精密減速器行業：機器人核心部件，有望持續受益人形機器人產業帶動
http://www.debgrams.com 2024-05-27 10:48 來源：未來智庫
1、減速器：傳動系統關鍵部件，下游應用豐富
減速器是一種常見的機械傳動裝置，之所以稱之為減速是值其大部分情況是用于降低輸 出端的旋轉速度同時增大輸出端的力矩，如果進行的是反向操作則稱之為增速器，減速 器是機器人中的關鍵部件，伺服電機輸出的轉速高、力矩小不滿足機器人的運動需求， 減速器則可以保障機器人正常運轉。
根據架構和傳動原理的不同，減速器可以分為通用減速器、專用減速器以及精密減速器， 其中通用減速器以中小規格為主，模塊化、系列化、應用較為廣泛；專用減速器一般以 大型、特大型為主，需要根據不同的應用場景進行專業化定制；精密減速器質量輕、易 控制功率較大，主要應用于機器人、數控機床等行業。
此外，減速器按照傳動級數不同可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒 輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐、圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式減速器。
減速器下游應用豐富，市場空間廣闊。減速器下游應用豐富，可用于起重運輸、水泥建 材、機器人、重型礦山、冶金業等，根據中商產業研究院統計，截至 2022 年，我國減 速器下游應用中，起重運輸、水泥建材、機器人分別為應用市場前三名，市場分別占比 25%、15%、11%。
根據中商產業研究院預測，2022 年中國減速器行業市場規模達到 1321 億元，同比增長 5.01%，2023 年中國減速器市場規模將增長至 1387 億元。從產量看，2021 年中國減速 機產量達 1203 萬臺，同比增長 31.19%，2022 年約為 1380 萬臺，預計 2023 年將進一 步增長至 1570 萬臺。
2、精密減速器：人形機器人中必不可少
2.1 精密減速器可分為諧波減速器、RV 減速器、精密行星減速器
相較于傳統減速器，精密減速器回程間隙小、精度更高，使用壽命更長，在機器人、數 控機床等高端領域應用較多。精密減速器可分為諧波減速器、RV 減速器、精密行星減速 器等。 RV 減速器由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構組成， 其特點在于結構緊湊、振動小、能耗低，目前廣泛應用于機器人之中。諧波減速器是利 用柔性構件的彈性變形波進行動力傳動變換的結構，包含諧波發生器、柔性輪和鋼輪， 其傳動比大、傳動精度高。行星減速器運動方式類似于地球圍繞太陽旋轉，體積小、負 載大、運行平穩。
2.2 RV 減速器：高負載、高剛度、大體積
RV 減速器，全稱為“Rotary VectorReducer”，是一種精密的行星齒輪減速器，它采用擺 線針輪嚙合機構作為核心傳動部件。RV 減速器具備高精度、高剛性、負載能力強的特點， 因此，RV 減速器通常被運用于工業機器人的關節驅動，如焊接機器人、裝配機器人、搬 運機器人等對運動控制要求極高的領域。
1960 年，RV 減速器的概念和原理逐步形成，進入 1980 年代，計算機的引入使得 RV 減 速器設計的精準度以及效率進一步提升，RV 減速器由此開始模塊化標準化生產，至今， RV 減速機已經成為機器人手臂、精密機床、半導體制造設備等高端裝備的關鍵組件。
一級 RV 減速器結構緊湊、精度及剛性均較高；二級 RV 減速器具備效率高、噪音低、低 振動等特點；三級 RV 減速器扭矩及傳動能力較大，承載較高。
2.3 諧波減速器：體積小、傳動比高、精密度高
