工艺要求
我国手术机器人行业自2010年以来进入快速发展阶段，多个细致划分领域的国产手术机器人产品先后上市，但是产业链上游的三大核心零部件，尤其是减速器和伺服系统仍然严重依赖进口，成为了制约我国手术机器人行业向上发展的“卡脖子环节”，提高了产品的自主可控风险和产业链上游产品成本，导致国产产品降价困难，不利于国产品牌的产业化和产品推广。
手术机器人是集临床医学、生物力学、机械学、计算机科学、微电子学等诸多学科为一体的高度集成的新型医疗器械，整体运行需要多项技术的协同。其中，系统软件中的图像重构、空间配准和定位控制等，是手术机器人最为核心的部分；而硬件装置如机械臂的设计则需要与手术详细情况相结合，反复实验；人机交互的主机必须最大限度地考虑医生习惯和临床应用场景。
从工作原理看，大体上手术机器人通过感知、分析和行动三个步骤来执行辅助手术的工作。首先机器人通过传感器系统（如视觉、触觉、温度等）感知外部环境信息。然后机器人通过AI算法对各类信息做多元化的分析、学习，并给出下一步的动作指令。最后，驱动系统根据分析指令完成具体动作并实施反馈状态信息给控制系统。
手术机器人的产业链大致上可以分为上游的原材料、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%。
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”，并且短时间之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。
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，除了能进行速度与转矩控制外，还能够直接进行精确、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、位置是不是正确，接着进行修正调整，根据指令发出相应控制电流。
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。
我国的伺服电机产品在高性能、高可靠性方面与国际大品牌存在差距，主要体现在缺乏大功率产品、不够小型化、信号接插件不稳定、编码器精度不足等，此外在核心技术方面当前我国使用的高精度编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器严重依赖进口，因此短期内我国在手术机器人领域的伺服电机仍需依赖进口。
减速器是精密机械工业的巅峰产品之一，由高精度的圆肩、齿轮相互啮合，对材料科学、精密加工设施加工精度、装配技术和高精度检测技术都有极高的要求。
机器人减速器用于提高机器人的动作精确度，由于提供动力的伺服电机转速很高，通常与手术机器人的应用场景不匹配，这就需要减速器来使输出转速降下来，并且在每一个电机处都要配套使用一个减速器。减速器对于机器人的性能、精度和寿命都起着决定性的作用，在手术机器人领域所使用的产品是以“RV（Rotate Vector旋转矢量）减速器”和“谐波减速器”为代表的精密减速器，具有结构紧密相连、传递功率大、噪声低、传动平稳等特征，在制造上具备极高的技术壁垒。
由摆线针轮和行星支架组成，在结构上具有体积小、抗冲击力强、扭矩大、定位精度高、震动小、减速比大等优点，被大范围的应用于工业机器人、机床、医疗设施、卫星接收系统等领域。在使用上，具有超高的疲劳强度、刚度和常规使用的寿命，并且回差精度稳定，可耐受高功率及长时间使用，被广泛的应用于机器人传动系统中，多放置于基座、大臂和肩部等重负载的位置。
是一种新型传动结构，由固定的内齿钢轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的谐波发生器组成。从运动机制上看，是利用柔性齿轮产生的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。在使用上，具有高精度、高减速比等优点，同时相较于普通减速器，节省了50%的材料，体积和重量也减少了30%以上，多用于不长时间工作或承载重量较小的机器人末段关节处。
当前全球75%的精密减速器市场被日本的纳博特斯克（Nabtesco）和哈默纳科（Harmonica Drive）占据，其中Nabtesco垄断了RV减速器市场，Harmonica Drive垄断了谐波减速器市场，剩余25%的市场由德国、意大利和美国瓜分。
目前我国已有国产的RV减速器上市，在性能指标上短期能够达到要求，但是由于质量控制和制造工艺等问题，国产产品很容易磨损报废，常规使用的寿命太短，因此鲜少被企业选用，我国的手术机器人企业仍然高度依赖进口减速器产品。
从技术上看，1980年Nabtesco公司开始RV减速器的设计，1986年取得实质性突破，到90年代实现产业化，而我国是在 “十二五”期间才将精密减速器纳入重点发展领域的，因此我国的RV减速器的行业发展水平相较于日本滞后至少25年。
控制器是手术机器人最为核心的零部件，相当于机器人的“大脑”，负责接收各组元信号，并向机器人发布和传递动作指令，对机器人性能具有决定性影响，通常来说机器人的活动的自由度越高，对控制器的性能要求就越高。控制器由硬件和软件两部分所组成，其中硬件就是运动控制卡，包括一些主控单元、信号处理等部分；软件最重要的包含控制算法、二次开发等。手术机器人企业通常会对控制器进行自主研发，以保证机器人的稳定性和技术体系，因此相比与减速器和伺服电机，国产机器人控制器产品与国外差距较小，但在稳定性、响应速度和二次开发平台的易用性开发方面有待进一步升级。
中游环节除机身组装外，最重要的包含系统集成和软件开发。其中系统集成主要是按照每个客户需求完成机器人的组装和调试，相比于核心零部件的设计制造，该环节技术难度较低，企业的议价能力较强。软件开发环节是手术机器人企业核心竞争力的体现，最体现开发者的设计能力，考验开发者对各学科的综合理解能力。
中游环节，我国手术机器人企业约滞后国际领先水平10年左右，当前正处于企业与高校/医院联合开发到企业主导产业化的过渡阶段，行业已形成明显的产学研医结合的特征，头部企业的手术机器人产品多由高校科研成果转化而来，如天智航、柏惠威康、思哲睿等，但受技术缺陷、管理应用和使用成本三大因素制约，国产手术机器人产业化水平仍然较低。
从领域上看，除美国直觉外科公司的达芬奇手术机器人腹腔镜手术机器人领域形成了一家独大的行业格局外，在神经外科、骨科、血管介入、口腔科等手术机器人领域我国企业已具备较强的竞争力，并且在未来将继续持续地发力，有望在国际市场上与外国品牌同台竞争。
从产品端看，手术机器人本身研发周期很长，产业高质量发展速度不及其他领域，同时受到上游核心零部件供应和技术水平的制约，导致我国产品没有办法进行大规模生产及实现产品降价，进而导致下游应用端的普及率低，当前手术机器人主要使用在于全国大型三甲医院中。从应用端看，国外进口手术机器人价格较高，且耗材和维护费昂贵，同样只有少部分大型三甲医院有购买能力，进口产品的普及率依旧很低。同时，相较于传统外科手术，医疗机器人辅助下的外科手术费用要高出2-3万元，加之医保体系有待加强完善，患者的支付水平也制约了手术机器人的应用。整体看来我国手术机器人从大型三甲公立医院向基层医疗机构下沉之路任重道远。
日期 : 2024-07-18 
