特斯拉Optimus將搭載約40個(gè)執(zhí)行器，“電機(jī)+減速器”的集成有望成為人形機(jī)器人大關(guān)節(jié)的主要?jiǎng)恿M合，減速器需求空間將被打開，而指關(guān)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(shù)路徑。作為機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)的核心保障，對(duì)產(chǎn)品的最終性能起決定性作用，是國產(chǎn)化進(jìn)程的主攻方向。

在零部件中占比最高的減速器，是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，可分為一般傳動(dòng)減速器和精密減速器。一般傳動(dòng)減速器控制精度低，可滿足機(jī)械設(shè)備基本的動(dòng)力傳動(dòng)需求。而精密減速器制造要求高、技術(shù)難度大，具有精度高、可靠穩(wěn)定、回程間隙小等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域。

01

精密減速器行業(yè)概覽

精密減速器類似于工業(yè)機(jī)械的“肌腱”，連接了伺服電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)一般高轉(zhuǎn)速+低扭矩，因此減速器的核心作用是降低轉(zhuǎn)速+提升扭矩，從而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精密減速器是配合電機(jī)使用的器件，在人形機(jī)器人中的用量基本和伺服電機(jī)數(shù)量一致，將遠(yuǎn)高于現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人(單機(jī)減速器用量2~6臺(tái))。精密減速器是具有特定功能的機(jī)械部件，有其成套技術(shù)、成套裝備和工藝，基于此生產(chǎn)出的減速器、電機(jī)和傳感器構(gòu)成了機(jī)器人的關(guān)節(jié)單元。關(guān)節(jié)單元再構(gòu)成機(jī)器人，最終，機(jī)器人為用戶使用。

精密減速器的技術(shù)生態(tài)包含減速器本身的技術(shù)、減速器與關(guān)節(jié)單元協(xié)同、減速器與機(jī)器人整體性能協(xié)同的三個(gè)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、體積較小;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(bǔ)、而非替代關(guān)系。一般來講，負(fù)載10kg以下工業(yè)機(jī)器人主要使用諧波減速器;10-20kg高負(fù)載的工業(yè)機(jī)器人小臂、手腕關(guān)節(jié)可以采用諧波減速器;負(fù)載30kg以上的，在其輕負(fù)荷的末端關(guān)節(jié)上也能夠使用諧波減速器;而如基座、大臂、肩部等重負(fù)載部位多使用RV減速器。六軸機(jī)器人通常使用2個(gè)RV+4個(gè)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(jī)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(tái)增長至22年的126.3萬臺(tái)，期間CAGR為32.5%，預(yù)計(jì)23-25年將繼續(xù)以16.8%的CAGR增長超過200萬臺(tái);結(jié)構(gòu)性看，工業(yè)機(jī)器人為減速器第一大應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)的諧波減速器在機(jī)器人領(lǐng)域可應(yīng)用的關(guān)節(jié)相對(duì)較多。柔輪是諧波減速器關(guān)鍵部件，在諧波減速器運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)和熱處理工藝最為關(guān)鍵的目標(biāo)，其原材料、齒輪齒形設(shè)計(jì)以及熱處理工藝都會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。當(dāng)波發(fā)生器被放入柔輪內(nèi)圓時(shí)，柔輪產(chǎn)生彈性變形彎曲成橢圓狀，且由于柔輪外側(cè)的剛輪比其多2個(gè)齒，導(dǎo)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)波發(fā)生器持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪不斷發(fā)生變形，兩輪輪齒在嚙入、嚙出的過程中進(jìn)行錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)180°，柔輪正好轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒數(shù)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度之比即為減速比。諧波減速器下游應(yīng)用中，各類機(jī)器人占80%，大幅高于機(jī)器人在伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用中的占比。這意味著人形機(jī)器人對(duì)減速器市場(chǎng)規(guī)模的拉動(dòng)作用將更明顯。代表廠商中優(yōu)必選WalkerX每條腿使用了6個(gè)諧波減速器，而美國敏捷機(jī)器人Digit每條腿會(huì)使用4個(gè)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(jī)傳動(dòng)比大等特點(diǎn);但相較于諧波減速器，RV減速器組成更加復(fù)雜，導(dǎo)致體積和重量較大，且由于不存在變形運(yùn)動(dòng)因此具有更高的剛性和扭矩承載能力，主導(dǎo)重負(fù)載精密減速器領(lǐng)域。RV 減速器由兩個(gè)減速部構(gòu)成，在第一減速部中，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數(shù)比進(jìn)行減速;在第二減速部中，有一個(gè)曲柄軸與直齒輪相連接，在曲柄軸的偏心部分，通過滾動(dòng)軸承安裝RV齒輪，曲柄軸會(huì)帶動(dòng)RV減速機(jī)做偏心運(yùn)動(dòng)，當(dāng)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，RV齒輪就會(huì)沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，從而達(dá)到減速效果。

