国产替代系列二：人形机器人孕育市场蓝海减速器行业迎发展良机

近年来，随着工业自动化程度的提高，减速器市场需求持续增长，行业规模不断扩大。根据相关数据，全球减速器市场规模预计在未来几年内将以年复合增长率的形式继续扩大。特别是机器人、智能制造等领域的快速发展，更将为减速器行业发展注入新的活力，减速器行业将迎来发展良机。 然而就现阶段行业市场格局而言，海外品牌垄断特征显著，我国厂商距离全球龙头尚有差距，国产替代进程亟需提速。所以我们今天就继续以国产替代的视角，对减速器行业的国产替代做具体分析。我们将主要以市场讨论最为激烈的精密减速器为焦点，来对减速器行业相关问题进行梳理。当前减速器行业具体市场格局怎样？有哪些竞争壁垒制约着我国减速器行业发展？精密减速器的国产替代进程怎样？国内 企业有哪些突破？相关布局公司产业发展情况如何？以及国产替代视角下，减速器行业市场空间有多大？ 行业未来或存在哪些变局？以下我们将以此线条进行详细梳理，以尽可能全面地展现减速器行业国产替代面貌，了解行业及企业后续市场破局思路及其未来发展。 一、行业概况 1、减速器：机器人转动关节的核心零部件 （1）减速器的核心功能：降低转速、提高扭矩 减速器是连接电机和负载的中间装置，用于降低电机的输出转速。通常一个电机的转速可达数千转每分钟，而输出扭矩较小，无法满足大部分负载端低转速大负载的工作需求，因此无法直接与输出端相连。 根据公式P=T*ω1，在电机输出功率恒定的情况下，降低电机的输出转速可以提高电机的输出扭矩。因此通常需要减速器作为中间机构，来降低输出转速、提高输出扭矩。 （2）减速器种类多样，机器人领域主要使用精密减速器 减速器分为一般传动减速器和精密减速器。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，起到匹配转速和传递转矩的作用。根据控制精度的要求，减速器分为一般传动减速器和精密减速器。 工业机器人用的精密减速器主要有三种类型。一般传动减速器通常用于满足基本的动力传输需求，其控 制精度较低。工业机器人用的精密减速器主要有三种类型分别为谐波减速器、RV减速器、行星减速器。 精密减速器的性能直接决定机器人的整体性能水平。精密减速器是工业机器人最重要的基础部件，直接关系到机器人的反应速度和功能实现精度。工业机器人主要使用的精密减速器有谐波和RV两种。由于体积小巧，承载能力相对较低，谐波减速器主要用于腕部、手部和小臂等执行机构的末端位置。相比之 下，由于RV减速器的体积、质量较大但稳定性强，并拥有更大的承载能力，它通常应用于基座、肩膀、大臂等部位。对于一个拥有六个关节的机器人来说，关节A1-A3通常采用RV减速器，而末端执行关节A4-A6则主要选用谐波减速器。移动机器人的轮部可使用精密行星减速器。 谐波减速器是一种基于圆柱弹性壳体理论的新型齿轮传动。它通常由柔轮（Flexspline）、刚轮 （CircularSpline）和波发生器（WaveGenerator）三个主要构件组成。谐波减速器的工作原理是通过柔轮的周期性波动变形，迫使柔轮与刚轮之间的少齿差内啮合，从而实现动力和运动的传递。由于柔轮 和刚轮的齿数之间的差距很小，因此可以获得大的传动比。谐波减速器相对于传统减速器具有多个优点。 它已从最初的航天航空装备领域迅速扩展到其他领域，包括仪器仪表、机床、仿生学（机械手、机器人、假肢）、医疗器械、能源、光学系统和原子反应堆等。这种广泛的应用领域使得谐波减速器成为一种非常有价值的传动装置。 RV（rotatevector）减速器是由摆线针轮行星减速器发展而来，主要由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两个部分构成。比摆线行星减速器具有更紧凑的结构设计和更优越的使用性能以及更高的传动精度，被广泛用于机器人、医疗和军事等工程领域，尤其在机器人领域RV减速器占有越来越大的比重。与机器人关节常用的谐波减速器相比，RV精密减速器具有很高的疲劳强度、刚度和寿命，最大的特点是回差精度稳定，不会像谐波减速器那样随着使用时间的增加运动精度会显著降低，因此满足类似机器人关节等对运动精度要求长期稳定的传动场合。