国产减速器在人形机器人领域应用情况分析

国产减速器在人形机器人领域应用情况分析谐波减速器和RV减速器是工业机器人的核心部件。减速器是连接伺服电机和执行机构的中间装置，通过齿轮啮合将伺服电机的动力传递到执行机构上，起到匹配转速和传递转矩的作用。从分类上看，减速器包括通用减速器和专用减速器，而专用减速器按照应用领域则可以分为船用齿轮箱、风力发电齿轮箱、机器人专用减速器等类型。在工业机器人领域，减速器是最基础的核心部件，有谐波减速器和RV减速器两种类型。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，代表性厂商为日本纳博特斯克、国内双环传动；谐波减速器具有单极传动比大、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，代表性厂商为日本哈默纳科、国内绿的谐波。图表1：减速器分类资料来源：Wind图表2：谐波减速器与RV减速器对比资料来源：绿的谐波招股书✓谐波减速器：谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大零部件组成，通过柔轮变形产生的周期性波动来实现刚轮轮齿与柔轮轮齿之间的少齿差内啮合，从而完成运动与动力的传递。由于谐波减速器精度极高，因此其每一个环节都需要高水平的技术支持。1）柔轮：采用40Cr合金钢制造，例如40CrMoNiA、40CrA，目前柔轮材料还依赖从国外进口；2）钢轮：多采用球墨铸铁制造，能够提供良好的韧性、耐磨性；3）波发生器：由柔性轴承与椭圆形凸轮组成，目前国内谐波减速器厂商已经开始加速轴承的国产化进程，以绿的谐波为例，其谐波减速器用轴承以自产为主，外购轴承主要为特定型号的深沟球轴承。从材料成本看，谐波减速器材料用量较大，且部分零部件材料需进口，绿的谐波2019年钢材\铝材\轴承的成本占比分别为35.16/10.74/6.37%，2021年公司工业及服务机器人直接材料费用占比达32.46%。图表3：谐波减速器零部件拆分资料来源：绿的谐波招股书图表4：绿的谐波2019年主要原材料成本构成资料来源：绿的谐波招股书✓RV减速器：RV减速器振动小，噪音低，能耗低，安装于多关节机器人的机座、大臂、肩部等位置，广泛用于拆码垛、工业、物流等重负载（20-500KG）场景。RV减速器由一个行星齿轮减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成，相比于谐波减速器，其具有高疲劳强度、刚度和寿命，且回差精度稳定的优势。从成本端看，零部件和原材料占据其主要部分，2021年中大力德直接材料占成本比重达69.73%，而细分看，2016年其减速器主要构件/齿轮毛坯/齿轴毛坯合计占公司总成本超40%。从竞争格局看，国产RV减速器厂商的核心零件针齿壳和摆线轮的加工设备需从欧洲进口（单台均在1500万元以上），减速器轴承也仍受制于国外。国产减速器轴承精度和寿命不及进口产品，轴承工艺方面尤其是热处理技术与国外尚存在差距，由于欧洲轴承价格高昂，日产轴承对我国限制销售，因此我国RV减速器行业需提高热处理工艺和热处理设备制造水平。图表5：RV减速器结构资料来源：双环传动官网图表6：中大力德减速器主要原材料成本构成资料来源：中大力德招股说明书单台用量大幅提升，减速器迎来黄金时代。特斯拉Optimus将搭载约40个电机，实现对颈部、手臂、手指、躯干、腿部等部位的控制，电机数量较传统工业机械人和服务机器人有大幅提升。类比工业机器人与协作机器人，“电机+减速器”的集成有望成为人形机器人大关节的主要动力组合，减速器需求空间将被打开，而指关节部分因体积、重量等边界条件限制，可能采用更加轻量化的技术路径。根据特斯拉发布的参数，Optimus体重为125磅（约56.7kg），承载能力达45磅（约20kg），满载下重量为76.7kg，推算腰部、腿部的主要受力关节采用大功率电机，并搭配RV减速器；肩部、肘部只需承载手臂自重与负重，采用较小功率的电机，搭配谐波减速器；颈部腕部等对承载能力要求不高的关节采用小功率电机并搭配小型谐波减速器。图表7：六轴机器人通常使用2个RV+4个谐波资料来源：埃斯顿官网图表8：人形机器人预计使用9~14个谐波+2~4个RV资料来源：特斯拉➢谐波减速器：人形机器人有望助力谐波市场打开百亿级增量空间。我们通过人形机器人关节自由度估算减速器数量，考虑到部分关节可能使用直驱电机（舵机）、电缸等无需配备减速器的技术路径，预计肩部、肘部、腿部、腕部、腰部、颈部等几个主要关节的谐波减速器用量为9~14个，目前国内谐波减速器价格从几百元到2千元左右不等，若单台机器人配置谐波减速器数量为10个，均价为1500元，则单台人形机器人谐波减速器价值量约为1.5万元，在人形机器人销售100万台的中性假设下，需求量为1000万台，对应市场规模150亿元。工业机器人方面，根据MIR数据，2021年我国工业机器人销量为25.6万台，其中多关节/SCARA/delta/协作机器人占比分别为61.9%/29.1%/6.0%/3.0%。通常每台多关机/SCARA/delta/协作机器人配备谐波减速器4/2/1/6台，假设各类机器人销量占比保持稳定，预计2025年我国工业机器人领域谐波减速器需求量约为151万台。整体来看，单台人形机器人对谐波减速器的需求远超工业机器人，人形机器人有望打开谐波减速器百亿级增量空间。图表9：人形机器人谐波减速器需求量的敏感性分析（万台）资料来源：wind注：横轴为特斯拉人形机器人销量，纵轴为单台人形机器人配备谐波减速器数量图表10：我国工业机器人谐波减速器需求量分析资料来源：MIR注：测算过程包含主观假设，结论与实际可能存在误差➢RV减速器：人形机器人有望成为RV减速器新增长极。RV减速器适用于负载较大的场景，工业机器人上一般用于底座、大臂等部分。由于人形机器人腰部空间较大，且对承载能力要求较高，预计采用2~4个RV减速器。若假设单台机器人配置RV波减速器数量为2个，均价为3000元，则单台人形机器人谐波减速器价值量约为6000元，在人形机器人销售100万台的中性假设下，预计RV减速器需求量为200万台，对应市场规模60亿元。在工业机器人领域，假设多关节机器人底座、大臂共用2台RV减速器，我们预计2025年我国工业机器人RV减速器需求量有望超过50万台。整体看，人形机器人有望成为RV减速器市场的新增长极。