机械设备：谐波减速器——机器人轻负载关节的核心传动部件

谐波减速器是机器人领域传动的核心。减速器是机械行业中应用极为广泛的元件，连接并调和动力源与执行机构，其核心指标包含减速比、传动效率、精度、寿命等。谐波减速器相较传统减速器结构简单，使得其体积小、传动比大，适用于机器人的小关节场景。谐波减速器的核心原理在于刚轮与柔轮之间的错齿运动。一般情况下，柔轮会比刚轮少两个齿，通过调整柔轮和刚轮的相对齿数，可以获得不同的传动比。谐波减速器具有体积小、重量轻、承载能力大、传动精度高、反向传动无间隙、单级传动比大、高扭矩等优点。下游工业机器人领域的应用中，以谐波与RV减速器为主流，谐波相较来说在小臂、腕部、手部等部位更具优势。人形机器人中轻负载的关节主要会需求谐波减速器，每台人形机器人上需要配备14台谐波减速器。 行业市场规模稳健成长，国产替代正当时。中国谐波减速器整体市场规模有望突破30亿，下游应用主要为工业机器人和数控机床等。 海外龙头哈莫纳科市场份额最大，但国产品牌正加紧实现国产替代。 下游工业机器人市场的应用需求稳步增长。人形机器人规模化量产应用，有望打开谐波减速器巨大增量市场。作为技术密集产业，原材料及制造工艺尚需突破。谐波减速器行业技术壁垒较高，柔轮材料、齿形及轴承工艺是决定产品性能的核心点。针对行业技术壁垒，国产品牌正在不断追赶并有所收获。 人形机器人开始规模化量产落地，谐波减速器作为核心标品部件将迎来较大成长机遇。如谐波减速器之类技术含量较高的标品部件，就会形成有效的市场化竞争，最终跑出行业新龙头。重点关注标的：绿的谐波、昊志机电、丰立智能、国茂股份。相关标的还有双环传动和中大力德，都是精密减速器领域中的领先企业，不过这两家公司的产品以RV减速器为主。 风险提示： 人形机器人规模化不及预期风险；谐波减速器降本不达预期风险；人形机器人产业竞争加剧风险；产品技术突破受阻风险。 1谐波减速器：人形机器人关节传动的核心 减速器是机械行业中应用极为广泛的元件，连接并调和动力源与执行机构，其核心指标包含减速比、传动效率、精度、寿命等。工业场景中一般负载较大但需求精度不高，多应用圆柱齿轮减速器、三环减速器、蜗轮蜗杆和摆线针轮减速器；我们所关注的人形机器人应用场景精度要求极高，现阶段实现规模应用的高精度场景主要包括工业机器人、数控机床、航空航天等领域，一般会应用精密齿轮减速器、谐波减速器或RV减速器。针对于精度要求高的场景，部分主流减速器的对比情况如下图所示： 图表1：主流减速器重点参数及对比 谐波减速器相较传统减速器结构简单，使得其体积小、传动比大，适用于机器人的小关节场景。谐波减速器的结构主要包含波发生器、柔轮和刚轮三部分，波发生器内圈固定在椭圆形凸轮上，外圈是柔性轴承与输入轴相连，通过滚珠发生弹性形变；柔轮采用柔性金属材料制成，一端开口部外圈有齿，另一端大部分封闭形成薄杯状；刚轮使用刚性材料制成，内圈有齿。三部分可以任意固定其一，剩下一主动一从动，从而实现减速，也可以两输入一输出形成差动传动。实际使用当中一般是固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮长轴两端的外齿与刚轮内齿啮合而短轴外齿脱开，转动过程中椭圆凸轮迫使柔轮不断变形，使得柔轮外齿同刚轮内齿依次啮合。 图表2：谐波减速器结构拆解图 图表3：谐波减速器实物图 谐波减速器的核心原理在于刚轮与柔轮之间的错齿运动。一般情况下，柔轮会比刚轮少两个齿，即最常见的双波传动。刚轮和柔轮的齿数差应为机械波数的整数倍，根据齿数差不同，也有单波及三波的分类。以常见的双波传动为例子，假设刚轮有200个齿，柔轮有198个齿，电机带动波发生器顺时针转动一圈，柔轮便旋转2/200圈，即逆时针错位2个齿，此时减速比为100。通过调整柔轮和刚轮的相对齿数，可以获得不同的传动比。 图表4：谐波减速器错齿运动的动态图解 谐波减速器具有体积小、重量轻、承载能力大、传动精度高、反向传动无间隙、单级传动比大、高扭矩等优点。 