机械设备行业深度报告：特斯拉机器人孕育新机遇，国产减速器蓄势待发

精密减速器是赋能机器人的核心零部件 精密减速器被誉为“工业机器人的心脏”。日企哈默纳科、纳博特斯克独占鳌头，中国机器人本体厂商进口核心零部件成本高企。2016-2018年机器人行业景气上行、精密减速器供给紧缺，行业迎来国产化窗口期，以绿的谐波为代表的国内厂商率先取得突破性进展，打破了日本寡头垄断的局面。本篇报告通过对机器人用精密减速器的组成架构、传动原理进行拆解与分析，复盘日本机械传动龙头企业成功经验，解释了当前国产谐波、RV减速器与日本高端产品的差距所在，并从技术路径、工艺积累、生态建设等维度论述了国产精密减速器厂家如何走好国产替代与迈向高端并行的突围之路。 知日鉴中，中国精密减速器全产业链协同建设路长道远 日企纳博特斯克占据全球RV减速器市场60%的市场份额，哈默纳科占据全球谐波减速器市场约70%的份额。二者产品定位中高端，客户群优质。国产精密减速器目前仍然在中低端市场进行份额抢占，盈利能力有待提升。共通原因在于国产厂家工艺积累尚浅、产业链尚未形成完善的技术生态建设。细分来看，谐波减速器厂商自身的技术路径缺陷，海外进口设备厂商交期延长限制了其在保障产品一致性下扩大产能规模。RV减速器厂商设备投资额相比谐波厂商更高，成本摊薄受到当前生产规模较小的限制、利润表现欠佳，而盈利能力疲软又直接导致后续研发投入和产线建设受阻。 国产替代与高端突围并进，产业供需有望迎来新格局 特斯拉人形机器人具备速度慢、轻负载、关节多的特点，对核心零部件的需求聚焦于小型、轻量、集成。根据我们测算，在日企扩产温和的背景下，到2027年，人形机器人落地或将带来数千万台谐波减速器产能缺口以及数百万台RV减速器产能缺口。百亿市场尽待国内厂商填补。 产业机遇来临，从相对优势看主要国产供应商竞争实力 对于谐波减速器厂商，我们看好技术路径更合理、具备整体运动控制实力、工艺积累更深并且成本管控更优的企业。对于RV减速器厂商，机加工经验丰富、具备产品集成化能力的企业更能拔得头筹。受益标的：国内谐波减速器后起之秀汉宇集团；国内齿轮加工领导者双环传动；谐波减速器国产突围先锋绿的谐波；同时布局RV、谐波减速器实现渠道复用的中大力德；精密齿轮加工机床核心标的秦川机床。其他受益标的：昊志机电、联诚精密。 风险提示：疫情反复、俄乌局势加剧以及其他输入性因素影响全球供应链。特斯拉人形机器人销量不及预期。 1、聚焦机器人核心零部件之精密减速器：其势如水，赋能百 业 精密减速器是连接动力源和执行机构之间的中间装置，其作用是降低伺服电机的高转速、通过齿轮减速比放大伺服电机的原始扭矩，并提供高刚性保持、高精度定位。 赋能工业机器人，助力制造业自动化转型实现降本增效。精密减速机是机器人的核心零部件，成本约占工业机器人总成本的32%。根据国家统计局披露的我国工业机器人产量，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，且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。精密减速器下游市场多点开花，除工业机器人外还可以应用至半导体设备、数控机床、医疗器械等对工作精度要求高的设备变速装置上，加速各行业智能化转型。 图1：工业机器人减速器占总成本的32% 图2：谐波减速器龙头哈默纳科下游应用广泛 精密减速器国产替代：路径清晰，曙光已现。我国工业机器人用精密减速器国产化率从2014年的11.4%上升至2021年的40.6%。在具备机器人供应链向国内转移、国际巨头发展各遇瓶颈以及国产减速器突破量产的三点核心优势下，减速器国产替代具备强确定性。 图3：2021年中国工业机器人用减速器市场71亿元 图4：工业机器人用精密减速器国产率逐年上升 我国精密减速器生态发展现状：产业生态更优，技术生态建设亟待完善。精密减速器是一个具有特定功能的机械部件，有其成套技术、成套装备和工艺，基于此生产出的减速器、电机和传感器构成了机器人的关节单元。