的定义与分类等

1.2医疗机器人的市场与行业增长情况

1.3医疗机器人产业链上下游分析

二、医疗机器人核心零部件分析

2.1伺服系统

2.2减速机

2.3传感器

2.4控制器

2.5导航系统相关（磁导航、超声探头、光学等）

2.6其他医学相关器械（如超声刀等）

三、产业链中游各细分领域医疗机器人分析

3.1骨科机器人

3.2腹腔机器人

3.3神经外科机器人

3.4血管介入机器人

3.5穿刺机器人

3.6消费医疗机器人

3.7康复机器人

3.8胶囊机器人

3.9医疗服务机器人

四、产业链下游各医院情况

4.1各机器人产品在各省物价医保情况

4.2各医院机器人使用情况

五、主要公司分析

5.1外资公司

5.2国内上市公司

5.3国内非上市公司

六、探针观点

一、医疗机器人概述

1.1医疗机器人的定义与分类等

机器人一词最早出现在20世纪二三十年代，由捷克作家卡雷尔卡佩克在他的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》中所提出。广义的机器人指能够自主或半自主工作的智能设备，协助或取代人类从事一些危险、繁重、复杂、单调或其他一些不适合人类的工作。机器人能够提高人类的工作效率与工作质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围，因此越来越受到人们的关注，已经成为世界各国的研究热点。

机器人有许多的分类方法，目前国际上尚且没有制定统一的标准。根据发展的阶段来划分，共有三代机器人，分别为示教再现型机器人、感觉型机器人、智能型机器人。根据控制方式的不同，可以将机器人分为数控型机器人、感觉控制型机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人和编程控型机器人等。

根据应用场景的不同来划分机器人是目前使用最为广泛的分类方式，可以划分为工业机器人、服务机器人和特殊用途机器人。

机器人的分类

资料来源：探针资本整理

医疗机器人，是指用于医院、诊所、康复中心等医疗场景的从事医疗或辅助医疗的机器人，属于服务机器人的一种。早在1985年，研究人员借助PUMA260工业机器人平台完成了机器人辅助定位的神经外科活检手术，这是首次将机器人技术运用于医疗外科手术中，标志着医疗机器人发展的开端。此后随着人类需求的增加，各种各样的应用在不同领域的医疗机器人都开始被陆续被研发出来，从而更好的促进了医学的发展。

医疗机器人能够独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动，从而达到治疗或者辅助治疗的目的。医疗机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。机器人在医学领域内的应用使临床医学进入了一个全新的时代，大量的临床研究已证实其在诊断、手术治疗、术后康复及家庭护理等领域都具有巨大的优势与先进性。

医疗机器人通常根据其用途进行分类。根据用途的不同，可以将医疗机器人主要分为四类：手术机器人、消费医疗机器人、康复机器人、胶囊机器人及医疗服务机器人。

（1）手术机器人。手术机器人主要是帮助医生进行外科或者内科手术的一类机器人，也被称为机器人手术系统。手术机器人融合多学科和多项高新技术为一体，主要应用于手术影像导航定位和临床微创手术等一些手术场景。根据细分手术科室的不同，可以将手术机器人分为骨科手术机器人、腹腔手术机器人、神经外科手术机器人、血管介入治疗手术机器人和穿刺机器人等。

（2）消费医疗机器人。消费类医疗机器人是提供各种消费类医疗服务的机器人。消费医疗泛指非公费的、消费者主动选择实施的市场化医疗项目。消费者选择这些医疗项目的主要目的是为了主动升级自身的健康与外貌。消费医疗涵盖了整形、微整形、抗衰老、齿科、眼科、皮肤、减肥、营养、心理健康等领域，具有单次消费价格高、复购频率高等特点。以医美整形和口腔服务为例，患者对医生经验要求较高且治疗方案需要兼顾患者的审美，机器人在手术方案设计和打破地域限制方面具有人工无法比拟的优势。

（3）康复机器人。康复机器人是致力于通过应用机器人设备来增强人体康复能力的一类机器人。康复机器人通常辅助人体完成肢体动作，从而实现助残行走、康复治疗、负重行走、减轻劳动强度等功能。康复机器人包括了上下肢康复训练机器人、仿生机器人、外骨骼机器人等。

（4）胶囊机器人。胶囊微型机器人，是一种能进入人体胃肠道进行医学探查和治疗的智能化微型工具，是体内介入检查与治疗医学技术的新突破。目前投入临床的主要是胶囊内镜机器人，通过自身重力或者磁场对胶囊在消化道的控制实施检查。

（5）医疗服务机器人。医疗服务机器人通常用于减轻医护人员重复性劳动。医疗服务机器人一般能够辅助医疗过程、扩展医护人员能力、减少不必要的人力和资源投入、提高医护过程或者医药生产过程效率的医疗机器人。医疗服务机器人的细分产品包括了送药机器人、消毒机器人、导诊机器人、采血机器人等。

