精密減速器：人形機器人關鍵零部件，產(chǎn)業(yè)格局解析

馮仙森 2023-07-20 發(fā)布于重慶

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特斯拉Optimus將搭載約40個執(zhí)行器，“電機減速器”的集成有望成為人形機器人大關節(jié)的主要動力組合，減速器需求空間將被打開，而指關節(jié)部分因體積、重量等邊界條件限制，可能采用更加輕量化的技術路徑。

作為機器人的核心零部件，減速器、伺服系統(tǒng)和控制器的國產(chǎn)化率目前僅為36.53%、24.50%和31.20%，而這三部分是機器人實現(xiàn)精密運動的核心保障，對產(chǎn)品的最終性能起決定性作用，是國產(chǎn)化進程的主攻方向。

在零部件中占比最高的減速器，是連接動力源和執(zhí)行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用，可分為一般傳動減速器和精密減速器。

一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設備基本的動力傳動需求。

而精密減速器制造要求高、技術難度大，具有精度高、可靠穩(wěn)定、回程間隙小等優(yōu)勢，應用于機器人、數(shù)控機床等高端領域。

01 精密減速器行業(yè)概覽

精密減速器類似于工業(yè)機械的“肌腱”，連接了伺服電機和執(zhí)行機構，電機一般高轉速低扭矩，因此減速器的核心作用是降低轉速提升扭矩，從而精準調(diào)節(jié)機器轉動角度。

精密減速器是配合電機使用的器件，在人形機器人中的用量基本和伺服電機數(shù)量一致，將遠高于現(xiàn)有工業(yè)機器人（單機減速器用量2~6臺）。

精密減速器是具有特定功能的機械部件，有其成套技術、成套裝備和工藝，基于此生產(chǎn)出的減速器、電機和傳感器構成了機器人的關節(jié)單元。關節(jié)單元再構成機器人，最終，機器人為用戶使用。

精密減速器的技術生態(tài)包含減速器本身的技術、減速器與關節(jié)單元協(xié)同、減速器與機器人整體性能協(xié)同的三個層次。

精密減速器主要包括諧波減速器與RV減速器。

整體來看，由于諧波減速器承載力有限，但重量、體積較??；RV減速器具有更高的承載力，但重量、體積較大，因此兩種減速器短期內(nèi)呈現(xiàn)互補、而非替代關系。

一般來講，負載10kg以下工業(yè)機器人主要使用諧波減速器；10-20kg高負載的工業(yè)機器人小臂、手腕關節(jié)可以采用諧波減速器；負載30kg以上的，在其輕負荷的末端關節(jié)上也能夠使用諧波減速器；而如基座、大臂、肩部等重負載部位多使用RV減速器。

六軸機器人通常使用2個RV 4個諧波：

資料來源：綠的諧波

根據(jù)MIR數(shù)據(jù)，受益下游工業(yè)機器人等行業(yè)高景氣，國內(nèi)諧波和RV減速器銷量有19年的54.3萬臺增長至22年的126.3萬臺，期間CAGR為32.5%，預計23-25年將繼續(xù)以16.8%的CAGR增長超過200萬臺；結構性看，工業(yè)機器人為減速器第一大應用領域，22年占比為79.7%。

02 諧波減速器

諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成。

小型輕質的諧波減速器在機器人領域可應用的關節(jié)相對較多。

柔輪是諧波減速器關鍵部件，在諧波減速器運動中不斷變形，容易發(fā)生疲勞斷裂。

因此提升柔輪精度、保持壽命已然成為柔輪設計和熱處理工藝最為關鍵的目標，其原材料、齒輪齒形設計以及熱處理工藝都會對其性能產(chǎn)生影響。

當波發(fā)生器被放入柔輪內(nèi)圓時，柔輪產(chǎn)生彈性變形彎曲成橢圓狀，且由于柔輪外側的剛輪比其多2個齒，導致柔輪長軸部分正好可以與剛輪的齒輪嚙合，而短軸部分與剛輪的齒輪呈脫離狀態(tài)。

