机器人是未来一个十分重要的产业，发展潜力巨大，人形机器人未来规模甚至可以相比新能源汽车。

 

而减速器又是机器人的重要零部件，成本约占工业机器人总成本的 32%，在人形机器人中也有重要作用。

 

在机器人供应链向国内转移，国际巨头发展遇瓶颈，以及国产减速器突破量产的背景下，减速器国产替代确定性强，已经从 2014 年的 11.4%上升至 2021 年的 40.6%。

 

01  减速器的作用及类型

 

减速器的作用就是减速，因为机器人的动力源来自电机，电机的转速是非常快的，没法直接用于机械工作，所以需要通过减速器减速，主要连接在动力源和执行机构之间，起到匹配转速和传递扭矩的作用。

 

减速器是如何减速的呢？一般是将传动设备在高速运转时的动力通过齿轮比传动，也就是输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮，小齿轮转好几圈大齿轮才能转一圈，以达到减速效果，这叫做一般齿比减速。

 

另一种方式是差齿传动，通过输入端和输出端齿轮齿的数量差异产生减速效果，两轮的齿数差通常为 1~4，依靠特殊的传动结构或传动级数，达到较高传动比，也叫少齿差减速。

 

一般齿比减速主要有圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器。

 

而少齿差减速器传动比范围更广，相同尺寸下额定输出扭矩较高，主要包括行星减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器以及 RV 减速器等，下面是常见减速器的性能指标。

 

 

一般齿比减速整体传动比不高，对应单位质量输出的额定扭矩较小。

 

行星减速器整体结构紧凑，传动比也较小，但可以通过双级或多级结构提高输出扭矩。

 

摆线针轮减速器主要为偏心传动，额定功率下输出功率较大。

 

RV 减速器在摆线针轮减速原理的基础上加上第一级渐开线行星传动，在缩小尺寸和重量的同时，传动比、承载能力更大，传动效率更高，精度更高。

 

谐波减速器主要依靠柔轮传动，具有结构简单、体积小、质量小、传动比范围大、承载能力大等特点。

 

减速器在机械结构中应用广泛，特别是工业机器人和人形机器人，在人形机器人中要求更高，因为其关节数量多，结构复杂，要模拟人的运动模式，对减速精度、体积重量、减速性能等都提出了很高的要求。

 

而少齿差减速器结构更紧凑，传动精度更高，在机器人当中应用更加广泛。

 

结合机器人关节对于重量、尺寸以及输出扭矩的较高要求，精密行星减速器、RV 减速器、谐波减速器有望率先用于机器人关节。

 

人形机器人膝关节、髋关节等大关节处，RV 减速器具备良好的应用前景，而在小关节处，谐波减速器是最优方案。

 

假设单台人形机器人行星减速器、谐波减速器、RV 减速器用量分别为 25、20、5 台，人形机器人用减速器的市场有望在 200 亿左右。

 

02  几种主要减速器工作原理

 

简单描述一下几种少齿差减速器的工作原理。

 

第一种行星减速器，体积较小，由行星轮、太阳轮和内齿圈组成，驱动源启动太阳轮，太阳轮带动行星齿轮运转，动力从链接行星轮的行星架和出力轴输出，实现减速。

 

 

由于单级减速器减速比存在限制，驱动装置可以采用两级或多级传动，两级传动系统具有相同减速比，因此各级行星轮和太阳轮均可采用相同模数和齿数进行设计，使两级行星轮可共用同一内齿圈，便于加工制造。

 

行星减速器是一种很有前景的产品，以渗碳钢为主要材料，产品结构紧凑，回程空隙小、精度较高、驱动功率高、耗能低、减速规划广、输出扭矩大、运用寿命长。

 

但是作为高精密产品，产品安装难度较大，研发周期长，对企业的资金、人才、技术等要求高，生产时对企业的工艺、品控等要求高，总体而言行业进入壁垒很高。

 

精密行星减速器全球市场主要被德国和日本少数几家企业占据，随着市场需求不断释放。

 

2020 年受疫情影响，销量在 365 万台左右，市场规模 7.5 亿美元，预计 2025 年将达到 9.2 亿美元，届时销量也将达到 500 万台以上。

 

第二种是摆线针轮减速器，图中可以看到，当输入轴旋转时，通过偏心轴带动摆线轮旋转。

 