医用机器人的分类

图片来源：探针资本整理

医疗机器人与其他机器人存在明显差异。工业机器人的终端销售价格区间一般在十万人民币到数百万人民币不等，而精密、昂贵的医疗机器人最高售价可以达到两三千万人民币。与一般的机器人不同，医疗机器人能够在狭小的空间中进行高精度、高强度、长时间的医疗服务，临床适应性强，可有效降低手术难度和术后损耗。医疗机器人在应用时主要具备以下特点：（1）医疗机器人的的作业环境一般在医院、诊所，家庭等一些特定的场所；（2）医疗机器人的作用对象通常为人、人体信息及相关的医疗器械；（3）医疗机器人材料的选择必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射；（4）医疗机器人性能必须满足对人体状况变化的适应性，对作业的柔软性，对危险的安全性以及人人体和精神的适应性等。

医疗机器人的优势：（1）实施远程手术，突破地理限制。这是人类研发手术机器人的初衷，早在美苏冷战时期，远程手术的概念和构想就因为太空军备竞赛的需要被提出。2001年纽约的医疗团队过远程操作ZEUS机器人系统，为7000公里外法国的一位68岁的病人实施了胆囊切除术。这次手术就像飞行员林德伯格（Lindbergh ）1927年首次飞跃大西洋一样，实现了对大西洋的地理跨越，因此被称为“林白手术”（Lindbergh Operation）。我国幅员辽阔，通过机器人开展远程手术可以在一定程度上解决医疗资源分布不均的矛盾。（2）机器人进行或辅助手术能够减少误差，减少医生疲劳。复杂手术持续时间长、容易造成医生疲劳，使用机器人可以减少此类问题的发生。微创和精细化是手术的两大追求，除了创伤小，机器人辅助手术的灵活度、手部震颤、视野清晰度、远程操作等绝大多数指标均优于普通腔镜手术，精细程度明显高于普通腔镜手术。（3）医疗机器人可以降低人力成本。随着我国人才素质提高，人力资源成本优势正在逐渐降低，特别是医疗领域人才的用工成本更是处于较高位置。对于医院而言，可以将一些常规诊断环节或者手术中的基础操作交给机器人来进行，这将较大地减轻医生的负担，也降低了医院的人工成本。（4）医疗机器人可以保护医护人员的安全。临床上很多手术会危害到医护人员的人身安全，如放射性同位素的使用以及X激光的辐射危害等。虽然对于患者来说单次诊疗的辐射剂量可以控制在安全标准之内，但医护人员面临长期、多次暴露在辐射环境下的危险，医疗机器人则无需考虑这类风险。

1.2医疗机器人的市场与行业增长情况

医疗服务供需矛盾突出。（1）医疗服务需求旺盛，全球老龄化程度加深。联合国统计数据显示，2017年，全球60岁以上老年人口数量为9.6亿，到2050年，这一数量将迅速增加至21.0亿。老年人数量增加，进而带动医疗、康复、护理等需求不断增长；（2）医疗服务供给不足，医护人员紧缺。WHO报告数据显示，2015年，全球医护人员缺口约为700万人，到2035年，这一数量将增加至1,290万人。医护人员短缺，导致大量医疗需求无法得到满足，急需医疗机器人进行补充；（3）居民消费能力增强。在全球范围内，人们的可支配收入水平均呈现上升的态势，人们对于高端医疗的需求也随之增长。在医疗机器人的辅助下，医疗过程创伤更小、出血更少、精准性更强、恢复更快，因此，医疗机器人将被更多人所接受。

2013-2022全球医疗机器人销量

图片来源：头豹研究院，探针资本整理

医疗机器人市场容量巨大，市场规模增长迅速。根据国际机器人联合会IFR数据，2015年全球医疗机器人市场规模为98亿美元，2018年全球医疗机器人市场规模为136亿美元，2019年全球医疗机器人市场规模达156亿美元，预计到2021年将会达到207亿美元，2018-2021年的年复合增长率（CAGR）约为15%。

全球医疗机器人市场规模及增速

数据来源：国际机器人联合会IFR，探针资本整理

从医疗机器人的全球细分市场来看，手术机器人占过半份额，康复机器人成增速最快市场。据WinterGreen Research的统计，2017年手术机器人在医疗机器人市场份额已超过60%，预计2021年手术机器人和康复机器人的行业规模分别达到129亿美元、32亿美元，2014-2021年的年均复合增速（CAGR）将达到29.9%、46.6%。

手术机器人和康复机器人迎来快速增长

图片来源：WinterGreen Research、国海证券研究所

北美和欧洲是医疗机器人的主要市场。在医疗机器人市场份额的分布上，2016年美国和欧洲分别占据全球医疗机器人63%和25%的市场份额，而亚太地区市场份额只有12%，仍处于较低水平。

2016年全球医疗机器人市场地域分布格局

资料来源：天智航招股说明书

我国医疗机器人市场仍有较大发展空间。与欧美发达国家相比，我国医疗机器人产业起步较晚，处于发展初期。根据产业信息网数据统计，2016年中国医疗服务机器人市场规模为2.9亿美元，2019我国医疗机器人市场规模超6亿美元，期间CAGR为28.82%，到2021年将突破10亿美元。

2016-2021年中国医疗机器人行业市场规模及增速

资料来源：产业信息网、探针资本整理

国内医疗机器人的各细分领域市场份额占比与全球具有很大的不同。根据中国电子协会的数据显示，2019年，国内医疗机器人市场规模中康复、手术、其他医疗机器人分别占比47%、23%、30%。此次疫情中，主要投入使用的是医疗服务机器人中的消毒机器人产品。