图表5：谐波减速器的主要优势 下游工业机器人领域的应用中，以谐波与RV减速器为主流，谐波相较来说在小臂、腕部、手部等部位更具优势。RV减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力，一般放置在机器人机座、大臂、肩部等重负载的位置。谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点，使其在机器人小臂、腕部、手部等部位具有较大优势。少数情况会使用到行星减速器，一般是在直角坐标机器人中，主要是行星减速器性价比高、耐磨性强，且部分场景下减速比和精度的要求较低。 图表6：机器人应用中行星、谐波与RV减速器对比 人形机器人中轻负载的关节主要会需求谐波减速器，每台人形机器人上需要配备14台谐波减速器。以特斯拉Optimus为例，全身共计28个执行器和12个手部空心杯关节，其中手部的空心杯电机一般会搭配精密行星减速齿轮箱，而其余的28个执行器被划分为3种规格的旋转执行器和3种规格的线性执行器，旋转执行器共计14个（左右肩Pitch+Roll+Yaw关节共3×2个、双臂手腕Yaw关节共1×2个、髋部Roll+Yaw关节共2×2个、腰部Roll+Yaw关节共2个），根据特斯拉分享出的执行器动态拆解图可知，每个旋转执行器中包含一个谐波减速器，而线性执行器中则是直接使用行星滚柱丝杠，因此我们可以大致认为，人形机器人对于谐波减速器的需求量是每台14个，未来随着降本需求，在一些精确度或减速比需求不高的关节，也有可能替换为行星减速器以节约成本。 图表7：Tesla Optimus全身执行器情况（旋转执行器已标红）图表8：旋转执行器的结构中包含谐波减速器 2谐波减速器行业情况 2.1市场规模稳健成长，国产替代正当时 中国谐波减速器整体市场规模有望突破30亿，下游应用主要为工业机器人和数控机床等。谐波减速器下游适用场景最主要是机器人上，如工业机器人关节、电液驱动关节、移动机器人旋转关节等，其次则是机床数控转台。根据中商产业研究院发布的《2023全球与中国市场主减速器深度研究报告》显示，2022年我国谐波减速器市场规模约21亿元，预测2025年中国谐波减速器市场规模有望超过30亿元。 图表9：2019-2025E中国谐波减速器市场规模（亿元） 海外龙头哈莫纳科市场份额最大，但国产品牌正加紧实现国产替代。2022年我国谐波减速器市场竞争格局中，哈默纳科市场份额最大，占比38%，其次是绿的谐波市场份额为26%。目前，我国国产品牌在市场占有率不断提升，国产谐波减速器已基本可以实现国产替代，在减速比、输出转速、传动精度等方面和海外品牌差距明显缩小。 图表10：2022年中国谐波减速器市场份额占比 2.2下游工业机器人持续向好，人形机器人打开新增量 下游工业机器人市场的应用需求稳步增长。工业机器人作为现代工业发展的重要基础，已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。近年来，在国内密集出台的政策和不断成熟的市场等多重因素的驱动下，我国工业机器人产量总体保持稳定增长态势。根据中商产业研究院发布的《2023-2028年中国工业机器人行业深度调查及投融资战略研究报告》显示，2022年中国工业机器人市场规模达到585.17亿元，2019-2022年的年均复合增长率达16.5%，预测2024年中国工业机器人市场规模将增至726.42亿元。2022年全国规模以上工业企业的工业机器人累计完成产量44.31万套，2018-2022年间年均复合增长率为31.61%，预测2024年中国工业机器人产量将达到48.92万套。 图表11：2019-2024E中国工业机器人市场规模（亿元） 图表12：2018-2024E中国工业机器人产量（万套） 人形机器人规模化量产应用，有望打开谐波减速器巨大增量市场。原本工业机器人领域，每台六轴多关节机器人需要搭配6台精密减速器，其中负载10kg以下机器人主要使用谐波减速器；10-20kg及更高负载的机器人小臂、手腕关节可以采用谐波减速器；负载30kg以上的，在其轻负荷的末端关节上也能够使用谐波减速器。