人形机器人产业系列报告（四）：减速器专题研究：人形机器人带来产业深度变局

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 减速器专题研究：人形机器人带来产业深度变局 ——人形机器人产业系列报告（四） 冯胜 中泰中游制造负责人&先进产业研究首席 执业证书编号：S0740519050004 杨帅 中泰先进产业研究组研究助理 蔡星荷 中泰先进产业研究组研究助理 2024.3.14 1 减速器行业概况：减速器是传动系统核心零部件，随着应用场景的不断扩展，减速器市场规模不断扩大。 1）减速器是由多个齿轮组成的常用传动零部件，其通过不同大小的齿轮的啮合传递动力，从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。其作用包括减小转速、增大扭矩、减少运动机构惯量、锁止机构等。 2）减速器按用途可分为通用减速器、专用减速器与精密减速器。通用减速器满足基本动力传动需求，专用减速器为特定场景设计，如风力发电齿轮箱等。精密减速器具高传动精度、小回差、大扭转刚度的特点，常用于机器人和高端机床等高精度要求领域。 3）随着减速器应用场景不断扩展至人形机器人、新能源等新兴产业，减速器市场规模不断扩大。 精密减速器分析与比较：按结构分为行星、RV、谐波三大类，其各具优势，广泛应用于机器人关节等部位。 1）精密行星减速器： ①结构：采用单级传动结构，主要由中心轮、行星轮、内齿圈三部分构成。 ②优点：传动效率高、承载能力强、成本低。 ③缺点：单级行星减速器减速比小，通常只适用于对精度要求相对不高的运动机构。 ④应用场景：精密行星减速器常用于数控机床、自动化设备、机器人下肢驱动等场景。 2）RV减速器： ①结构：采用两级传动结构，包括行星齿轮结构和摆线针轮传动结构。 ②优点：传动比范围大、传动效率高、平稳性好和刚性强，适用于重负载场景。 ③缺点：RV减速器存在体积较大和成本高的劣势：由于需要传递较大的扭矩，其齿轮齿数多，附属部件多，导致体积较大。 ④应用场景：RV减速器常用于自动化生产线、太阳能和风能设备、机器人基座和大臂等重负载场景。 3）谐波减速器： ①结构：谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮组成，利用柔轮的弹性变形实现刚轮轮齿与柔轮轮齿之间的少齿差内啮合。 ②优点：传动精度高、减速比大、体积小、重量轻等优势。 ③缺点：柔轮易发生疲劳破坏，承载能力有限，成本相对较高。 ④应用场景：谐波减速器常用于医疗设备、航空航天设备、机器人小臂、腕部和手部等轻负载高精度场景。 竞争格局：海外品牌垄断特征显著，国产替代加速。 1）全球市场：行星减速器德系品牌较强，2022年前三大德系品牌合计市占率达36%；RV、谐波减速器日系品牌垄断，2020年RV/谐波减速器市场中纳博特斯克、哈默纳科市占率分别为61%/82%。 2）国内市场：国产化率稳步提升，三大类精密减速器国产替代进度不一。①行星减速器：行业格局相对分散，头部厂家以中大力德/纽氏达特等为代表；②RV减速器：海外品牌市场份额较高，头部国产品牌初具规模，2022年双环传动/中大力德市占率分别为15%/4%；③谐波减速器：近年来国产品牌市场份额明显提升,一超多强特征显著，2022年绿的谐波/来福/同川市占率分别为26%/8%/6%。 精密减速器在人形机器人的应用：选型方案各异，影响关节性能。 1）人形机器人旋转关节由电机+减速器等硬件组成。减速器搭配电机起到降速增矩的作用，在大扭矩电机情况下，可以搭载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速器（谐波等），此方案具备小体积优势。 2）应用：①Optimus主体部分使用3款共14个旋转关节，对应采用14个谐波减速器；②出于经济性考虑，国内主机厂（优必选、傅利叶、智元等）则普遍同时采用含谐波或行星减速器的方案。 