2019年中国医疗机器人市场结构

资料来源：产业信息网、探针资本整理

多方面利好促进中国医疗机器人行业发展，市场规模有望持续攀升。

（1）政策利好：自2015年以来，中国就相继发布了一系列重要政策文件来推动中国制造的转型升级，而医疗领域作为重要的民生领域，对医疗机器人研发生产的支持也一直是各大政策文件关注的重点。

我国医疗机器人相关政策

资料来源：探针资本整理

（2）供需矛盾推动：中国医疗供需矛盾是医疗机器人行业的发展动力和根本需求。造成中国医疗供需矛盾的原因主要如下：（1）医疗整体资源较少。中国人口总数占全世界人口的22%，但医疗资源只占世界医疗资源的2%。（2）医护人员的匮乏。每千人执业医生数仅为2.4，平均每1个医生需要服务1000个患者。（3）国内医疗资源分布严重不均。三甲医院主要集中于北上广和省会城市，而且集中了优秀的医护人员和先进设备。医疗优质资源集中于大城市引致大量外地患者涌入，造成基层医疗资源的浪费和医生临床经验不足，加剧医疗资源不均衡问题。（4）居民医疗需求迅速上升。根据《2018年卫生健康事业发展统计公报》显示，2018年，中国门诊总量比上年增加1.3亿人次，增长1.6%。居民平均就诊次数由2017年的5.9次增加到6.0次。中国住院总量比上年增长4.2%。年住院率由2017年的17.6%增加到18.2%，表明了中国医疗需求逐渐增长。

（3）人口老龄化推动。老年人口是医疗服务需求的主体，中国人口老龄化和老龄人口高龄化都呈现逐步加深态势，这将进一步增加居民对医疗服务的需求。人口预测结果显示，2020年、2030年、2040年、2050年我国60岁及以上老年人口数量将分别达到2.55亿人、3.71亿人、4.37亿人和4.83亿人，80岁及以上老年人口数量将分别达到0.29亿人、0.43亿人、0.67亿人和1.08亿人。

2020-2050年中国老年人数量测算

资料来源：《大健康产业蓝皮书2018》、探针资本整理

（5）居民可支配收入和公共卫生支出增长。根据国家统计局公布的数据，2020年全国居民人均可支配收入32189元，比上年增长4.7%，扣除价格因素实际增长2.1%；全国居民人均可支配收入中位数达27540元，同比增长3.8%。根据《中国卫生健康统计年鉴2020》数据统计，2019年我国卫生总费用达65841亿元，2009年至2019年十年复合增速14.1%。卫生费用占GDP% 2009年为5.03%，2019年为6.64%，十年间占比提升了1.61%。卫生总费用统计口径包括：社会医疗保障支出、商业健康保险费、社会办医支出、社会捐赠援助、行政事业性收费收入等。

2009-2019我国卫生总费用及其占GDP%

资料来源：《中国卫生健康统计年鉴2020》、探针资本整理

（6）资本驱动。据探针资本不完全统计，2020年和2021年医疗机器人领域投融资市场保持高度景气，2020年发生融资20余起，融资金额接近40亿元人民币，2021年融资超过30起，融资金额接近400亿人民币（包括微创机器人IPO）。其中最引人注目的企业是微创医疗孵化的微创机器人，2020年9月3日微创机器人完成30亿人民币的战略融资，本轮融资投后估值高达225亿元人民币，该事件是2020年国内整个机器人行业（包括工业机器人）规模最大的融资事件；2021年11月，微创机器人正式亮相港交所，尽管公司各产品管线均未实现商业化，公司在二级市场仍遭资本热捧，上市后市值超过650亿港元。

1.3医疗机器人产业链上下游分析

产业链较短，行业壁垒较高，技术驱动是医疗机器人行业的鲜明特点。医疗机器人行业的产业链上游是部件生产企业，主要产品包括伺服电机、传感器、控制器、减速器等；产业链中游主体是各类医疗机器人制造商；产业链下游主要是各类医疗机构，现阶段的应用领域包括手术、康复、消费医疗等。

医疗机器人产业链

资料来源：探针资本整理

1.3.1上游分析：核心零部件存在被“卡脖子”风险，国产化率有望提高

医疗机器人产业链的上游参与者是关键零部件生产厂商，主要是减速器、控制系统和伺服系统，其他包括一些人工智能芯片、通用人工智能技术系统等。从成本上来看，核心零部件占医疗机器人成本超过70%，是机器人行业利润主要来源。

医疗机器人不同零部件及本体成本

资料来源：中国产业信息网

上游关键零部件是影响医疗机器人性能最重要的部分。核心零部件技术壁垒由高到低为：减速器、伺服系统、控制系统。目前国内医疗机器人核心零部件市场主要被外资厂商垄断，严重制约中游企业生产需求，不利于医疗机器人行业的整体发展。具体而言：（1）减速器方面。国内主要有10家企业，但都起步较晚，技术尚不成熟，暂不能形成自给自足的局面，严重依赖日本进口，市场几乎全被日企所垄断；（2）伺服系统方面。中国伺服电机技术上与国外先进水平（日本、欧洲）存在差距，很大一部分伺服电机仍然依赖进口；（3）控制器方面。控制器是机器人产品中与国外产品差距最小的关键零部件。从整体上来看，控制器通常由成熟厂商自给自足。国内机器人控制器产品已较为成熟，与国外产品差距较小，可实现进口替代。