由于剛輪固定，因此在波發(fā)生器逆時針轉動時，柔輪作順時針轉動。當波發(fā)生器持續(xù)轉動時，柔輪不斷發(fā)生變形，兩輪輪齒在嚙入、嚙出的過程中進行錯齒運動，波發(fā)生器轉動180°，柔輪正好轉動一個齒數(shù)，其轉動角度之比即為減速比。

諧波減速器下游應用中，各類機器人占80%，大幅高于機器人在伺服系統(tǒng)下游應用中的占比。這意味著人形機器人對減速器市場規(guī)模的拉動作用將更明顯。

代表廠商中優(yōu)必選WalkerX每條腿使用了6個諧波減速器，而美國敏捷機器人Digit每條腿會使用4個諧波減速器。

諧波減速器原理圖：

資料來源：哈默那科官網(wǎng)

03 RV 減速器

RV減速器與諧波減速器一樣，具有精度高、單機傳動比大等特點；但相較于諧波減速器，RV減速器組成更加復雜，導致體積和重量較大，且由于不存在變形運動因此具有更高的剛性和扭矩承載能力，主導重負載精密減速器領域。

RV 減速器由兩個減速部構成，在第一減速部中，輸入軸的旋轉從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數(shù)比進行減速；在第二減速部中，有一個曲柄軸與直齒輪相連接，在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝RV齒輪，曲柄軸會帶動RV減速機做偏心運動，當曲柄軸轉動一周，RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉動一個齒，從而達到減速效果。

RV減速器由于傳動精度、扭轉剛度等性能差距仍然依賴進口。

04 精密減速器市場格局

從全球競爭格局來看，全球機器人減速器市場呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)，幾乎被哈默納科和納博特斯克壟斷。

《工業(yè)機器人減速器市場分析與產(chǎn)業(yè)供需格局研究報告》顯示，日本納博特斯克是生產(chǎn)RV減速器的世界巨頭，約占60%的全球減速器市場份額。

哈默納科在全球范圍內(nèi)諧波減速器領域處于市場主導地位，依靠長期的研發(fā)技術積累、規(guī)?；纳a(chǎn)能力、穩(wěn)定的產(chǎn)品質量和性能持續(xù)保持競爭力，約占15%的全球減速器市場份額。

除此之外，日本住友RV減速器和新寶諧波減速器合計占全球10%市場份額，全球減速器市場呈現(xiàn)出日本企業(yè)高度集中的局面。

諧波減速器技術壁壘較高，在基礎材料、設計、加工工藝、加工設備等方面均具有較強護城河。

作為技術密集型行業(yè)，先進入者依靠其工藝技術和加工經(jīng)驗等具備先發(fā)優(yōu)勢。

國內(nèi)減速器市場得益于綠的諧波、雙環(huán)傳動等龍頭的帶動，近年來國產(chǎn)化率持續(xù)提升。

從產(chǎn)品類型來看，國產(chǎn)諧波減速器替代相對明顯，目前已涌現(xiàn)如綠的諧波、來福等優(yōu)質廠商，僅綠的諧波已達到25%的市場份額。

根據(jù)高工機器人研究統(tǒng)計，諧波減速器方面，2021年日本哈默納科和新寶在中國的銷量市占率分別同比下滑1.5pct和1.6pct，綠的諧波銷量市占率同比提升3.7pct。

RV減速器方面，2021年納博特斯克在中國的銷量市占率同比下滑3.0pct，雙環(huán)傳動銷量市占率同比提升5.75pct。從產(chǎn)品類型來看，技術難度相對較低的諧波減速器國產(chǎn)化進程相對迅速。

國內(nèi)主要廠商包括雙環(huán)傳動、秦川機床、中大力德、南通振康、珠海飛馬、智同科技等數(shù)家企業(yè)都在大力發(fā)展國產(chǎn)RV減速機產(chǎn)品，但在轉動精度和傳動效率上距離國外產(chǎn)品尚有一定差距。

減速器競爭格局：