人形机器人系列之五：旋转关节核心零部件，谐波减速器或迎百亿新蓝海

机器人“关节”，通过错齿运动实现低速高扭矩输出。谐波减速器由波发生器、柔轮和钢轮组成。按机械波数量分类，可分为单波/双波/三波传动，目前最常用的为双波传动，柔轮与钢轮的齿数差为2，当波发生器转一圈后，柔轮才向转动的反方向后退两个齿。谐波减速器具有体积小、重量轻、传动比大、承载力高、传动精度高、传动效率高等优势，广泛应用于机器人、数控机床、光伏设备、医疗器械、半导体设备、航空航天等其他领域，其中机器人为最大的应用市场，在关节传动系统中起到降低输出转速、增大输出扭矩作用，帮助机器人提升抓取精度，提高承载力量。 技术密集型行业，多环节存难点。谐波减速器的失效主要由柔轮的疲劳断裂和柔性轴承的损坏引起，二者在工作中均会产生弹性形变。从各零部件材料、工艺等方面分析如下： 柔轮：1）材料：含杂质材料影响疲劳性能。柔轮材料多为40Cr合金钢，如40CrMoNiA/40CrA等，为保证材料纯净度，长期依赖进口。2）齿形：齿轮齿形影响传动性能。较小的齿高会导致柔轮过早发生疲劳断裂，新进入者较难避开齿形专利限制设计出性能相近的齿形。3）工艺：热处理工艺需根据材料自主研发，齿轮精密加工仍依赖高价值量进口设备。由于各公司产品材料有一定差异，为保证产品精度，应具备自主研发的热处理工艺；且精加工环节高度依赖进口设备如制齿机、磨床等，单位产能设备投资额超800万。 柔性轴承：轴承材料微合金元素配比和热处理工艺的调整可使轴承更耐冲击，使用寿命更长。 工业机器人产业需求向好，夯实谐波减速器稳增长基础。谐波减速器最常应用在工业机器人领域，劳动力短缺、劳动力成本上涨叠加下游需求长期向好等因素有望驱动工业机器人需求持续增长。预计2021-2025年全球工业机器人用谐波减速器市场将由29.5亿元增长至39.1亿元，CAGR为7.3%；中国工业机器人用谐波减速器市场将由14.4亿元增长至23.7亿元，CAGR为13.2%。 特斯拉入局加速产业化进程，人形机器人有望开辟百亿新增量。特斯拉布局人形机器人后实现快速迭代，2023年追觅、傅利叶、宇树科技等国产品牌也陆续发布人形机器人。随着海外龙头的持续推进和国内利好政策的相继颁布，2024年有望成为人形机器人量产元年，参考特斯拉Optimus使用的旋转关节方案，预计2024-2030年全球人形机器人用谐波减速器市场将由0.2亿元增长至267.4亿元。 行业集中度较高，国产品牌打破外资垄断。日本龙头哈默纳科长期处于垄断地位，国产品牌绿的谐波强势突围。据MIR，2022年哈默纳科、绿的谐波、来福谐波中国谐波减速器市占率位列前三，分别为38%/26%/8%。对比海内外龙头企业，国产谐波减速器虽在转矩/背隙/滞后损失等产品参数方面仍略有差距，但性价比较高，成本优势明显，且持续布局高端产品产能，有望在未来进一步提升国内市场份额。 投资建议。考虑到人形机器人商业化加速，谐波减速器需求迈上新台阶，且该行业自身为技术密集型行业，竞争格局较为集中，存国产替代逻辑，建议关注积极布局谐波减速器的企业： 绿的谐波，谐波减速器龙头，引领国产替代进程。自主设计“P齿形”，具备新一代三次谐波技术，产品系列覆盖领域全面。 双环传动，国内RV减速器龙头企业，17年布局谐波减速器业务。RV减速器已成功批量应用于国内各机器人头部企业。 中大力德，可同时提供RV、谐波、行星减速器和电机、伺服驱动、机电一体化等全系列产品，其中RV减速器打破外资垄断，谐波减速器2020年实现批量供货。 丰立智能，深耕小模数齿轮产业多年，借助电动工具减速器（齿轮箱）部分设备和技术通用性切入精密减速器领域，募投项目达产后新增谐波减速器产能3.5万件。 国茂股份，通用减速器龙头，2021年前瞻布局谐波减速器领域，成立子公司国茂精密，已顺利完成了10种型号的新品开发工作。 风险提示：人形机器人放量不及预期、国产替代进程不及预期、工业自动化需求不及预期等。 