人形机器人催生精密减速器材料/结构变革，有望成为其发展的重要引擎。 1）赛道变革往往打破“工艺刚性”，国产品牌有望破局。 ①材料变革：乘机器人发展之东风，各头部减速器厂商积极寻求成本更低、性能更优异的核心材料以获取成本优势，强化自身技术优势，抢占市场份额。连铸球墨铸铁成本低、轻量化契合减速器厂商核心诉求。据我们测算，预计2030年连铸球墨铸铁在全球机器人减速器市场总规模达109.35亿元，其中连铸球墨铸铁在人形机器人减速器市场规模有望达50.72亿元，在工业机器人减速器市场规模有望达58.62亿元。 ②结构改型：RV减速器耐重载、抗冲击性更强，适用于较大载荷的作业场景。人形机器人腰部、髋部等位置受力较大，未来有望使用类RV减速器匹配相应场景。 2）精密减速器市场空间预计将显著扩大。2022年全球精密减速器市场规模约为197亿元。我们测算，若全球人形机器人产量达100万台，则有望给精密行星/RV/谐波减速器分别带来20.1/95.6/53.6亿元的增量空间。 受益标的： 【恒工精密】连铸球墨铸铁国内龙头，减速器隐形冠军，成长性突出、防御性兼具（“买入”评级）； 【中大力德】精密减速器头部企业，一体化战略构筑核心优势（“增持”评级）； 【斯菱股份】汽车后市场稳扎稳打，新业务拓展可期（“买入”评级）； 【苏轴股份】滚针轴承国产化龙头，多领域同步拓展夯实行业地位（“买入”评级）；建议关注：【双环传动】、【绿的谐波】、【丰光精密】、【川机器人】。 风险提示：人工智能&大模型技术发展不及预期、下游落地场景拓展不及预期、人形机器人商业化进程不及 预期、行业规模测算偏差风险、研报使用的信息存在更新不及时风险等。4 目录 CONTENTS 1 减速器简介：定义、分类及性能指标 2 谐波三大类 精密减速器分类与比较：按结构分为行星、RV、 3 4 精密减速器在人形机器人的应用：选型方案各异， 精密减速器竞争格局：海外品牌垄断特征显著，国产替代加速 影响关节性能 5 6 要引擎 精密减速器材料/结构创新：人形机器人成为重相关标的盈利预测与估值 目录 CONTENTCON 中ENTS泰证 1 减速器简介：定义、分类及性能 指标 领先｜深度 信 1.1减速器定义：传动系统重要部件，是实现降速增距的关键 减速器是连接动力源和执行结构的中间结构。减速器是由多个齿轮组成的常用传动零部件，其通过不同大 小齿轮的啮合传递动力，从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。 传动系统是机械设备重要环节，减速器是传动系统降速增矩关键部件。 1）机械设备一般由动力、传动与执行三大系统构成，随着现代机械向机电一体化、精密化、自动化、智能化等方向发展，传动系统已成为设备实现机械功能的关键。 序号 减速器作 用 介绍 1 减小转速 在电机的很多使用场合中、很难完企去使用电机的额定转速，因为这牵涉很多其它的功能需求和匹配的原则，所以需要对电机的转速进行减速。 2 增大扭矩 减速机在降速的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比 3 减小运动机构的惯量 减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方 4 锁止机构 涡轮蜗杆减速机有一个非常重要的功能，那就是锁止机构，当它的减速比达到一定的比值后，它几乎可以完全屏蔽掉运动机构对电机的反向冲击，甚至是完全锁止整个机构的运动。 2）减速器是传动系统降速增矩的重要部件。机械设备通常通过电机带动设备运转，但电机额定转速不能得到完全使用，通过减速器即可实现降低转速、增加扭矩的目的。此外，减速器还具有减少运动机构的惯量、锁止机构等作用，被广泛应用于化工机械、农业机械、精密机床、机器人等领域。 图表：不同传动方式图表：减速器作用 带传动链传动液压传动气压传动齿轮传动 来源：维库仪器仪表网，中泰证券研究所来源：太平洋汽车，中泰证券研究所 7 减速器常用的性能指标包括：减速比、输出扭矩、传动精度、背隙、传 动效率等 1）减速比： ①定义：瞬时输入速度与输出速度的比值，是衡量减速器减速性能的指标。