由于偏心轴上的摆线轮与针齿啮合限制，摆线轮旋转时既绕自身轴线自转，又绕输入轴轴线公转，然后借助 W 输出机构，将摆线轮的低速自转动通过销轴传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。

 

 

RV 减速器相当于前两种的结合体，主要由摆线针轮和行星支架组成。

 

传动过程中，电机通过联轴器与输入轴相连，从而将电机输入的转速传递到行星齿轮机构，进行一级减速。

 

然后曲柄轴会带动 RV 齿轮做偏心转动，当曲柄轴转动一周，RV 齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿，并通过输出轴输出，从而实现大减速比输出。

 

相较于传统摆线针轮行星减速器，RV 减速器在缩小尺寸和重量的同时，传动比、承载能力更大，传动效率更高，精度更高。

 

而且 RV 减速器具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，回差精度稳定，不会随着使用时间的延长而降低运动精度。

 

 

谐波减速器是基于柔轮的弹性变形原理的一种传动机构，由柔轮、刚轮和波发生器三个基本构件组成。

 

波发生器可以按照一定的变形规律，在运动过程中产生周期行变形波。

 

柔轮是一个薄壁构件，前段是一个带齿的圆环，由于柔轮的内壁半径小于波形发生器的半径，当波发生器装入柔轮前段时，会使得柔轮的前段发生变形，使得柔轮和钢轮接触。

 

刚轮是一个内侧带齿的结构，由于柔轮和刚轮存在齿数差，当波发生器转动时，柔轮会和刚轮产生啮合作用。

 

 

以双波凸轮传动为例，柔轮比钢轮的齿数少 2，在实际使用的过程中，会将波发生器作为输入构件，刚轮固定，柔轮作为输出。

 

当波发生器转动时，谐波减速器的齿轮处于啮合和啮出的状态不断转换之间，波发生器每转动半圈，柔轮会往反方向转动一个齿，当波发生器完整转动一圈时，柔轮会往反方向转动两个齿，从而达到减速作用。

 

 

我们主要分析谐波减速器和 RV 减速器，因为这两种减速器不仅市场空间大，发展潜力也很大。

 

按照平均一台工业机器人搭载 3 台谐波减速器、3 台 RV 减速器，按照谐波减速器平均单价 2500 元，RV 减速器平均单价 4000 元测算。

 

2021 年我国工业机器人减速器市场规模约为 71 亿元，这还不算人形机器人的需求。

 

03  谐波减速器产业情况

 

先说谐波减速器，与传统一般齿比减速器相比，谐波减速器具有传动精度高、结构紧凑、体积小、质量轻、传动比范围大、运行噪声小、使用寿命长等特点。

 

同时，谐波减速器由于自身特点存在传动回差小的特点，最小可为 0。

 

谐波减速器作为技术密集型行业，壁垒较高。柔轮和刚轮的材料、齿形和轴承工艺是决定谐波减速器性能的核心环节。

 

 

刚轮需要具备减磨抗磨特性，一般采用球墨铸铁，国外一直对这一原材料技术严格控制，但我国通过自主研发突破壁垒，经过改良的 ADI 材料性能已经超越球墨铸铁。

 

柔轮在工作过程中需要不断变形，并且要同时承受弯曲和扭转两种应力，长时间运转容易导致柔轮疲劳断裂，从而造成谐波减速器失效，影响使用寿命。

 

因此柔轮材料以 40Cr 合金钢为主，国外提纯技术较高，杂质少，我国经过多年研发，有效提高了柔轮材料各项性能的稳定性，保证了柔轮疲劳强度的苛刻要求。

 

齿形设计决定谐波减速器啮合效果、传动平稳性和工作寿命。

 

日本哈默纳科自主开发 S 型齿轮齿形，优化齿轮啮合效果，同时申请大量专利，导致后进入的厂商在齿形设计方面必须在绕开专利自研齿形和传动结构，难度极大。

 

国内绿的谐波深耕谐波减速器行业，自研 P 形齿，可以降低轮齿的断裂风险，降低齿面比压，延长工作寿命，率先打破日本哈默纳科垄断。

 

还有来福谐波自研的δ齿形，具有接触应力小、寿命长、啮合性能好、噪音低、工作平稳的特点。

 