目前医疗机器人核心零部件国产化率相对较低，未来有较大的成长空间。根据相关数据显示，减速器、伺服电机和控制器中，国产化率分别约为30%、22%、35%。另外，国内采购核心零部件的成本高于国外同款机器人的整体售价，例如国内购买精密减速器的成本占生产成本的30%-40%，而在日本仅为25%。同时由于采购规模较小，相比于外资品牌更没有议价权，采购成本较高，成为制约国产机器人发展的主要瓶颈之一。在和技术成熟的国外全产业链厂商竞争时，国产本体厂商不具备成本优势和利润价格弹性空间，也造成了外资品牌在我国机器人市场中占主导地位的现状。国产医疗机器人若需要形成成熟的产业化、全面自主研发和降低机器人成本，上游核心部件加速国产化和供应力必须加速提上日程。

1.3.2下游分析：总体渗透率较低，医疗机构需求持续上升

现阶段医疗机器人在下游的市场渗透率很低。第一、我国的医疗机器人刚处于起步阶段，近十年才进入商业化轨道，发展时间较短，下游对于医疗机器人认可度的提高还需要时间的沉淀。第二、目前医疗机器人购置成本较高，政府对医疗机器人相关的收费政策未完善，医疗机构不确定机器人的回本周期和向终端用户收费的标准，导致下游的医疗机构缺乏购买意愿和动力。第三、医疗机器人维护成本费用也比较昂贵。以达芬奇机器人为例，其设备价格高达2000万人民币，每年需要支付150万人民币的维护保养费用，此外还有高消耗的手术机械材料。第四、供应方面存在不足。医疗机器人相比于其他行业，本身研发周期长和产业发展缓慢，叠加中国手术机器人受到上游原材料供应和技术水平的制约，中国无法进行大规模生产从而导致下游普及率低。

未来医疗机器人的下游客户数量足够庞大、市场天花板够高。随着国产手术机器人的逐步技术升级和国产替代化，医院购买机器设备和耗材的费用将大幅下降，患者承担的手术费用也将趋于合理，未来机器人辅助手术纳入医保也指日可待，刺激下游购买医疗机器人的需求。我国共有293个地级市和100余个经济发展水平较好的“百强县”，按每个行政区域购买一台手术机器人来看，缺口接近400台；截至2021年一季度，我国共有三级甲等医院3044家，除配备手术机器人外，卫健委已经明确公立医院康复科的建设要求，而公立医院康复科就是康复机器人最主要的下游客户，据此乐观估计，仅此两类应用场景就能产生近万台的医疗机器人需求，市场规模至少在百亿人民币数量级。

二、医疗机器人核心零部件分析

医疗机器人虽然种类众多，但是不同类型的医疗机器人都具有一些相同的非常重要的核心零部件。这些零部件包括了伺服系统、传感器、减速机、控制器等。此外，有些医疗机器人因为使用的场景不同，可能会有自己独特的零部件，比如各种不同的手术器械等。

2.1伺服系统

伺服系统是机器人的心脏，为机器人的运动提供动力来源。伺服系统是通过运用机电能量变换、驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等实现精准驱动与系统控制，从而实现执行机械对未知指令准确跟踪的控制系统。机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。伺服系统按执行元件分为液压伺服系统、电气伺服系统和气动伺服系统。

气动伺服系统、液压伺服系统、电气伺服系统

图片来源：机器人之家

伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、控制器三部分组成。伺服驱动器负责将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令，再传递给执行机构（伺服电机），伺服电机将收到的电流信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，实现每一个关节的角度、角速度和关节转矩的控制。伺服系统是典型的被控机械结构，还需要控制器的信号输入来形成控制环，进而利用驱动电机将只转化为机械能带动下游机械进行物理运动。

伺服系统的组成部分及作用原理

图片来源：信达证券研发中心

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置，伺服电机是伺服系统最为重要的部分，其功率的大小等决定了伺服系统的功能效果。伺服电机可以将电压信号转化为转矩和转速，从而在驱动控制对象的同时还可以控制速度，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，位置精度非常准确。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机涉及的零部件（永磁材料、定子、转子、轴承等）生产商中，永磁材料生产商议价能力最强。目前钕磁铁永磁材料平均最高工作温度可以到150度范围，高性能产品最高工作温度范围高达180度，可轻松满足大多数电机的使用要求。永磁体材料的使用可以进一步简化电机的结构，通过消除转子的滑环与电刷直接减少了转子的体积，使无刷结构得以实现。在降损和散热的双重需求下，目前大部分的中小功率电动机已经采用了永磁式结构，永磁材料生产商成为产业链上游的关键构成。