SCARA机器人一般使用2-3台谐波减速器，DELTA机器人则需使用3台谐波减速器，协作机器人全部关节使用谐波减速器，一般使用6-7个。 前文中，我们大致估计单台人形机器人可能搭载14台谐波减速器，后续可能随着人形机器人规模上量，降本需求进一步提升而减少用量，比如先优化掉2个手腕处的需求，再进一步优化掉髋部的4个，或是达到相同目的的其他路径。 结合此前系列报告中对于人形机器人总需求的预测数据，可得人形机器人量产后有望带给谐波减速器巨大增量空间，2026E/2028E人形机器人产量突破10/100万台时，谐波减速器的增量市场规模为15.89/74.58亿元。 图表13：2024E-2030E人形机器人市场对谐波减速器需求空间 2.3技术密集产业，原材料及制造工艺尚需突破 谐波减速器行业技术壁垒较高，柔轮材料、齿形及轴承工艺是决定产品性能的核心点。柔轮在工作过程中会不断形变，同时承受着屈力和扭转力，长时间作业容易暴露出柔性材料本身的纯度问题，致使部件疲劳断裂，继而影响产品的使用寿命；齿形的设计决定了谐波减速器的啮合效果、传动平稳性及寿命；柔性轴承的润滑、温升、承载极值也影响着减速器的质量。以《谐波减速器服役过程中柔轮断裂失效原因分析与工艺改进》（穆晓彪，张永奇等）文中的实验数据为例，断裂失效的柔轮系国产品牌产品，其原材料为40CrNiMoA，经实验室分析产品断口处有夹杂物引起的微孔，可以看出原材料的纯度水平尚有差距，但这并不是引起柔轮断裂的主要原因。最终发现原奥氏体晶粒较粗大是导致柔轮疲劳断裂的主要原因，而成熟的热处理工艺能够有效抑制此种晶粒的生长，达到细化效果。此案例可以帮助我们大致了解到谐波减速器产品发展的技术桎梏。 图表14：断裂柔轮不同位置的原奥氏体晶粒度 针对前述行业技术壁垒，国产品牌正在不断追赶并有所收获。柔轮材料一般以40Cr合金钢为主，国外的提纯技术水平较高，成品杂质少，不过我国经过多年研发，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。另外，海外龙头公司在自主开发的齿轮齿形上申请了大量专利，导致后入者在齿形设计方面必须绕开，难度更加被提高，不过绿的谐波通过多年技术及研发积累，发明了全新的“P型齿”结构，与国外主流齿形技术路线实现了差异化，并大幅提升了谐波减速器的输出效率和承载扭矩。国产轴承由于原材料纯度低且加工工艺积累薄弱导致整体稳定性较差，此方面未来仍需不断追赶。 3重点关注标的 人形机器人开始规模化量产落地，谐波减速器作为核心标品部件将迎来较大成长机遇。现阶段，特斯拉、傅利叶、Figure等在人形机器人领域走在发展前沿的公司，都已开始布局产品的量产落地过程。可以预见到，人形机器人规模化应用的起点在向我们快速靠近。规模化应用之后将带来对于各类核心零部件供给能力的考验，其中一部分非标品或技术含量不高的零部件，其市场中可能会形成一些依附于人形机器人厂商的小供应商，每家供应商的市场份额都不会特别高，而如谐波减速器之类技术含量较高的标品部件，就会形成有效的市场化竞争，最终跑出行业新龙头。 绿的谐波 公司自主研发突破多项技术专利，市占率仅次于哈默纳科，募资投建大力扩充产能。经过多年持续研发投入，公司在国内率先实现了谐波减速器的工业化生产和规模化应用，打破了国际品牌在国内机器人谐波减速器领域的垄断。同时，公司通过自主创新、自主研发，发展完善了新一代谐波啮合“P齿形”设计理论体系、新一代三次谐波技术、轴承优化、独特材料改性技术、齿廓修形优化技术等核心技术。目前，公司已经成长为国内企业中谐波减速器行业龙头，在全球及中国市场上仅次于哈默纳科，且在国内市场的市占率逐年攀升。另外，公司通过上市募资投建的年产50万台精密谐波减速器项目，已经建成并投入使用，其产能足以应对未来人形机器人的规模化量产潮流。 截至2024年2月25日，根据Wind一致预期数据，2023-2025E公司营业收入为3.57