工業(yè)機器人國產(chǎn)化的脖子利潤率：減速器40%伺服系統(tǒng) 35%控制器25%三大核心
人類害怕機器，始于第一次工業(yè)革命。
由于機器的生產(chǎn)力遠勝人類，引發(fā)了工具對人的替代、人與技術的關系、技術決定論以及技術恐懼癥等一系列思潮，隨著工業(yè)生產(chǎn)對社會的全面改造，這些思考也深刻嵌入各種社會議題。這一時期，人們對機器生產(chǎn)可能剝奪勞動者工作崗位的焦慮，即“替代恐懼”成為社會最突出的焦慮。極端表現(xiàn)為成規(guī)模的“盧德運動”。
但是時代變了 —— 人與機器的關系，或許會因為勞動力拐點的到來，出現(xiàn)新的故事。
隨著工業(yè)化程度的不斷加深，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展進步，人力成本以及人口結(jié)構(gòu)的改變，勞動力短缺已經(jīng)代替勞動力過剩，成了主要制造業(yè)國家面臨的主要矛盾。
例如我國制造業(yè)的勞動力短缺，幾乎成為常態(tài)。但工業(yè)生產(chǎn)的某些特質(zhì)決定了，提薪招工僅是權(quán)宜之計，大多數(shù)制造業(yè)的利潤空間不太可能支持薪資持續(xù)上漲，這也是制造業(yè)向低人力成本地區(qū)轉(zhuǎn)移的基本內(nèi)在邏輯。
無論是想降低人力成本，還是解決勞動力短缺，用機器人投入生產(chǎn)，成了制造業(yè)必然的選擇，是我國近年工業(yè)機器人行業(yè)繁榮的主要驅(qū)動力。
從市場規(guī)模看，盡管中美貿(mào)易沖突對行業(yè)造成了一定沖擊，全球范圍內(nèi)的工業(yè)機器人保有量仍在穩(wěn)步增長。根據(jù) IFR（世界機器人聯(lián)盟）數(shù)據(jù)顯示，2020 年的全球工業(yè)機器人保有量為 301.5 萬臺，較 2019 年增長 10.4%，在 10 年內(nèi)增長超過 160%（2011 年為 115.3 萬臺）[1]。
中國是世界上最大的工業(yè)機器人市場。且增速遠超行業(yè)平均水平。根據(jù) IFR 的統(tǒng)計，2020 年中國機器人的年安裝量排名第一，達到 16.8 萬臺，超過了第 2~15 名的總和，是十年前的 7 倍有余（2.3 萬臺）[1]。
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2020 年全球工業(yè)機器人安裝量，圖源 | IFR
中國的繁榮并非孤例，對工業(yè)機器人的旺盛需求，也出現(xiàn)在全球供應鏈的另一個重要制造業(yè)中心，美國。根據(jù)美國自動化促進協(xié)會（Association for Advancing Automation）的數(shù)據(jù)，2022 年第一季度美國機器人訂單增長了 40%，2021 年整體增長了 21%—— 這也是勞動力短缺持續(xù)惡化的結(jié)果 [2]。
因此，工業(yè)機器人對未來制造業(yè)有著關鍵影響。本文將從產(chǎn)業(yè)鏈概況開始，解析關鍵環(huán)節(jié)，詳述我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀、主要制約因素以及行業(yè)未來發(fā)展趨勢。
工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)鏈概況
工業(yè)機器人主要職責是在生產(chǎn)線上進行搬運、碼垛、焊接、打磨、噴涂、組裝等，廣泛應用于汽車制造、3C 電子、金屬加工、食品飲料、半導體等多個行業(yè)。工業(yè)機器人的研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志，被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。
盡管相關研究起步于上世紀七十年代，但至今我國工業(yè)機器人的國產(chǎn)化率仍較低。尤其是占成本比例較大、且利潤較高的核心零部件，其高端化生產(chǎn)制造仍由在國外廠商掌握。
工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈
工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈上游是零部件，包括核心零部件和其它零部件；中游是本體制造，按照機械結(jié)構(gòu)和運動方式的不同，可分為多種類型；下游是機器人系統(tǒng)集成，應用于不同行業(yè)場景。
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▲ 公開信息整理 | 果殼硬科技制表
在工業(yè)機器人的成本構(gòu)成中，本體制造僅占約 22%，核心零部件占比超過 70%。
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▲ 公開信息整理
而在利潤方面，本體制造僅有 15%，三大核心零部件的利潤率均高于此：減速器 40%，伺服系統(tǒng) 35%，控制器 25%。