医疗机器人对于伺服电机的要求较高。医疗机器人有时需要具备人手的柔顺性，要求电机能以“罐头”大小实现高性能，提高质量和效率并保证安全。医疗机器人对伺服电机的高要求主要有以下方面：（1）要求伺服电机具有快速响应性。由于有些医疗机器人如配送机器人一般运行在频繁的加速、启停的情况下，因此要求伺服电机具有响应能力高，调速范围大的特点，也对伺服系统的散热性有一定需求。（2）医疗机器人往往在比较小的密闭手术空间进行工作，为了配合机器人的体形，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短，即功率密度大。（3）能经受得起苛刻的运行条件，具有较高的可靠性与稳定性。以植发机器人为例，往往需要长时间不停的进行固定动作，才能将数万毛囊不停的进行移取并种植，这对电机的稳定性等提高了较高的要求。

中国国内伺服电机的参与者众多，可以分为日系、欧美系、台系和国产系四类厂商。目前我国伺服电机中高端市场主要被国外企业垄断：以西门子、施耐德、博世力士乐等为代表的欧美品牌产品过载能力高，动态响应好，驱动器开放性强，但价格昂贵，体积重量大，在高端设备和生产线方面比较有竞争力，占据20%的国内市场份额；日系品牌以小功率和中功率为主，以松下、安川、三菱、三洋等为代表的日系品牌在技术和性能水平比较符合中国用户的需求，以良好的性价比和较高的可靠性获得了稳定且持续的客户源，占据50%以上国内市场份额；台系以台达电子为代表，其性能接近日系，价格介于国产与日系之间，性价比高，在中低端市场发展较快，市场占有率约10%。

中国伺服电机市场格局

图片来源：信达证券研发中心

国产伺服电机技术相对落后，产品主要在中低端领域，但国内多家企业均已开发了机器人使用的伺服电机。目前我国企业在中低端伺服领域已经可以实现大规模量产，以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求，主要公司有汇川技术、埃斯顿、英威腾、华中数控、广州数控等。

2.2减速机

减速器是一种应用广泛的减速传动装置，可将传动设备在高速运转时的动力，通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以达到降低转速和增大转矩的目的。减速器种类繁多、型号各异，按照控制精度，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器控制精度低，可满足通用机械设备基本的动力传动需求。精密减速器精度高、使用寿命长、回程间隙小、可靠性高，适用于精密控制需求高的机器人、数控机床、航空航天等高端领域。

减速器是是机器人最为重要的核心零部件，根据作用原理将用于机器人的减速器主要有两种：RV减速器和谐波减速器。谐波减速器是一种单级的齿轮减速器，由波发生器、柔轮和刚轮组成，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，同时柔轮与刚轮啮合负责传递动力，以此达到减速的目的。与RV减速器相比，谐波减速器结构简单，承载能力强。RV减速器是一种两级减速器，由一个行星减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成。它较机器人中常用的谐波减速器具有更高的耐疲劳强度、刚度和使用寿命，而且回差精度稳定。

RV减速器和谐波减速器

图片来源：平安证券

随着技术的日益成熟，精密减速器越来越体现出高精度、高钢性、高负载、传动效率高、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、低温升、结构轻巧、安装方便等优点，其应用领域涵盖了机器人、数控机床、航空航天、医疗器械、卫浴陶瓷、新能源等诸多领域，展示出其广阔的发展前景。

精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求，具有明显的投资门槛高、技术难度大等特点，行业壁垒极高。也正因此，长期以来全球机器人减速器市场一直呈现高度集中状态。其中日本纳博特斯克在RV减速器领域处垄断地位，日本哈默纳科则在谐波减速器领域处垄断地位，两家合计占全球市场的75%左右。除此之外，以住友为代表的日系RV减速器生产厂商以及以新宝为代表的日系谐波减速器生产厂商合计占全球减速器市场份额也高达10%以上，全球减速器市场呈现出以日本企业一派独大的高度集中化局面。由于其极高的技术壁垒，机器人本体制造环节对减速器环节议价能力很弱。

中国减速器行业已形成了由外资品牌主导，国产品牌追赶的竞争格局。2018年国产减速器出货量占国内市场份额不足30%，而近70%以上的市场份额则由外资品牌占据，哈默纳科和纳博特斯克分别在谐波减速器和RV减速器出货量上稳居国内市场份额第一，在国内减速器市场占有绝对领先优势。国产品牌起步较晚，目前已有苏州绿的、来福谐波、南通振康、秦川机床、中大力德等多家减速器厂商实现量产，市场接受度逐年提升。