现今世界上大部分国家高精度的机器人传动多采用RV减速器作为关键零部件。随着机器人技术的发展，RV精密减速器已成为现代机器人关键技术之一，对于机器人的性能具有重要影响。 精密行星减速器是一种紧凑的减速装置，由行星轮、太阳轮和内齿圈组成。其结构相对简单，传动比通常在10以内，减速级数一般不超过3级。在精密行星减速器的运行过程中，一个太阳轮通常会驱动3个行星轮绕行星轴旋转，这使得它的体积小、质量轻，启动更加平稳。此外，精密行星减速器具有卓越的刚性、高精度和高扭矩传递能力。精密行星减速器主要应用于步进电机和伺服电机，用于减小转速并提高扭矩输出。这种减速器广泛应用于工业机器人、精密机床、医疗设备等领域。 2、谐波减速器与RV减速器各有优劣，国产技术稳步突破 （1）谐波减速器国产厂商技术自主化能力逐步增强 谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大基本零件组成。谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过柔轮与刚轮的相互作用实现运动和动力传递的传动装置。谐波减速器在机器人应用中常用于小臂、腕部和手部等小关节部位。 波发生器：由一个组装在椭圆状凸轮的外周的薄壁滚珠轴承组成；轴承的内周固定在凸轮上，外圈通过滚珠弹性变形；通常安装在输入轴。 柔轮：薄壁杯状金属弹性体，开口部外周刻有齿；柔轮杯状底部称为膜片；通常安装在输出轴。 刚轮：环状刚体，内周可有齿；齿数比柔轮多2片；通常固定在外壳。 谐波减速器使用柔性构件，利用少齿差原理实现机械传动。谐波减速器采用的是波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出的形式，当波发生器连续转动时，柔轮不断产生弹性形变，与刚轮产生了错齿运动，实现了波发生器与柔轮的运动传递。当波发生器装入柔轮内圈时，柔轮被波发生器弯曲成椭圆状，柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，在波发生器长轴处处于完全啮合状态；而波发生器短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱离状态。固定刚轮，使波发生器按顺时针方向旋转后，柔轮发生弹性形变，且与刚轮啮合的齿轮位置顺次移动。当波发生器向顺时针方向旋转180度后，柔轮仅向逆时针方向移动1齿。当波发生器旋转360度后，由于柔轮比刚轮减少2齿，柔轮向逆时针方向移动2齿；该动作一般被视为输出执行。该方式突破了机械传动采用刚性构件的模式。 谐波减速器凭借其多项优点在轻负载精密减速器领域中占据主导地位，且应用广泛。除了机器人领域外，其在医疗器械、数控机床、光伏设备和半导体设备等领域均有应用前景。谐波减速器的主要优点有：传动精度高：多齿在两个180度对称位置同时啮合，使得齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。 传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比可达30-500，且结构简单，三个在同轴上的基本零部件就可实现高减速比。 承载能力强：在谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 体积小、重量轻：相比普通的齿轮装置，该齿轮结构体积和重量可以大幅降低，实现小型化、轻量化。 在输出力矩相同的前提下，相较一般减速器，其体积可减少2/3，重量可减轻1/2。 国产谐波减速器技术自主化能力逐步增强。中国国内的技术发展之路通常是基于国外相关产品进行逆向工程研究，从而了解产品所需技术并进行突破。近年来，以绿的谐波为首的国内厂商在谐波减速器技术实现了自主性的突破。以专利技术中的齿形为例，国际Harmonic采用的“S”齿形是在空载条件下基本实现了连续接触，突破了传动齿形只有在负载条件下才能实现多齿啮合的连续接触的状况；来福谐波研发出“δ”齿形；而绿的谐波跳出了传统上以willis定理为基础的渐开线齿轮设计理论，基于曲线/面的几何映射理论退出共轭齿形，并研发出“P”齿形；国内部分高校也有新型齿形设计，但目前应用范围较为狭窄。 