图表：减速器齿轮间啮合示意图 减速比越大，降低的转速越多，输出的速度越慢，增加的扭矩越大。 ②决定因素：由相互啮合的齿轮间的不同齿数决定。 ③公式：a.定义公式：减速比=输入速度/输出速度 b.齿轮系公式：减速比=从动轮齿数/主动轮齿数 ④其他说明：按照传动级数不同，减速器可分为单级减速器和多级减速器。多级减速器的传动比等于每个单级传动比相乘之积。 2）输出扭矩： ①定义：输出轴上产生的扭矩大小，是衡量电机动力输出大小的指标。输 出扭矩越大，减速器可驱动的负载越大。同体积减速器实现的输出扭矩越 大，其能量密度越大。 ②决定因素：减速器的设计、齿轮传动比、输入功率和输入转速等。 ③公式：T=9550*P/n。P是电机的额定（输出）功率，单位是千瓦（KW）；n是额定转速，单位是转每分(r/min)。扭矩通常以牛顿·米（Nm）作为单位表示。（常数9550是为了将功率单位从瓦特和转速单位从rpm转换为扭矩单位牛顿·米而引入的。这个常数在计算中起到单位换算的作用。） 来源：直观学汽车，中泰证券研究所 8 减速器常用的性能指标包括：减速比、输出扭矩、传动精度、背隙、传动效率等 3）传动精度： ①定义：工作状态下，输入轴单向旋转时，输出轴的实际转角与相对理论转角的接近程度，是对减速器质量的评估。传动精度越高，减速器越能准确地控制输出转速与扭矩。 ②决定因素：设计（如齿轮间隙）、加工（如齿轮加工精度）、组装（啮合传动误差）、润滑和使用环境等。 ③其他说明：精密工作场景下（如机床加工、精密仪器）的精度要求较高。 4）背隙： ①定义：将输出端固定，输入端顺时针和逆时针方向旋转，使输入端产生额定扭矩+/-2%扭矩时，减速机输入端产生的微小角位移，是影响减速器精度的一个重要因素。背隙也称回差或回转间隙，其数值越小，减速器的精度越高。 ②决定因素：加工和装配误差、传动元件松动、弹性变形等。 ③单位：弧分（arcmin），1度=60弧分，1弧分=60弧秒。 5）传动效率： ①定义：输出功率与输入功率的比值，是对减速器功率转换效率的评估。传动效率越高，减速器在输入功率与输出功率之间的损失越小，其能源利用率越高。 ②决定因素：轴承、齿轮和密封件等部件的质量；传动链的摩擦和间隙；温、湿度是否合适；是否定期润滑 等。 9 1.3减速器种类：按用途可分为通用、专用、精密减速器 减速器按用途分三大类：通用减速器、专用减速器和精密减速器 1）通用减速器是一般传动减速器，其规格以中小型为主，可广泛应用于各个行业，例如工业齿轮箱、输送机械等。其控制精度较低，可满足机械设备基本的动力传动需求。主营通用减速器的代表企业包括国茂股份等。 2）专用减速器是根据特定需求设计和制造的减速装置，其规格以大型、特大型为主，可根据特定应用或行业需求进行优化设计，例如风力发电齿轮箱、冶金齿轮箱。主营专用减速器的代表企业包括万里扬、双环传动等。 3）精密减速器是传动链误差达到特定精度以上的减速器，多用于精密控制领域。精密减速器通常具有传动精度高、扭转刚度大、传动效率高等优点，目前常被用于工业机器人、高端机床等高精度制造领域。根据结构不同，精密减速器常被分为精密行星减速器、谐波减速器、RV减速器。主营精密减速器的代表企业包括中大力德、秦川机床、绿的谐波等。 4）整体来看，通用减速器适用于广泛的应用领域，专用减速器针对特定需求进行设计，而精密减速器则提供高精度的运动控制和定位能力。 图表：各类减速器示意图 齿轮减速器 蜗轮蜗杆减速器 风力发电齿轮箱 冶金齿轮箱 精密行星减速器 谐波减速器 RV减速器 通用减速器专用减速器精密减速器 来源：国茂股份、科峰智能招股说明书，中泰证券研究所10 目录 CONTENTCON 中ENTS泰证 2 精密减速器分类与比较：按结构 分为行星、RV、谐波三大类 领先｜深度 信 2.1精密减速器：乘机器人发展东风，广泛应用于