2018年中国减速器企业市场份额格局

图片来源：信达证券研发中心

虽然国产减速器在加速追赶，但是在有些方面与日系品牌仍存在差距。具体来说，谐波减速器方面，在基本性能指标上，国产品牌与哈默纳科相差无几，部分指标能够超越世界先进水平。但在寿命、可靠性与稳定性、噪音与发热等重要隐形指标上，国产谐波减速器与哈默纳科差距较大。哈默纳科谐波减速器产品物理寿命超过12000小时，并且能够做到在8000小时内精度几乎不会下降，而国产产品难以在如此长的时间内保证精度。同时在产品可靠性与稳定性方面，国产产品在面临过载等较为复杂工况环境时，其性能大打折扣。RV减速器方面，国内厂商介入机器人RV减速器市场的时间较短，技术少有突破，整体竞争力均弱于国外品牌。在基本性能指标上，国产减速器主要表现在空程与背隙、启动转矩，以及扭转刚度等指标与国外产品差距明显，这表明国产RV减速器在扭转力矩的作用下，国产产品工作精度与抗扭转变形的能力要劣于世界先进水平，即齿形设计以及负载能力有待加强。同时，国产RV减速器产品物理寿命、稳定性、以及发热和噪音等隐性指标也与纳博特斯克差距甚远。纳博特斯克RV减速器产品的平均寿命一般可达10000小时以上，在设定的工作寿命时间内可严格保持精度和刚度不下降，而国产产品均低于6000小时，这是RV减速器的重要差距之一。在产品噪音和发热上，国产品牌的噪声和发热量明显高于国外品牌。噪声和发热意味着减速器内部存在齿轮啮合不良，有超额摩擦磨损现象，即减速器不是在一种正常的工况下进行工作，对减速器机械寿命将产生不良影响，这也一直是国产RV减速器被下游应用厂商拒之门外的重要原因之一。

2.3传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。通过传感器提供的信息，机器人不仅可以对自身的姿态、速度、加速度、等其他特性进行控制，而且可以进行任务规划、路径规划、以完成既定的不同的工作任务和工作目标。

传感器有多种分类标准，按被测量类型可分为压力、温度、气体、湿度传感器等，按工作原理可分为光电、压电、电容、热电传感器等，按输出信号形式可分为模拟式、数字式传感器。机器人常用传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器主要用来检测机器人本身状态（如手臂间角度），多为检测位置和角度的传感器。外部传感器主要用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。

机器人常用的几种传感器

图片来源：网络

（1）视觉传感器

（2）力扭矩传感器

力扭矩传感器是一种可以让机器人知道力的传感器，可以对机器人手臂上的力进行监控，根据数据分析，对机器人接下来行为作出指导。

（3）碰撞检测传感器

（4）安全传感器

与上面的碰撞检测传感器不同，使用安全传感器可以让工业机器人感觉到周围存在的物体，安全传感器的存在，避免机器人与其他物体发生碰撞。

（5）电磁传感器

现代的磁旋转传感器主要包括有四相传感器和单相传感器。在工作过程中，四相差动旋转传感器用一对检测单元实现差动检测，另一对实现倒差动检测。这样，四相传感器的检测能力是单元件的四倍。而二元件的单相旋转传感器也有自己的优点，也就是小巧可靠的特点，并且输出信号大，能检测低速运动，抗环境影响和抗噪声能力强，成本低。因此单相传感器也将有很好的市场。

（6）光纤传感器

光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

（7）仿生传感器

仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是机能高、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。

（8）红外传感器

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

（9）压力传感器

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别压电传感器的外形是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

机器人传感器和信息融合

图片来源：vlsiresearch

传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题，它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了一种技术解决途径。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。融合后的多传感器信息具有以下特性：冗余性、互补性、实时性和低成本性。目前多传感器信息融合方法主要有贝叶斯估计、Dempster-Shafer理论、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等。

传感器作为现代信息技术的支柱之一，各国都投入大量资源予以支持。其中，美国、日本、德国的市场份额合计占到近七成，而我国直到1972年才组建成立第一批压阻传感器研制生产单位，起步较晚没有充分的技术积累，与世界领先水平存在一定差距。目前我国仍有大约60%的敏感元件与传感器和80%的核心芯片依赖进口，致使中高端产品的国产化缺口巨大，国外企业的控制不仅造成经济利益损失且严重威胁我国信息安全，同时也制约了下游的整体发展。在未来，传感器领域将会成为各国进行主要竞争的热门赛道。

2.4控制器

机器人控制器是与机器人本体相连，能够接收用户指令、并控制机器人本体动作的装置，相当于机器人的“大脑”。控制器接收来自其他各组元的信号、根据已编程的系统进行处理后，向各组元发出指令，进而控制各组元的运行，它是机器人实现特定功能的中枢单元。

机器人控制器示意图

图片来源：信达证券研发中心

国内机器人控制器市场多被日系及欧美品牌占据。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。未来几年中国国产机器人将得到快速发展，国产机器人控制器应用市场面临较好的发展契机，尤其是在运动控制领域深耕多年的企业。

国内外重点机器人控制器企业及产品系列

图片来源：机器人之家

2.5导航系统相关（磁导航、超声探头、光学等）

医疗机器人使用的导航技术的应用场景主要有以下两种：1、机器人通用导航技术，主要用于下文中的医疗服务机器人移动到指定位置并规避障碍物；2、各类手术导航技术，主要用于侵入性治疗中帮助机器人精准确定病患部位并实施手术、穿刺、介入等等治疗行为。

机器人实现导航需要硬件部分和软件部分来实现。硬件部分如超声探头、磁性物质、力传感器，激光雷达等负责具体感知机器人在空间中的位置。软件部分包括各种算法主要负责计算机器人的空间坐标，并进行规划以及下达命令等。