关节单元再构成机器人，最终，机器人为用户使用。因此，精密减速器的技术生态包含减速器本身的技术、减速器与关节单元协同、减速器与机器人整体性能协同的三个层次。目前，国内的研究重点放在对减速器本身技术以及与关节单元协同的研究，对于如何与机器人本体性能协同的研究几乎一片空白。 图5：精密减速器具备成套的技术、装备和工艺 国产机器人精密减速器与国外先进产品的主要差距在精度寿命、传动效率以及产品稳定性。从整体技术生态层面思考，造成差距的主要原因在于：（1）基础研究不足，尚未完全掌握正向主动设计技术与集成设计分析软件。（2）精度寿命待验证，包括失效机理及规律、高性能材料优选等研究缺乏。（3）装配质量尚未完全可控，尤其是用于精密齿轮加工的高端数控机床，基本进口自日本和欧洲。（4）工程应用数据库建设不到位，导致性能跟踪的反馈与优化缺失。 战略引导、政策扶持、需求倒逼的成熟产业生态。我国拥有世界上最大并将持续扩大的机器人市场需求，工业机器人是制造强国的重点领域。从我国精密减速器领域硕博论文数量节节增长可窥探出人才培养、资金投入始终在助力精密减速器产业生态发展。然而，产业发展的背后，仍需关注竞争无序、减速器企业与主机企业融合发展不够等问题对于产业生态发展持续向好的阻碍。 图6：精密减速器硕博论文数量持续增长体现出我国减速器领域人才队伍扩大 应用于工业机器人的减速器主要分为谐波减速器、RV减速器和行星减速器三种。 行星减速器因其减速比、精度较低的特点较少应用于工业以及消费类机器人。本文重点分析谐波减速器和RV减速器。 表1：行星减速器因减速比较低、精度较差，少用于机器人 1.1、谐波减速器：小而精的传动装置，日本占据优势、中国步步紧追 谐波齿轮传动技术诞生于20世纪50年代，是伴随航天技术的发展而催生出的一种新型传动技术。它建立在柔性元件变形的基础上来实现运动的传递，该原理由苏联工程师OсквитинА.И.М.于1947年首次提出。美国工程师Musser.C.W.于1959年提出具有机械波发生器的谐波齿轮传动，提高了谐波传动的承载能力及其传递效率，获得专利并于1960年在纽约展出实物。 图7：谐波减速器由柔轮、钢轮、波发生器构成 图8：谐波减速器最早用于航天领域 谐波减速器是基于谐波传动原理发明的齿轮传动装置，由柔轮、钢轮、谐波发生器三部分构成。通过波发生器装配柔性轴承使柔轮产生可控弹性变形，当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形，使刚轮和柔轮的齿轮在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了错齿运动，从而实现了传递运动和动力的传动。 通过错齿运动完成谐波传动装置的减速功能。如图10所示，波发生器一般作为输入端，而柔轮一般作为输出端。假设从某一时刻开始，当波发生器转动0°时，柔轮与波发生器长轴接触部分的轮齿与钢轮轮齿处于啮合状态，而与波发生器短轴接触部分则与钢轮脱离；在波发生器顺时针转动过程中，由于长轴位置不断发生变化，柔轮各齿与钢轮各齿不断重复啮入啮出这一过程。当波发生器顺时针转动180°时，由于柔轮齿数比钢轮齿数少2齿，柔轮轮齿会相对钢轮轮齿逆时针错开1齿；正是这一错齿运动，便将输入端的高速转动转变为输出端的低速转动。 图9：谐波减速器通过错齿运动完成减速 图10：光学显微镜下，国产材料（b、c）组织粗大不均 柔轮材料的强度和热处理工艺是决定谐波减速器寿命的关键因素。在谐波减速器运行过程中，柔轮长期承受周期性的交变应力，不断产生变形。在啮合过程中，柔轮内壁与柔性轴承外圈间磨损较严重，两轮齿之间也存在一定的磨损，磨损降低了传动效率及精度，严重的情况还会引起噪声及振动。国内的谐波减速器产品寿命普遍在3000h以内，主要的失效形式表现为齿轮磨损后导致传动精度严重下降；国外产品寿命则高达7000h，其主要失效形式为柔性轴承的破坏，而不是齿轮副磨损失效。从微观结构来分析，柔轮失效的主要原因是局部微裂纹和尺寸精度的变化，其根本原因系由于热处理工艺积累薄弱造成的柔轮材料结构中晶粒和铁氧体相的不合理。 