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▲ 公開信息整理
若自下而上審視國產(chǎn)機器人產(chǎn)業(yè)，我們會發(fā)現(xiàn)，目前工業(yè)機器人下游應用端國產(chǎn)化率較高，但中上游則面臨明顯的卡脖子現(xiàn)狀。
國內(nèi)廠商在渠道、價格、服務等方面占優(yōu)，因此主要在系統(tǒng)集成領域展開競爭，實現(xiàn)工業(yè)機器人在特定場景的應用部署。截至 2020 年 6 月，MIR DATABANK 數(shù)據(jù)庫共收錄 9456 家本土工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商，占據(jù)了全國 80% 的集成市場。本土集成商在電子行業(yè)的競爭力較強，而在傳統(tǒng)的汽車制造領域競爭力較弱，呈現(xiàn)數(shù)量多，規(guī)模小的業(yè)態(tài) [3]。
中游的本體制造環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化率很低，僅為 27%[4]。不過本體制造是一個比較復雜的話題，若聚焦在工業(yè)機器人領域，行業(yè)長期被”四大家族“（發(fā)那科、安川、ABB、庫卡）把持，國內(nèi)僅有少數(shù)廠商可勉強跟隨。但若把目光放在更宏觀的機器人本體制造，在移動機器人（AGV / AMR）、協(xié)作機器人等領域，近年來本土廠商的競爭力不錯，機器人本體制造的國產(chǎn)化率可觀。由于這一環(huán)節(jié)的利潤率并不高，參與競爭的難度又過大，是否要國產(chǎn)化存在不同觀點，與企業(yè)具體商業(yè)模式與發(fā)展路線密切相關，需要具體問題具體分析，本文不再贅述。
在上游環(huán)節(jié)，減速器、伺服系統(tǒng)、控制器此三種的最核心的零部件，國產(chǎn)化率僅為 36.53%、24.50%、31.20%[5]。相較于復雜的中游制造環(huán)節(jié)，核心零部件的邏輯更為簡單直接 —— 無論其它環(huán)節(jié)業(yè)態(tài)如何，該環(huán)節(jié)的需求永遠存在，是整個機器人工業(yè)的基石。若能實現(xiàn)上游零部件的國產(chǎn)化替代，不僅能解決供應鏈安全問題，也能顯著降低工業(yè)機器人的應用成本，并縮短拿貨周期，進一步推動工業(yè)機器人的應用，提升智能制造水平。
工業(yè)機器人核心零部件
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▲ 工業(yè)機器人工作場景及構(gòu)成，圖源 | 廣證恒生
工業(yè)機器人核心零部件包括控制器、減速器、伺服系統(tǒng)。此三個裝置，決定了工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的精密運動，在一些生產(chǎn)環(huán)節(jié)中代替人力。這也意味著其質(zhì)量對最終產(chǎn)品的性能有著決定性影響，是國產(chǎn)化進程的主攻方向。
控制器
控制器是決定機器人功能和性能的主要部分相當于大腦，能控制機器人在工作空間中的位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序、運動時間等。
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▲ 工業(yè)機器人控制器（左）及本體（右），圖源 | ABB 官網(wǎng)
控制器主要包括硬件和軟件兩部分。硬件部分是工業(yè)控制板卡，包括主控單元和部分信號處理電路。軟件部分主要包括底層操作系統(tǒng)、控制算法、二次擴展開發(fā)等。
控制器接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務要求，經(jīng)過算法計算后發(fā)出指令信息，驅(qū)動機器人關節(jié)中的各個電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對機器人的精密控制。
控制系統(tǒng)的基本功能包括記憶、示教、坐標設置、與外圍設備聯(lián)系、位置伺服、故障診斷及安全保護等等。
伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是機器人的動力系統(tǒng)，相當于“心臟”。伺服系統(tǒng)接收來自控制器的信息，并轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。
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▲ 伺服系統(tǒng)工作原理，圖源 | 信達證券
伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、伺服電機、編碼器三部分組成。伺服驅(qū)動器將從控制器接收到的信息分解為單個自由度系統(tǒng)能夠執(zhí)行的命令，傳遞給伺服電機；伺服電機再將收到的電信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動控制對象；編碼器將電機的編碼信號反饋給控制器，很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的精度。
當前，工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)主要是電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)。按照功率大小，可以分為小型 / 中型 / 大型伺服系統(tǒng)。
減速器
減速器是控制機器人運動的核心部件，相當于“關節(jié)”。減速器是鏈接伺服系統(tǒng)和末端執(zhí)行器的中間裝置，能夠降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動“關節(jié)”運動。
減速器通過齒輪的嚙合，將電機的轉(zhuǎn)速減速到機器人各“關節(jié)”運動實際需要的轉(zhuǎn)速，并輸出更大的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動“關節(jié)”運動。
工業(yè)機器人中的減速器主要是諧波減速器和 RV 減速器兩類。
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▲ RV 減速器軸承分類，圖源 | GB / T 34897-2017
根據(jù) GB / T 34897-2017《滾動軸承工業(yè)機器人 RV 減速器用精密軸承》[6] 定義，RV 減速器是傳統(tǒng)擺線針輪和行星齒輪傳動裝置的混合。RV 減速器由多個高密度軸承和齒輪組成，應用于重載機器人的全部關節(jié)，以及輕載機器人的部分關節(jié)，類似于“大臂”“肩膀”等位置。
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▲ 諧波減速器結(jié)構(gòu)，圖源 | 綠的諧波招股書
根據(jù) GB / T 30819-2014《機器人用諧波齒輪減速器》[7] 定義，諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪、鋼輪三部分構(gòu)成。諧波減速器結(jié)構(gòu)簡單，一般應用于輕載機器人的部分關節(jié)中，類似于“前臂”“手腕”等位置。
核心零部件國產(chǎn)化進度如何？
當前我國的工業(yè)機器人核心零部件國產(chǎn)化水平不一，差距很大。控制器的進度最為喜人，減速器則面臨較多技術難題。
減速器：RV 減速器成為“卡脖子”的關鍵
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▲ 全球減速器市場，圖源 | 廣證恒生
全球減速器市場被日本壟斷多年。RV 減速器巨頭納博特斯克占據(jù)了全球 60% 的減速器市場，而諧波減速器領先者哈默納科緊隨其后，占據(jù)了 15% 的市場 [8]。
納博特斯克于 2003 年 9 月成立于日本，在 RV 減速器領域深耕近 20 年，因“高精度、高剛性、長壽命”以及“小尺寸、輕重量”等特點而在全球范圍內(nèi)廣受好評。哈默納科于 1970 年成立于日本，深耕諧波減速器領域長達 50 余年。而國內(nèi)相關企業(yè)開始研發(fā)減速器的時間較晚，在經(jīng)驗積累及實踐驗證周期上難以趕超日企。
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相對而言，諧波減速器的國產(chǎn)化程度較高。由于僅有三個零部件，機械構(gòu)造較為簡單，且哈默納科的專利于 2008 年到期，國內(nèi)廠商開始把握住學習及研發(fā)的機會。
當前，哈默納科仍然在中國占據(jù)較大的市場份額，緊隨其后的是國內(nèi)廠商綠的諧波和來福諧波。這兩家企業(yè)均有著十余年的研發(fā)經(jīng)驗，其諧波減速器產(chǎn)品在輸出轉(zhuǎn)速、傳送精度等性能上與哈默納科差距較小，但在精度保持使用壽命、傳動效率等方面仍有差距。
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▲ 國內(nèi)外減速器產(chǎn)品指標對比，圖源 | 東吳證券
一方面，國產(chǎn)諧波減速器的價格較低，且交貨周期較短，因此拿下了許多國內(nèi)機器人廠商的訂單。例如，綠的諧波和來福諧波的同類型產(chǎn)品比哈默納科低 40%~50%，平均交貨周期約為 2 個月（哈默納科為 10 個月）[8]。綠的諧波在國內(nèi)機器人廠商中的占有率預計已達 80%[9]。
但另一方面，國內(nèi)廠商的產(chǎn)能仍然較低。來福諧波在 2019 年產(chǎn)能剛剛邁過月產(chǎn) 2 萬臺 [10]，綠的諧波在 2019 年的產(chǎn)能僅為 9 萬臺，而哈默納科在 2018 年即達到 180 萬臺 [8]。