2、手术导航技术是通过使用三维位置传感器来跟踪目标器官、手术工具或植入物, 将病人术前或术中的医学影像数据和病人在手术中的位置等信息进行对应, 引导手术器械到达病灶位置, 完成相应的技术。手术机器人导航与其他领域导航的一致性在于其导航的本质都是在空间中定位。而手术机器人的导航不需要对整个手术环境全局进行定位, 只是需要针对手术机器人工作空间进行定位导航。

手术导航技术历史：1986 年美国斯坦福医学院的 Roberts 博士最早将导航技术应用于临床，他将CT 图像与手术显微镜结合起来，运用超声定位来引导手术，在临床上取得了成功。随后 Bernett 和 Reinhaedt 对声波系统进行改进，使精度有了一定的提高。1991 年日本的 Wanatabe 和美国的 Pell 相继发明了遥控关节臂定位系统。HeilBrun等人利用三目和双目机器视觉原理，使用普通光或红外光成像系统实现空间定位，这种定位仪的精度较高，但是与超声系统一样，存在着瞄准线约束问题。Kato 设计了一种电磁导向仪，由三维磁场源、磁场探测器、三维数字化仪和计算机组成，这种设备的优点是磁场探测器可以放在任何地方，不足之处是手术室存在许多影响电磁场分布的金属材料。在融合显示方面，导航系统把内窥镜所见的术野与相应的 CT 或 MRI 照片同步地显示在屏幕上，外科医生能更加准确的发现和处理病灶，避免健康组织受到损伤。国外对于手术导航系统的研究起步比较早，有很多科研机构从事这方面的研究和开发工作，如 ETH, MAYO, Montreal, SPL, Shadyside, INRIA, GE 等，并且己经开发出一些优秀的已应用于临床的手术导航系统，也已引进到国内的医院，如：Medtronic 公司的 Stealth Station 神经外科手术导航系统，Brain Lab 公司的3D Vector Vision 导航系统，Surgical Navigation Technologies 公司的 Land Marx 导航系统等。

国内对于手术导航系统的研究起步比较晚，一些科研生产机构（如北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海复旦大学和安科公司等）在这方面的研究进展较快。北京航空航天大学 1996 年率先开始进行机器人辅助神经外科手术的研究，并在此领域取得突破性进展。三个型号的无框架立体定向神经外科机器人手术系统(CRAS-BH2 型、CRAS-BH3 型和 BH600 型)都分别在海军总医院获得成功的临床应用。另外，还包括哈尔滨工业大学的正骨手术机器人导航系统、南开大学的机器人辅助显微外科手术导航系统、北京理工大学的全口义齿机器人导航系统。但是，已经成为产品可以应用于临床的国产手术导航系统是安科公司在 1999 年推出的安科手术导航系统，它仍主要是应用于神经外科的手术导航中。

手术导航技术分类：根据定位原理的不同, 手术导航可分为机械臂式定位法、超声波定位法、电磁式定位法和光学定位法。

1）机械臂式空间定位方法是无框架定位装置的最初想法，它源于工业机器人的设计。该空间定位器由 6 个自由度的被动机械臂构成，每个关节处有电位器构成的编码器，被动臂末端(或连接的工具)的位置和姿态可以通过机械臂的几何模型与编码器的输出值实时计算出来。机械臂定位器空间定位精度很高，通常可以达到毫米以内，但它比较笨重，安装麻烦，另外，由于它需要接触患者，存在设备的消毒问题。

2）超声测量属于非接触式测量(相对于机械式空间定位器)，是一种简单而廉价的技术。它基于超声波传播时间的测量，可探测多点或多刚体的位置，对手术区域无阻碍，但存在光路遮挡的问题，温度、湿度、气流以及发射器的尺寸是影响精度的主要因素。虽然在理论上可以达到亚毫米精度，但实际中很难实现，一般认为是几种定位方式中精度最低的一种，因此这种定位方式己经基本上被淘汰。

3）电磁导航通过电磁定位技术确定患处与手术器械的相对位置，电磁定位器包含 3 个磁场发生器，每个磁场发生器线圈定义一个空间方向，探测器线圈检测通过空气或软组织的低频磁场，由发生器的相对位置关系可以确定探测器的空间位置，从而对目标进行定位。由于它的造价低，探测器与发生器之间没有光路问题，尤其适合目标点位于病人体内时的定位要求，如穿刺针、介入导管的定位等。电磁导航具有小切口设计、术中出血少、降低手术并发症以及提高手术精度等优势。Amin等人以及 Kilian 等人分别提出了基于超声的图像配准, 并使用电磁定位系统, 实现手术器械的跟踪, 最终引导手术机器人完成手术。然而, 电磁定位的缺点在于定位精度易受到金属材料的影响, 从而降低跟踪和导航的精度。因此, 电磁导航在实际应用中的一个关键是手术室的无磁化处理, 也就是说手术室的工具均要使用非金属材料。目前这一条件难以实现, 所以电磁导航距离广泛应用仍有一定的距离。

4）光学导航定位方法是目前在导航系统中应用最多的定位方式，它的定位精度较高(仅次于机械臂方式)。它采用摄像机观察目标，然后应用双眼视觉原理重建出目标的空间位置。根据被观察目标是否主动发射光线，可将其分为主动式与被动式两种。光学定位器是目前定位系统研究的热点，特别是被动式光学定位器是导航系统中空间定位方法的主流。