绿的谐波的“P”齿形，与国内外同类产品相比有诸多优势。“P”齿形克服了“S”齿形的当轮齿数较少时误差会增大的特点。与国外同类产品相比，“P”齿形具有如下优势：齿高较低：无需很深的啮合距离就可以获得较大的啮合量，可承受较大的扭矩，极限载荷优于国外产品；齿宽较大：齿根弧度增大，减少发生断裂失效的风险；寿命长：因所需柔轮变形量较小，柔轮寿命得到提高，产品极限载荷寿命是国外产品的4倍以上；齿面比压较小：多达20-30%的齿参与啮合。与国内同类产品相比，“P”齿形具有如下优势：承载扭矩大幅提升，是国内同类产品的2倍以上；体积小、重量轻，体积是国内同类产品的1/2以下；高效率、低背隙，可实现零误差精确传动，产品出厂时背隙≤10arcsec(绝大多数产品均为0背隙)，空程误差≤40arcsec。 （2）RV减速器国内外研究实力具有明显差异 RV减速器结构复杂，主要三大零部件为中心轮和行星轮、摆线轮和曲柄轴。RV减速器，全称旋转矢量（RotaryVector）减速器，与摆线针轮减速器同源，由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，因此内部结构会比谐波减速器更加复杂。RV减速器在机器人应用中常用于转矩大的腿部、腰部和肘部等关节部位。 中心轮和行星轮：中心轮一般采用渐开线齿轮，可做成齿轮轴或通过花键结构与输入轴链接；行星轮与曲柄轴固连，一般在中心轮外周均匀分布2-3个，从而对称分流功率。 摆线轮：也称为RV齿轮，是最为核心零部件，其齿廓曲线精度对摆线针轮的接触状态影响很大。一般在曲柄轴上安装2个完全相同的摆线轮，且两轮偏心位置互成180度，使得在摆线轮传动时实现径向力的平衡。 曲柄轴：一端连接减速器输出轮，另一端装配行星轮，中间部分支撑摆线轮。曲柄轴转动时，可以带动摆线轮产生公转，且支撑摆线轮的自转。 RV减速器是一种两级减速机构，由渐开线行星齿轮传动和摆线针轮传动构成，属于曲柄式封闭差动轮系。RV减速器采用的少齿差工作原理与谐波减速器工作原理基本一致。RV减速器的运动转递过程为：驱动力由输入轴传给行星轮，行星轮与曲轴旋转中心通过花键固连，从而带动曲轴自转，曲轴因其不同轴段的偏心结构，将运动传递给摆线轮，摆线轮绕其回转中心以曲轴偏心距为半径做公转运动，摆线轮轮回转带动与行星架固连的输出端，从而完成运动的输出。 RV减速器作为工业机器人关节的高精密减速传动装置具有多项优点且应用广泛。除了机器人领域外，其在医疗检测设备、机床和卫星接收系统等领域均有应用广泛应用。RV减速器的主要优点有： 传动效率高：摆线针轮行星减速装置中的传动零件刚度高、接触应力小，零件加工和安装精度易于实现高精度。 体积小、质量轻：行星传动结构与紧凑的W输出结构组合，使得整个摆线针轮减速装置结构十分紧凑。 传动比大：采用一齿差或少齿差传动，摆线针轮传动的传动比大小摆线针轮的齿数，齿数越多，传动比越大。 承载能力强：摆线针轮传动同时啮合的齿数要比渐开线外齿传动同时啮合的齿数多。（5）寿命长：摆线轮和针轮的轮齿均淬硬、精磨，比渐开线少齿差传动中内齿轮的加工性能更好、齿面硬度更高。 Nabtesco的研发能力全球领先。从截至2019年的全球RV减速器技术专利申请量来看，前10名中除了第8名的SPINEA和第九名的ZF来自欧洲地区外，其他8家机构均来自日本，日本机构在RV减速器领域有着全方位的领先优势；而且国际巨头Nabtesco以近200项的专利申请量，远超其他机构，拥有强大的技术实力。从截至2019年的中国RV减速器技术专利申请量来看，中国自2011年起有RV减速器技术专利以来，国内相关技术专利申请活跃度较低，整体专利申请量处在较低水准，相较国际巨头仍存在较大的技术差距。 国内外研究实力具有明显差异。RV减速器技术专利分类可分为结构、制造加工、润滑冷却、降噪和材料等方面，其中直接影响产品性能的研发重点是齿轮传动装置、轴和电机本体。对比截至2019年的国内外技术专利分布来看，国外在三大研发重点中投入研发力度最大，而国内除了齿轮传动装置外，主要侧重了产品工艺方面，比如平衡测试等