行业深度研究：从人形机器人关节设计看待减速器投资机会

核心观点 根据传动原理可将减速器分为一般齿比减速和少齿差减速。我们从减速器底层设计结构和传动原理出发，将减速器分为一般齿比减速和少齿差减速，一般齿比减速器依靠输入轴小齿轮和输出轴大齿轮的齿差啮合形成减速，传动比一般为其齿数比；少齿差减速一般通过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，主要包括谐波减速器、RV减速器、行星减速器等。少齿差减速器结构更紧凑，传动精度更高。 从机器人关节驱动单元和关节设计角度出发，行星减速器、谐波减速器和RV减速器有望先行。通过分析当下仿人机器人驱动单元用减速器方案，发现除高传动比的谐波减速器较广泛的应用在刚性驱动单元和弹性驱动单元外，在准直驱驱动单元中，配合自身高扭矩密度的电机，多使用低传动比的行星减速器，目前行星减速器已应用于四足机器人和一些小型仿人机器人中。我们结合Tesla Bot公布的人形机器人参数，引用相关文献中相似参数产品的关节负载实验结果作为参考，通过从机器人结构关节的性能要求角度出发，寻找人形机器人关节用减速器。文献结论表明末端负载10kg的手臂关节输出扭矩应≥ 30Nm ， 0.87m 的双足关节输出扭矩要求50± 5Nm 。我们通过比对各类减速器输出扭矩情况，认为在保证小尺寸、质量轻的同时能够额定输出较高扭矩的情况下，行星减速器、谐波减速器以及RV减速器应用符合条件。 据测算，乐观情况下预计100万台人形机器人对应精密行星减速器、谐波减速器和RV减速器市场规模有望达275亿。以Tesla Bot人形机器人为例，我们根据其公布关节自由度，假设其单台行星减速器/谐波减速器/RV减速器用量分别为25/20/3个，对应Tesla Bot年产量分别在100/50/20万台的情况下，人形机器人用减速器的市场有望分别实现275/212/123亿元。 当下减速器市场主要由日系品牌主导，内资减速器品牌国产替代正在进行。 精密减速器作为技术密集型行业，材料、加工工艺、加工设备等方面均存在 较高技术壁垒，因此先进入者具备先发优势。当下精密减速器市场仍由德日RV减速器市场品牌主导，日系龙头哈默纳科、纳博特斯克分别占据谐波减速器、60%以上的市场份额，两者产品定位高端，品牌效应明显，与下游客户厂商深度绑定。但近年来，国内减速器市场国产替代趋势明显，内资品牌 不断实现技术突破，同时配合下游需求持续扩充产能，逐渐开始切入下游客户，内资份额开始明显提升。我们通过分析哈默纳科与纳博特斯克的发展历程和竞争优势，判断未来谐波减速器、RV减速器等产品具备向多元化、轻量化、机电一体化等趋势发展，因此国内紧随该技术趋势的厂商有望受益。 投资建议 当下精密减速器国产替代正进行，预计随着未来国内各减速器厂商的技术和 设备持续升级、产能持续提升，有望加速渗透减速器市场，提高下游市场份绿的谐波，国内RV减速器领跑企业双额。建议关注：国内谐波减速器龙头环传动，国内精密减速器领先企业中大力德，进军精密领域的通用减速器龙头国茂股份以及大族激光（子公司大族精密传动主营谐波减速器）等。 风险提示 制造业投资不及预期；产品推行不及预期；市场竞争加剧；人形机器人发展进程不及预期。 1.减速器基本介绍 核心观点： 减速器具有降低电机高转速，提升扭矩，加强输出端负载能力的作用。按照传动原理，减速器可分为一般齿比减速和少齿差两种。相同尺寸下的少齿差减速器额定输出扭矩较高，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。 以少齿差减速器为例。精密行星减速器整体结构紧凑，传动比较小，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。 1.1减速器主要分为一般齿比减速和少齿差减速两类 减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用。减速器是由多个齿轮组成的传动零部件。由于多数机械设备不适宜用原动机直接驱动，减速器可将传动设备在高速运转时的动力，通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以达到降低转速和增大扭矩的目的。 图表1：减速器配合电机起到降低转速增大扭矩的目的 不同于当下市场简单将减速器分为通用减速器、专用减速器和精密减速器，我们根据其传动原理将减速器分为两类：一般齿比减速和少齿差减速。 一般齿比减速：主要依靠输入轴小齿轮和输出轴大齿轮啮合形成的减速，大齿轮的齿数一般为小齿轮齿数的减速比倍。主要包括圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器。 圆柱齿轮减速器利用输入轴小齿轮与输出轴大齿轮啮合，小齿轮带动大齿轮运动，实现减速目的； 蜗轮蜗杆减速器是通过空间交错的蜗轮蜗杆两轴动力传动，以蜗杆为主动件，蜗轮为被动件，利用齿轮减速。 少齿差减速：少齿差传动中，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。少齿差减速器主要包括行星减速器、三环减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、滤波减速器。 行星减速器是利用驱动源启动太阳齿轮，太阳轮带动行星齿轮运转，动力从链接行星轮的内齿轮环和出力轴输出，实现减速； RV减速器是通过行星齿轮减速机构作为第一级减速，外加摆线针轮减速机构作为第二级减速，通过刚性盘与输出盘连接整体机构，最终将减速输出； 谐波减速器是靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮发生可控弹性变形，并于刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。 