RV減速器由于傳動(dòng)精度、扭轉(zhuǎn)剛度等性能差距仍然依賴進(jìn)口。

04

精密減速器市場(chǎng)格局

從全球競(jìng)爭(zhēng)格局來看，全球機(jī)器人減速器市場(chǎng)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?！豆I(yè)機(jī)器人減速器市場(chǎng)分析與產(chǎn)業(yè)供需格局研究報(bào)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(chǎng)份額。哈默納科在全球范圍內(nèi)諧波減速器領(lǐng)域處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位，依靠長期的研發(fā)技術(shù)積累、規(guī)?；纳a(chǎn)能力、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和性能持續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，約占15%的全球減速器市場(chǎng)份額。除此之外，日本住友RV減速器和新寶諧波減速器合計(jì)占全球10%市場(chǎng)份額，全球減速器市場(chǎng)呈現(xiàn)出日本企業(yè)高度集中的局面。諧波減速器技術(shù)壁壘較高，在基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)、加工工藝、加工設(shè)備等方面均具有較強(qiáng)護(hù)城河。作為技術(shù)密集型行業(yè)，先進(jìn)入者依靠其工藝技術(shù)和加工經(jīng)驗(yàn)等具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

國內(nèi)減速器市場(chǎng)得益于綠的諧波、雙環(huán)傳動(dòng)等龍頭的帶動(dòng)，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(duì)明顯，目前已涌現(xiàn)如綠的諧波、來福等優(yōu)質(zhì)廠商，僅綠的諧波已達(dá)到25%的市場(chǎng)份額。根據(jù)高工機(jī)器人研究統(tǒng)計(jì)，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(dòng)銷量市占率同比提升5.75pct。從產(chǎn)品類型來看，技術(shù)難度相對(duì)較低的諧波減速器國產(chǎn)化進(jìn)程相對(duì)迅速。

國內(nèi)主要廠商包括雙環(huán)傳動(dòng)、秦川機(jī)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(jī)產(chǎn)品，但在轉(zhuǎn)動(dòng)精度和傳動(dòng)效率上距離國外產(chǎn)品尚有一定差距。減速器競(jìng)爭(zhēng)格局：

資料來源：GGII

未來若人形機(jī)器人得到普及，精密減速器、特別是諧波減速器市場(chǎng)需求有望較當(dāng)前大幅增加，國產(chǎn)減速器廠商有望獲得更大的市場(chǎng)份額。產(chǎn)能端來看，人形機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)量增長帶來減速器需求量邊際提升，具備快速擴(kuò)產(chǎn)能力的廠商有望優(yōu)先獲得較大份額，國內(nèi)廠商在擴(kuò)產(chǎn)成本上備具一定優(yōu)勢(shì)。成本端來看，人形機(jī)器人對(duì)硬件成本更為敏感，國內(nèi)廠商具備性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。而未來機(jī)器人采用機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)已成為重要發(fā)展方向。一體化的機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)是將精密減速器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、傳感器等組成一個(gè)基本的傳動(dòng)單元，可以提高機(jī)器人的靈活性，減少制造時(shí)間和總體成本。在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈整體量?jī)r(jià)齊升的前提下，各環(huán)節(jié)有望迎來廣闊的國產(chǎn)替代空間。