投资主题 报告亮点 本报告从谐波减速器产品情况、行业需求、竞争格局三大角度出发，深入分析了谐波减速器的应用前景及市场空间。1）产品层面，从易失效的柔轮和柔性轴承出发，分析各零部件的技术难点。2）行业需求层面，对目前最大应用领域工业机器人用谐波减速器的市场空间及人形机器人放量所带来的新增市场空间进行分析测算。3）竞争格局层面，通过对比国内外龙头企业的发展情况，如收入规模、盈利能力、产品参数、产能布局等，分析目前行业格局和未来发展趋势，并细数了谐波减速器核心供应商的研发情况。 投资逻辑 人形机器人商业化的加速为谐波减速器产业链带来新机遇。随着特斯拉人形机器人的快速迭代，国内企业陆续发布人形机器人样机，叠加国内利好政策频出，预计人形机器人产业化进程将加速，2024年有望成为放量元年。 参考Optimus旋转关节采用谐波减速器的方案，人形机器人的放量有望为谐波减速器带来百亿级蓝海市场。 竞争格局较优，国产替代方兴未艾。据MIR，2022年哈默纳科、绿的谐波、来福谐波中国谐波减速器市占率位列前三，分别为38%/26%/8%，市场集中度较高。国内绿的谐波率先打破外资垄断，且多企业陆续布局谐波减速器领域，国产品牌有望进一步提升国内市场份额。 一、机器人关节核心零部件，多环节具高壁垒属性 （一）结构精巧，实现低速高扭矩输出 谐波传动技术发展较早，由空间应用领域向机器人领域延伸。1947年，前苏联工程师首次提出谐波机械传动原理；20世纪50年代，美国工程师Musser C. W.根据空间应用需求发明了谐波减速机并取得专利。由此可见，前苏联、美国很早就开始研究谐波减速器，但主要集中在空间应用领域；日本虽起步稍晚，但发展迅速，在机器人领域后来居上； 我国对谐波减速器的研究始于1961年，1985年“谐波减速器标准系列产品”正式通过鉴定，成为继美国、日本、俄罗斯后第四个具有谐波传动减速器标准系列产品的国家。 谐波减速器由波发生器、柔轮和钢轮组成。按机械波数量分类，可分为单波/双波/三波传动，刚轮和柔轮的齿数差应等于机械波的整数倍，通常取为波数，目前最常用的为双波传动。其中钢轮为带有内齿圈的刚性圆环状零件，通常固定在减速器机体上，具有良好的抵抗外载荷不变形的能力；柔轮为带有外齿圈的柔性薄壁弹性体零件，通常安装在减速器输出端；波发生器由柔性轴承和刚性椭圆凸轮组成，通常安装在减速器输入端，柔性轴承内圈固定在凸轮上，外圈通过滚珠实现弹性变形成椭圆形。 图表1谐波传动装置构成 柔轮和钢轮之间形成错齿运动，实现低速大扭矩输出。谐波作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。装配状态下，波发生器中刚性椭圆凸轮的长轴端对柔性轴承产生挤压，使得柔性轴承沿长轴方向发生形变，这种作用效果会传递到与波发生器紧密相接的柔性齿轮上，进而使其与钢轮内齿啮合，相应的在椭圆短轴方向，钢轮和柔轮则处于分离状态，而除长轴与短轴方向的其他周边齿可统称为处于过渡状态。 当波发生器发生连续转动时，柔轮会产生周期性变形，使其外齿圈的每个齿与钢轮的内齿圈相继啮合，即经历啮入-啮合-啮出-脱出四个状态，并不断重复，由此产生了错齿运动，当波发生器转一圈后，柔轮才向转动的相反方向后退两个齿，减速比较大。 图表2谐波减速器工作原理 谐波减速器优势众多，广泛应用于机器人关节传动系统。从结构和传动原理方面来看，谐波减速器具有体积小、重量轻、传动比大、承载力高、传动精度高、传动效率高等优势。与普通减速器相比，其体积减小2/3，重量减轻1/2；单级传动比可达30-500；传动效率可达69%-96%。基于以上优势，谐波减速器可广泛运用于机器人、数控机床、光伏设备、医疗器械、半导体设备、航空航天等其他领域。参考哈默纳科和绿的谐波2022年年报，哈默纳科机器人领域收入占比达49.5%，绿的谐波工业及服务机器人领域收入占比达81.6%，因此机器人为谐波减速器最大的应用市场，在关节传动系统中起到降低输出转速、增大输出扭矩作用，帮助机器人提升抓取精度，提高承载力量。 