Polaris 光学定位仪

图片来源：网络

被式光学导航：被动的导航系统在初始的空间标定后, 手术过程中不再进行器械与骨结构的相对定位测量, 只是作为一种术中提供信息的系统, 不会影响医生在术中的操作。这种方式相对便于实现, 技术成熟度高。被动导航的关键是如何在手术开始时通过标定等方式, 建立术前规划与患者的实际体位的对应关系。采用美国 Integrated Surgical Systems 公司被动导航技术的 ROBODOC 机器人系统是最早一款真正具有导航功能的实用化手术机器人，其导航功能是基于图像配准技术实现的。ROBODOC 由术前规划工作站 ORTHODOC 和一个五连杆机械手臂与高速磨削装置构成，ROBODOC 的术前规划在ORTHODOC 中完成,通过术前预先植入的3枚钛钉可以完成术前图像和术中手术空间的配准和标定,并将术前规划轨迹传送至机器人, 从而引导手术机器人完成髓骨置换以及修复和膝关节置换等手术。在手术过程中, ROBODOC 系统无法实时获取机器人和患者的绝对位置关系, 只能通过空间配准和标定结果进行测算, 因此需要将骨结构与机器人相对固定, 以保障手术的安全性。

主动式光学导航：基于主动的光学定位跟踪的手术导航系统, 用于辅助医生完成某些复杂的需要精确定位的手术, 如微创神经手术、微创骨科手术等。尽管目前诸如通用、西门子、飞利浦、美敦力等大型医疗器械公司均已推出自己的手术导航系统, 但在临床中均未得到广泛的推广。人工操作繁琐且可能影响精度是主要的问题，因此，将光学定位与计算机技术、机器人技术相结合的主动式光学导航技术是目前研究的重点。

基于主动导航的骨科手术机器人系统要求使用某类医学图像进行手术规划和手术机器人定位。因此, 可以根据骨科常用的医学图像将基于光学的手术导航系统进一步划分为二维图像导航和三维图像导航。以骨科手术为例：二维图像导航技术中, 常用的二维图像为 X 射线图像, 针对 X 射线图像的引导是指在术中使用 X 射线获取术中透视图像, 将实际的手术路径和术前规划进行比较, 进而引导手术机器人完成术前规划路径。三维图像一般指 CT 图像或者 MR 图像。基于三维图像的术中导航的优势在于, 通过三维图像的术前规划, 可以直接将手术规划与手术导航系统采集的信息进行比较, 从而免去了手术配准的过程。基于三维图像的光学导航的缺点在于, 需要进行复杂的计算过程, 对系统计算能力要求高, 实时性较差, 因此三维医学图像采集设备无法获取手术器械绝对位置等实时信息。

二维图像导航技术用于机器人辅助十字韧带重建手术

图片来源：Liao,H等《Surgical manipulator with linkage mechanism for anterior cruciate ligament reconstruction》

从大量的研究可以看出, 无论是二维还是三维图像, 基于光学导航的手术机器人需要与医学图像技术相结合, 光学导航的优势在于其鲁棒性和精确性。研究表明, 由于手术过程是间接可视化过程, 手术造成的术中可形变部位在手术的期间会导致误差的产生。但基于图像的导航系统程序可以有效的校正误差, 从而提高手术的准确性。光学导航系统的优势在于其不受磁材料的影响而导致定位的失真, 同时, 光学导航系统工作区域广泛、精度高, 成为目前使用较为广泛的导航方式。

2.6其他医学相关器械（如超声刀等）

传统的医疗手术需要医生亲自手持医疗器械作用于人体不同器官，从而达到治疗效果。将医疗机器人代替医生进行手术时，需要医疗机器人肢体掌握不同医疗器械，直接作用于病患部位进而达到与医生亲自手术的相同甚至更好的治疗效果。医学相关器械对于医疗机器人发挥作用十分的重要，一般要具有灵活度高、安装便捷、方便做无菌化处理等特点。这种器械常包含手术钳、手术剪刀、超声刀、高频电刀、吻合器等工具。

手术机器人专用器械朝着体积小巧、受力大、精度高、灵活性好、可靠性高方向发展。手术器械的性能主要取决于器械结构和传动系统，材料的人体兼容性非常关键。国产企业在微创手术机器人用手术器械的研究上起步较晚，在复杂小尺寸传动上距国外相关产品有一定差距，未来在传动结构紧凑化和运动控制精细化方面缩小与国外产品差距的同时，也有优化手术器械传动链和探索传动机构新原理。

代表产品Endowrist：da Vinci 手术机器人系统的 Endowrist 系列手术器械已经非常成熟，器械本身具有 4个自由度，安装在机械臂上可模仿人手腕 7 自由度运动，并利用钢丝绳传动系统，以满足狭小空间下微创外科手术对精度和灵活性要求。钢丝绳长时间使用会出现磨损松动等现象，因此针对钢丝绳设有张紧装置，并且每使用 10 次进行更换（更换费用1000-2000美元）。

da Vinci手术机器人的配套Endowrist手术钳

图片来源：CNKI

注：由于本篇行业研究内容较长，后续内容将陆续发布。

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