目前減速器國產(chǎn)替代進程只能算剛起步，距離國際先進水平仍有不小差距。
且由于哈默納科產(chǎn)品線更豐富、覆蓋范圍更廣，且在全球范圍內(nèi)與機器人本體制造龍頭廠商具備穩(wěn)固的合作關系，為之提供的供貨價更低、供貨規(guī)模更大。如何打入現(xiàn)有供應鏈，建立上下游關系，也是國產(chǎn)制造商必須面對的挑戰(zhàn)。
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在 RV 減速器領域，由于其組成零件更復雜、承載強度更高，導致制造難度和產(chǎn)線投資規(guī)模都遠大于諧波減速器。RV 減速器的核心難點在于各項工藝的精密配合，例如材料選擇、齒面熱處理、加工精度、成組技術、裝配精度等，配合不夠精密就會影響產(chǎn)品的磨損及壽命。
例如，納博特斯克的 RV 減速器可保持 10000 小時的平均壽命，且精度和剛度不會隨著使用時間增加而下降。而國產(chǎn)產(chǎn)品的壽命低于 6000 小時，且在使用中存在噪聲和發(fā)熱等不正常現(xiàn)象，這意味著減速器內(nèi)部存在齒輪嚙合不良，有超額摩擦、磨損現(xiàn)象 [11]。
因此，我國在 RV 減速器領域與國際水平差異較大。部分龍頭企業(yè)如雙環(huán)傳動、秦川機床、南通振康、中大力德等，目前的年產(chǎn)量均不足 10 萬臺。而據(jù)納博特斯克估計，其 2026 年的年產(chǎn)量將達到 200 萬臺 [12]。
伺服系統(tǒng)：國產(chǎn)替代空間較大
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▲ 中國伺服系統(tǒng)市場格局，圖源 | 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
當前，本土伺服市場被日本、歐美、中國大陸、中國臺灣四類廠商占據(jù) [13]。其中，中高端市場主要被歐美和日系企業(yè)壟斷。
以安川電機為代表的日系伺服，經(jīng)過幾十年的技術沉淀，產(chǎn)品穩(wěn)定性高；以西門子為代表的歐系產(chǎn)品，強調(diào)高度集成化，將伺服系統(tǒng)與上游控制系統(tǒng)深度結(jié)合，電機體積更小、運動控制精度更高；而以匯川為代表的國產(chǎn)伺服，主要依靠性價比優(yōu)勢，在中低端領域滿足國內(nèi)中小企業(yè)的需求。
在動力輸出方面，國產(chǎn)、日系、歐系伺服的輸出功率（由轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速決定）差距較小，但在運動控制性能上，國產(chǎn)伺服仍然存在一定的差距。例如，速度環(huán)頻率通常能反映快速響應性能，頻率越高，說明帶寬越大，快速響應性能越好。由下表可知，西門子的速度環(huán)頻率可以達到 2k，安川為 1.5k，而匯川僅能達到 1.2k[14]。
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▲ 伺服電機性能比較，圖源 | 信達證券
除此之外，國產(chǎn)伺服還存在電機尺寸偏大、編碼器精度不足、產(chǎn)品穩(wěn)定性較低等差距。
但國產(chǎn)廠商正在迎頭趕上。
中國品牌的價格平均比國外品牌低 15%~30%，且積極與下游企業(yè)客戶合作開發(fā)定制化解決方案，憑借價格優(yōu)勢和服務能力逐漸占據(jù)了中低端市場 [15]。2021 年，匯川的市占率達到 15.9%，成功領先安川、臺達等廠商。而埃斯頓、廣州數(shù)控等其他廠商也正在突圍，目前本土伺服廠商總數(shù)超過 300 家 [16]。
隨著國產(chǎn)與外資產(chǎn)品在性能上的不斷接近，加上穩(wěn)定性和可靠性隨著實踐不斷驗證，以匯川為首的國產(chǎn)廠商將有機會進一步替代外資廠商，擴大市場份額。
控制器：硬件國產(chǎn)化差距較小
控制器是我國與國外產(chǎn)品差距最小的核心零部件。
成熟的工業(yè)機器人廠商通常會自行開發(fā)控制器，以保證統(tǒng)一性、穩(wěn)定性，維護技術體系。因此，控制器和機器人本體的市場份額基本保持一致。這也就意味著，在這一領域保持領先的仍然是傳統(tǒng)的工業(yè)機器人本體“四大家族”。
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控制器分為硬件和軟件兩部分。由于硬件（芯片、電路等）普遍都是外購，機器人廠商之間的差距不大。但國內(nèi)廠商在軟件上與傳統(tǒng)的“四大家族”差距較大，控制器從“能用”到“好用”還有較長的距離。
控制器作為工業(yè)機器人的大腦，對機器人的性能起著決定性影響。對于同樣性能的伺服電機，好的控制算法能夠極大地提升精度、速度、穩(wěn)定性等。
例如，在小負載焊接領域，國產(chǎn)工業(yè)機器人的重復定位精度與“四大家族”大體相當，一般可達到 0.05mm，已經(jīng)能夠滿足汽車焊接生產(chǎn)的需要，但發(fā)那科的最高精度可達 0.02mm。而在最高軸速上，“四大家族”能夠達到 700°/s，國產(chǎn)廠商中僅有為數(shù)不多的龍頭企業(yè)能夠達到該水平 [17]。