图表3谐波减速器优点 图表4 2022年哈默纳科收入应用领域分布 图表52022年绿的谐波收入应用领域分布 （二）技术密集型行业，高壁垒属性突出 机器人用谐波减速器多为精密级减速器，精度等级位于2级及以上。据《机器人用谐波齿轮减速器》（GB/T 30819-2014）国家标准，减速器的精密等级可通过传动误差和空程来衡量，传动误差≤30弧秒为高精密级减速器，30弧秒＜传动误差≤1弧分为精密级减速器，1弧分＜传动误差≤3弧分为普通级减速器；空程≤1弧分为1级，1弧分＜空程≤3弧分为2级，3弧分＜空程≤6弧分为3级。参考各公司产品参数，应用在机器人中的多为精密级减速器，等级在2级以上。 图表6机器人用谐波齿轮减速器国家标准（以传动误差衡量） 图表7机器人用谐波齿轮减速器国家标准（以空程衡量） 谐波减速器的失效可主要归因于柔轮的疲劳断裂和柔性轴承的损坏。从谐波减速器核心零部件的角度来看，钢轮、柔轮、凸轮多为自产，工艺流程较为复杂；柔性轴承则多为外购。其中柔轮和柔性轴承是产品疲劳失效的主要原因，其疲劳寿命不仅和啮合原理、齿形设计、结构优化相关，还与原材料、成形工艺、热处理工艺、齿形设计等密切相关。 下文将从柔轮及柔性轴承两个核心零部件出发，分析谐波减速器核心技术壁垒。 图表8谐波减速器核心零部件生产流程 1、柔轮：原材料、精加工设备依赖进口，热处理需依据材料自主研发 柔轮是谐波减速器核心部件，产品质量受材料性能、齿形设计及加工工艺影响。柔轮外齿与钢轮内齿不断进行啮入、啮合、啮出和脱开的往复循环，筒部受到周期性弹性变形易发生疲劳断裂，齿部受到周期性摩擦磨损易降低传动精度和传动效率，其中柔轮的疲劳断裂是产品失效的最主要形式，占比超60%，主要可归因于材料、齿形、加工工艺的影响。 （1）材料：高强度/高韧性柔轮材料，对提纯技术要求较高，长期依赖进口。为保证柔轮的耐磨性、传动性能和传动精度，柔轮硬度应比钢轮硬度高；同时由于柔轮筒体壁厚较薄，柔轮材料应具有良好的韧性及优良的切削性能。为满足上述各项要求，柔轮材料多用40Cr合金钢，如40CrMoNiA/40CrA等，而钢轮用球墨铸铁/碳素钢即可满足要求。 目前国内提纯技术与国外相比仍有一定差距，通过分析国产失效柔轮材料可以发现，其中存在夹杂物TiN和 Al2O3 ，虽然 Al2O3 尺寸均小于5μm，但由于其硬度较高，不易产生变形，容易在组织内产生应力集中，严重降低疲劳性能，因此为保证材料的纯净度，目前柔轮材料仍依赖于进口。 图表9 40CrNiMoA刚柔轮的化学成分（质量分数，%） 图表10国产柔轮夹杂物的能谱分析 （2）齿形：谐波减速器对齿形设计要求严格，较小的齿高会降低疲劳性能。齿轮齿形可直接影响其传动性能，早期对传动速度、传动功率要求均较低，齿廓往往采用简单的直线或粗糙的曲线。随着减速器向高精度、长寿命方向发展，为满足市场需求，齿廓开始有了精确的曲线形状，渐开线、圆弧、摆线等齿形相继出现。谐波减速器对齿形要求较高，参考《谐波减速器柔轮疲劳断裂失效分析》中选用的不合格柔轮产品，其齿尖呈圆弧形，而合格产品的齿尖更尖锐，较小的齿高会导致柔轮过早发生疲劳断裂。 图表11合格与不合格柔轮产品齿形对比 国内企业相继实现技术破局，突破海外专利限制，自主研发“P”、“δ”齿形。对企业而言，国内相较海外起步略晚，日本哈默纳科作为领头者，率先开发出了具有自主知识产权的“IH”齿形，新进入者较难避开其专利限制设计出性能相近的齿形。国内企业绿的谐波、来福谐波成功打破海外垄断，先后开发出“P”、“LS”齿形，在疲劳寿命、转矩容量等方面均有明显提升，产品性能与海外相差无几。但对于谐波减速器领域的新进入者而言，在齿形设计方面仍存在壁垒。 图表12齿轮齿形设计 （3）工艺：谐波减速器的制造需经过开料、粗加工、热处理、精加工、后道处理等多个步骤。由于机器人用谐波减速器的精度较高，制造工艺也必须精密，具体可从粗加工、热处理、精加工环节进行分析