谐波减速器应用领域广泛。下游应用覆盖工业机器人、服务机器人、半导体液晶生产装置、光伏设备、光学仪器、医疗设备、精密机床等尖端领域。

 

不过，下游客户对产品的认证要求很高，过程时间很长，国内谐波减速器厂商要想进入下游厂商的供应链，需要经历约 1~2 年的试机过程，耗时较长并且如果未能通过的话，导致的损失较大。

 

因此厂商必须加大技术研发，提升产品的性能，从而得到更多与下游客户的合作机会。

 

目前谐波减速器全球竞争呈现日本领先，中国并跑的格局，国产化率约为 50%。

 

 

哈默纳科是全球谐波减速器行业绝对龙头，业务遍布全球，产品应用场景广泛。主营业务可分为精密减速机如谐波减速器、减速器组件和行星减速器，以及机电一体化产品如执行器和控制器。

 

哈默纳科凭借多年的积累，在产能和产品丰富度上具备优势。而国内谐波减速器厂商也在奋起直追，加快产能建设，而且扩产速度明显快于国外。

 

尽管在产品性能和丰富程度上，国内厂商相比海外巨头仍有差距，但随着技术迭代推动产品竞争力提升，以及持续扩张产品矩阵，国产产品更在小型化和精细化的应用场景优势更加显著。

 

以绿的谐波为代表的国内厂商从产能建设、产品升级和多样化、机电一体化三个方面不断迭代，谐波减速器国产化替代进程正在加速。同时还涌现出来福、大族等优质厂商，内资品牌市场份额正在逐步提升。

 

 

04  RV 减速器产业情况

 

谐波减速器是无法承载大负荷的，一是由于谐波减速器柔轮在启动或制动阶段，轮齿易发生弹性形变，输入端与输出端的瞬时位移比值不稳定，在大负载的情况下易出现滑齿现象。

 

二是谐波减速器部件固有振动频率与其材料特性和扭转刚度相关，在大负载情况下减速器更容易产生共振问题，影响工作寿命。

 

RV 减速器体积大，负载能力和刚度高，可用于机座、大臂、肩部等重负载位置，在人形机器人大负载关节的地位无法取代，而谐波减速器体积小、传动比和精密度高，主要应用于小臂、腕部或手部。

 

 

RV 减速器与摆线针轮减速器同源，主要有摆线针轮和行星支架组成，目前多采用两级摆线针轮减速机构。

 

由于其二级传动特点，RV 减速器可以实现更大的传动比和更高的输出转矩，且针轮和 RV 齿轮间采用直径较大的针齿销传动，刚性更高。

 

但由于 RV 减速器结构非常复杂，在传动间隙、定位精度方面不及谐波减速器。

 

RV 减速器也存在较高的技术壁垒，核心难点在于各项工艺的密切配合，包含材料、齿形设计、齿面热处理、加工精度、成组技术等等。

 

由于结构复杂和零件众多带来的误差累积，会导致产品在使用过程中加速磨损和寿命缩减。

 

RV 减速器传动比大，负荷大，摆线轮支撑轴承由于受限于减速器内部的空间、润滑、温升等因素，受力时易达到承载极值，导致磨损和破裂，其性能和 RV 减速器的寿命有密切关系。

 

全球 RV 减速器市场由日系主导，2021 年国内 RV 减速器市场中，纳博特斯克占据 53%份额，国内厂商起步较晚，双环传动和中大力德市场份额分别为 14%和 4%，目前仍处于追赶阶段。

 

 

RV 减速器国产化率仍然较低，仅约为 20%-30%，由于加工工艺积累薄弱，国产轴承稳定性较差，而且原材料纯度低且热处理水平欠缺也是造成国产 RV 减速器市占率始终较低的核心原因。

 

与谐波减速器柔轮刚轮啮合类似，RV 减速器齿轮的齿形几何精度和修型质量都直接决定了减速器的传动效率和传动精度。

 

RV 减速器齿形复杂，传统渐开线、摆线齿形修型工艺要求高，未来有望被双弧线齿形替代。

 

以双环传动为代表的国内 RV 减速器厂商发力追赶，在减速器动力学研究，在齿形设计、传动精度和回差控制等方面持续积累。

 

并且受益于全球市场放量成长，内资厂商已逐渐获得试机验证和批量化生产的机会，未来有望逐步进入下游客户供应链。