机器人|2022年手术机器人研究报告( 四 ) 医生|租赁

资料来源：资产信息网千际投行中关村产业研究院
从行业发展进程上看，美国手术机器人的发展大体经历了3个阶段，从以高校或医院牵头研究，到企业与高校或医院联合开发，最后到企业主导产业化的历程。中国的发展进程与之类似，但是当前正处于第2到第3阶段的过渡阶段中，尚未进入完全的企业主导产业化阶段，行业整体对高校和医院技术依赖还比较强。当前我国整体以“产学研医”的创新研发模式为基础，形成了以领先企业产品上市和技术升级加速为引领，中小创新企业积极布局，并以外部融资为基础加速技术探索和产品储备的国产品牌的行业竞争格局。
第二章商业模式和技术发展2.1 产业链手术机器人的产业链主要分为上游的原材料、核心零部件，中游的机身组装、系统集成和软件开发等环节，以及下游的终端使用环节。其中技术壁垒最高的产业链环节是处于产业链上游的三大核心零部件，即伺服电系统、减速器和控制器，其市场主要由美国、德国和日本垄断，我国仅能够在控制器领域实现自产。此外，从产品附加值上看，在机器人成本构成中，减速器、伺服系统、控制器分别占35%、20%、15% ，三大核心零部件的成本占比达到了70% 。
图：手术机器人产业链示意图

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上游手术机器人的上游主要是制造手术机器人的原材料，以及内部控制系统、驱动系统和执行系统的核心伺服系统、减速器、控制器。然而我国手术机器人行业上游的三大核心零部件仅有控制器可实现自产，伺服系统和精密减速器仍以进口为主，成为手术机器人领域的“卡脖子环节” ，并且短时间内仍然难以与国际顶尖企业比肩，同时这也是整个机器人行业最难攻克的技术难题。
（1）伺服系统
伺服系统由伺服电机、编码器和伺服驱动组成，主要为机器人的运动提供动力并完成机器人运动。伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
伺服电机主要布置于机器人运动关节之中，在手术机器人中主要以直流电机为主，其优点是功率更大；编码器安装于电机输出轴，与电机同步旋转，转动的同时将信号传达至驱动器；驱动器根据信号判断伺服电机的转向、转速、位置是否正确，然后进行修正调整，根据指令发出相应控制电流。
图：伺服系统工作流程

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伺服电机的主要分为：

直流伺服电机：只需接通直流电即可工作，控制特别简单。具有启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高等优点。但是需要定时维护和更换电刷，具有使用寿命短、噪声大等不足。
交流伺服电机：没有电刷和换向器，不需要维护，也没有产生火花的危险。驱动电路复杂，价格高。
步进电机：直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易。没有电刷、维护方便、寿命长。启动、停止、正转、反转容易控制。但是存在能量转换效率低、易失步等缺点。

目前应用于手术机器人的伺服电机仍然以外国品牌为主，包括德国西门子、瑞士Maxon Motor、日本松下、美国科尔摩根等。其中，欧系伺服系统特点是过载能力高，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但价格昂贵，体积重量大。日本松下公司推出的小型交流伺服电动机和驱动器颇受市场欢迎。