控制器的軟件部分包括機器人操作系統(tǒng)、底層控制算法、二次開發(fā)的應用工藝算法等。其中，操作系統(tǒng)既有專用系統(tǒng)，也有開源操作系統(tǒng)。在算法層面，底層算法是基礎，例如路徑規(guī)劃、行為決策等。國產(chǎn)廠商在這方面差距較大，導致在針對不同行業(yè)場景進行二次開發(fā)時，算法的精確性、穩(wěn)定性、響應速度等性能不足。
當前，埃斯頓、新松、新時達等國內(nèi)機器人本體廠商均能夠生產(chǎn)控制器，但在軟件算法上，還需要更多的數(shù)據(jù)、實踐積累和經(jīng)驗沉淀，才能有所突破。
行業(yè)未來發(fā)展趨勢
《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》文件中，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出的規(guī)劃是：到 2025 年，我國成為全球機器人技術創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地。一批機器人核心技術和高端產(chǎn)品取得突破，整機綜合指標達到國際先進水平，關鍵零部件性能和可靠性達到國際同類產(chǎn)品水平 [18]。
當前的現(xiàn)實是，工業(yè)機器人行業(yè)只在中低端領域有所突破，高端領域仍有大量技術難題待解。當前的核心零部件本質(zhì)上仍然屬于精密制造，日本、德國的老牌工業(yè)廠商起步較早，有著幾十年甚至上百年的技術積累和實踐驗證。中國廠商只能后期追趕，從為國外廠商代工、研發(fā)中低端產(chǎn)品起步，逐步向國際一流產(chǎn)品靠近。
但國產(chǎn)替代仍有機會。
首先，當突破了較為基礎的技術工藝后，國產(chǎn)廠商能以較低的價格在中低端領域站穩(wěn)市場，再逐漸擴大份額；其次，由于供貨周期相對較短，且能為下游企業(yè)客戶提供定制化服務，國產(chǎn)機器人本體制造商將可能優(yōu)先選擇國產(chǎn)核心零部件。
同時，當機器人整體邁向智能化時代，中國領先的“人工智能”技術將賦予工業(yè)機器人全新的“頭腦”。例如，視覺傳感器的加入拓展了工業(yè)機器人的應用場景。通過機器視覺技術使機器人有了“眼睛”，變得更加靈活。由此會帶來控制算法上的更新迭代，為國產(chǎn)廠商帶來新的機會。
而協(xié)作機器人的發(fā)展，使機器人不再局限于固定工位的操作，可以柔性地適應不同工作環(huán)境，從而實現(xiàn)人機協(xié)同。在這一領域，已涌現(xiàn)出許多創(chuàng)業(yè)型廠商并快速發(fā)展。由此，國產(chǎn)機器人本體廠商將可能搶占傳統(tǒng)工業(yè)機器人廠商的市場，而核心零部件供應商也有機會隨之不斷成長。
工業(yè)機器人國產(chǎn)化的脖子在哪里？
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當然，最重要的仍然是縮短與國外廠商之間的技術差距。《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提到，要“補齊產(chǎn)業(yè)發(fā)展短板。推動用產(chǎn)學研聯(lián)合攻關，補齊專用材料、核心元器件、加工工藝等短板，提升機器人關鍵零部件的功能、性能和可靠性；開發(fā)機器人控制軟件、核心算法等，提高機器人控制系統(tǒng)的功能和智能化水平。”[18]
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具體而言，在整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中都需要：
強化統(tǒng)籌多方資源，發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的橋梁作用，加強機器人產(chǎn)業(yè)動態(tài)監(jiān)測等；
加大財稅金融支持，發(fā)揮政府采購作用，推動各類產(chǎn)業(yè)基金投入，支持符合條件的企業(yè)上市等；
營造良好市場環(huán)境，加強支持產(chǎn)權(quán)保護，規(guī)范市場招標采購等；
健全人才保障體系，支持高校和科研院所培養(yǎng)高端人才；
深化國際交流，鼓勵國外企業(yè)在華設立研發(fā)機構(gòu)，推進機器人產(chǎn)品和解決方案“走出去”等等 [18]。
除了具體技術問題，來自政府層面的政策利好、社會資本的投入以及下游行業(yè)的支持，同樣對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈的本土化有著至關重要的作用。在良好的內(nèi)外部因素共同支持下，未來行業(yè)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展可以期待。