由谐波减速器的结构和原理可见，与其他传动装置相比，其主要特点为： 传动精度高，齿轮传动装置的传动精度与其同时啮合的齿数密切相关。多齿同时啮合可起到减小单位面积载荷、均化误差从而提高传动精度的作用。 谐波减速器有两个180°对称方向的部位同时啮合，固其齿距误差和累积齿距误差可以得到较好的均化，传动精度相较普通传动装置提高4倍。 传动比大，传动效率高。传动效率与减速比、负载、温度等因素相关。齿差为1的行星齿轮传动效率约为0.85-0.9，而谐波齿轮传动的传动效率可达0.65-0.96。 体积小、质量轻。谐波减速器只有3个基本部件，和相同传动比的普通齿轮传动相比，其零件数可减少50%左右。 运行噪声小，使用寿命长。齿形设计可以使得柔轮和钢轮的啮合、退出过程实现连续渐进、渐出，啮合时齿面相对滑移速度小且无突变，因此其运行噪声小。加之其同时啮合的齿数多，齿轮单位面积载荷小，因此齿的磨损较小，传动装置寿命可达7000-10000小时。 谐波减速器的应用领域广泛。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。 表2：除机器人外，谐波减速器在光伏、航天、半导体等领域有广泛应用 在工业机器人领域，协作机器人（Collaborative Robot）是搭载谐波减速器最多的机型，单台平均搭载6个谐波减速器，负载≤20Kg，是一种被设计成可以安全的与人类进行直接交互/接触的机器人。与传统工业机器人不同，协作机器人拓展了机器人功能内涵中“人”的属性，使机器人具备一定的自主行为和协作能力，可在非结构的环境下与人配合完成复杂的动作和任务，结合人的智力、灵巧性和机器的体力、力量和准确性，人机协作完成诸如精密装配等工作，解决传统工业机器人应用的局限性。正因如此，协作机器人的功能定位可视为介于工业机器人和人形机器人之间。协作机器人自重及负载都较小，产品安装方式及其移动部署相对灵活。因此，“机电一体”的轻量化、模块化设计概念在协作机器人上的体现尤为突出，协作机器人也更适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业，如电子、医药、精密仪器等。2021年，协作机器人市场规模同比增长81.3%，达到15.7亿元。2022Q1，受疫情影响销量环比小幅下降1.2% 图11：协作机器人可以按照协作程度与安全性要求分类 图12：协作机器人市场规模自2020年起增幅较明显 谐波减速器市场增量需求较大，全球竞争呈现日本领先，中国并跑的格局。根据国家统计局披露的中国工业机器人产量数据、中国占据全球工业机器人40%的产量，按照平均一台工业机器人搭载3台谐波减速器、2021年单台谐波减速器价格为2500元测算，2021年，全球工业机器人用谐波减速器市场规模约为68.6亿元。从历史进程看，国内谐波减速器的发展历程与国外相似，已从跟跑进入并跑阶段。根据高工机器人数据，2021年谐波减速器的国产化率约为50%。 图13：国内谐波减速器产业发展历程与日本相似 图14：2021年全球工业机器人用谐波减速器市场68.6亿元 图15：谐波减速器国产化率50% 1.2、哈默纳科：工艺为盾、性能为矛，建立谐波减速器行业日不落帝国 哈默纳科是全球谐波减速机龙头、整体运动控制的领军企业，公司主营业务为减速装置及机电一体化产品。1970年，哈默纳科的前身长谷川株式会社与美国USM公司共同出资成立哈默纳科，总部位于日本东京。2004年，公司在JASDAQ上市。 自1984之后约30年间，哈默纳科逐步扩张海外版图，在美国、德国、中国、韩国分设11家子公司。 加工工艺精进、理论研究功底深厚，三次里程碑式产品升级夯实哈默纳科的全球谐波减速器龙头地位。哈默纳科谐波减速器推陈出新过程中有三次里程碑式突破。 第一，提高柔轮材料强度。谐波传动技术引进初期，柔轮材料采用管道材料和压板材料的焊接结构，焊接结构对柔轮来说强度不够，容易反复变形，并