图表2：各类减速器基本介绍与优缺点 少齿差减速器传动比范围更广，相同尺寸下额定输出扭矩更高。通过对当下各类减速器具体性能指标进行汇总可以看出，一般齿比减速如圆柱减速器、三环减速器整体传动比不高，对应单位质量输出的额定扭矩较小；而单级行星减速器可以通过多级传动的方式来提升额定输出扭矩；RV和谐波减速器作为精密减速器的典型代表，其输出扭矩较大，同时重量、体积更小；滤波减速器作为技术研究阶段产品，虽然性能较优，但整体传动效率仍然较低，未能大面积商用。 图表3：各类减速器具体性能指标范围 1.2少齿差减速器的基本结构与传动原理 我们针对少齿差减速器中的精密行星减速器、摆线针轮减速器、RV减速器、谐波减速器的基本构成和传动原理进行了详细的分析，便于投资者深刻了解各类少齿差减速器的特点。 综合来看，在常见传动比50左右的减速器中，行星减速器输出扭矩较小，但整体传动效率较高，可以依托多级传动的方式提升传动比和增加额定输出功率；RV减速器在额定工况下的输出扭矩大，代表其承载能力更强；相比之下，谐波减速器整机体积较小，传动精度和传动效率更高，但整体输出扭矩不及RV减速器；滤波减速器虽然整体性能更优，但目前仍未全面推向市场。 图表4：少齿差减速器特点对比 1.2.1精密行星减速器：小而精传动装置，结构紧凑 精密行星减速器体积较小，主要由行星轮、太阳轮和内齿圈组成。其中，太阳轮的轴线位置固定，位于中心；行星轮的轴线变动，与太阳轮和外齿圈同时啮合，围绕太阳轮公转的同时自转。行星轮的支持构件叫行星架，当太阳轮受到外力转动，与行星齿轮啮合，最后通过行星架输出减速。 单级精密行星减速器结构紧凑，传动比在10以内。行星减速器具有高刚性、高精度（单级可做到1’以内）、高传动效率（单级在97%~98%）、高扭矩/体积比等特点，其多安装在伺服电机上用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。 图表5：行星减速器结构示意图 图表6：行星减速器传动原理 考虑到单级减速器减速比限制，驱动装置中可以采用两级或多级传动来增大输出扭矩。两级行星减速器即包括两级太阳轮、两级行星轮、两级行星架和内齿圈等部件。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。 图表7：二级行星减速器结构示意图 1.2.2摆线针轮减速器：摆线针齿啮合，偏心传动 摆线针轮减速器是采用少齿差行星式传动原理及摆线针齿啮合的传动机械。 摆线针轮输入部分由输入轴和偏心套组成，偏心套由两个互成180°的偏心部分组成，并用键与主动轴相联。减速部分由行星摆线轮和针轮组成，两个奇数摆线轮错位180°安装在偏心套上，与针齿啮合传动实现减速。 输出部分由输出轴和柱销组成。 图表8：摆线针轮减速器结构示意图 传动原理：摆线针轮行星传动时，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。 图表9：摆线针轮减速器传动原理 图表10：部分型号摆线针轮减速器性能和结构参数（参考减速比在50左右） 注：F4C-D15和F4CF-C15、CK009和CK026、直筒型-086分别为住友重工、韩国赛劲、哈工联合精密传动的相关减速器系列型号的缩写 1.2.3 RV减速器：两级传动，结构复杂 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。RV减速器是日本纳博特斯克最初为机器人关节手臂研发的，是在摆线针轮行星传动基础上发展起来的一种刚性齿轮减速器。其主要结构包括输入轴、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针齿轮和行星架。目前RV减速器多采用两级摆线针轮减速机构，由第一级渐开线行星传动和第二级摆线针轮行星传动组成。 输入轴（中心轴）：RV减速器输入轴与电机通过联轴器相连将输入转速传递到输入轴的中心齿轮，在通过中心齿轮与行星轮的来相互啮合，带动行星轮自转来完成动力的分配。 行星轮：三个或两个行星轮围绕中心轴均匀分布，行星轮与中心轴共同组成了RV减速器的第一级传动机构。 曲柄轴：作为第一级和第二级的连接，通过花键结构与行星轮固定连接又与摆线轮通过滚动轴承相接触，两端还通过轴承与左右行星架连接，其自转时带动摆线轮公转，其公转时带动行星架自转，保证了运动的输入和输出。 摆线轮：两个摆线轮偏心分布且之间有180度相位角。运动时摆线轮与针齿接触啮合产生扭矩，带动曲柄轴公转。 针齿轮：针齿轮由针齿壳和针齿组成，40个针齿均匀分布在针齿壳的中心圆上。针齿壳与机架固连。摆线轮，针齿为第二级减速传动的机构。 行星架：行星架分为输出盘和压盖，作为减速器的输出部件，两者由螺栓固定连接，没有相对运动，其由两个主轴承约束着针齿壳内摆线轮等运动部件的移动。 图表11：RV减速器结构示意图 传动原理：采用行星架做输出轴，针齿壳固定的方式传动。在传动过程中，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。 图表12：RV减速器传动原理 相较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。根据测算，RV减速器的传动比可在31～171范围内浮动，同时传动效率可达85% ~ 92%，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。 图表13：RV减速器相较于摆线针轮减速器的特点 图表14：部分型号的RV减速器性能和结构参数（参考减速比在50左右） 1.2.4谐波减速器：柔轮变形，错齿传动 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；柔轮是一个薄壁构建，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。 图表15：谐波