諧波減速器主要由柔輪、波發生器、鋼輪三個部件組成，其中，諧波發生器為主動軸。 柔輪和鋼輪通過嚙合組成傳動軸。諧波減速器相較于一般減速器具備傳動比大、體積小，質量小的特點，可以廣泛應用于機器人小臂、腕部、手部等位置。
波發生器：由柔性軸承與橢圓形凸輪組成，波發生器通常安裝在減速器輸入端，柔 性軸承內圈固定在凸輪上，外圈通過滾珠實成彈性變形成橢圓形。 柔輪：帶有外齒圈的柔性薄壁彈性體零件，通常安裝在減速器輸出端。 剛輪：帶有內齒圈的剛性圓環狀零件，一般比柔輪多兩個齒輪，通常固定在減速器 機體上。
諧波傳動具有以下幾大特點： 1）精度高：齒輪齒鋸誤差和積累齒距誤差對旋轉精度影響較為平均，位置精度和旋轉精 度較高；2）傳動比大：單級諧波齒輪傳動的傳動比可達 i=30~500，同時僅包含三個核 心部件結構較為簡單；3）承載能力較高：齒與齒之間的接觸是面接觸，嚙合齒數多進而 單位面積載荷小，可以承載更多重量；4）體積小、重量輕；5）傳動效率高、壽命長； 6）傳動平穩、無沖擊、噪音小。
相較于 RV 減速器，諧波減速器背向間隙更小，體積更小，但承載力較弱。因此 RV 減速 器較多的應用于高負載部位，其結構較為復雜難以實現規模化量產，在輕負載領域則由 諧波減速器占據主導地位。
2.4 精密行星減速器：結構簡單，剛性較好，傳動效率高
精密行星減速器由行星輪、太陽輪和內齒圈構成，行星齒輪傳動結構是傳動效率最高的 齒輪傳動結構。精密行星減速器工作時，由伺服電機等原電機驅動太陽輪旋轉，再通過 與行星輪的嚙合使行星輪轉動，進而通過行星輪嚙合減速器殼體內部的環形內齒，最終 行星輪通過公轉驅動行星架旋轉，行星架與輸出軸項鏈，輸出扭矩。
行星減速器有三大特性： 高扭力耐沖擊：行星減速器齒輪可以實現接觸面 360 度負荷，相較于傳統的點接觸擠壓 驅動，行星減速器可以避免單點負荷較高進而容易斷裂的問題，行星齒輪結構具備高扭 力耐沖擊的特性。 體積小重量輕：傳統齒輪減速機大小齒輪之間需要一定距離咬合，整體占據空間體積較 大，行星減速器可以實現段數重復連接，有效改善了空間和體積問題。 高效率低背隙：行星齒輪可以實現多點均勻密合，外齒輪環與行星齒輪緊密結合，提升 了減速機效率。
綜合來看，針對減速器主要指標： 傳動效率方面：精密行星減速器最優，RV 減速器次之，諧波減速器位居第三位； 傳動精度方面：精密行星減速器依舊最優，RV 減速器與諧波減速器不相上下； 傳動比方面：RV 減速器與諧波減速器略優于精密行星減速器。
3、精密減速器受益人形機器人帶動市場空間廣闊，國產替代 勢在必行
3.1 精密減速器下游應用豐富，人形機器人將打開精密減速器增長空間
精密減速器下游應用豐富，可用于機器人、數控機床等高端行業，根據頭豹研究院數據， 2022 年，我國精密減速器下游應用中，工業機器人、半導體設備、機床位列前三位，分 別占比 44.8%、11.3%、6.3%。
精密減速器可用于機床行業，精密行星減速器廣泛應用于金屬切削機床、金屬成形機床、 木工機械等細分機床領域。由于機床本身的加工，負載慣性系統的條件變化很大，有必 要安裝精密減速器以增加扭矩，改善負載端的慣性匹配，從而使慣性操作平穩。根據 VDW 統計的數據，2021 年全球金屬加工機床產值達到了 709 億歐元，同比增長 20%，其中， 全球金屬切削機床產值為 501 億歐元，金屬成形機床產值為 207 億歐元，金屬切削機床 與金屬成形機床比例約為 70%與 30%。2021 年我國金屬切削機床產值為 218.14 億歐 元，同比增長 28.7%，占全球市場規模的 30.7%。
精密減速器為工業機器人核心部件。精密減速器可用于工業機器人多個環節，如諧波減 速器可用于機器人小臂、腕部等位置，RV 減速器可用于大臂、肩部等高負載位置，根據 頭豹研究院數據顯示，2022 年工業機器人上游各環節：減速器、伺服系統、控制器、本 體成本占比分別為：35%、25%、10%、15%。
工業機器人市場不斷擴張將帶動減速器進一步拓展。根據中商產業研究院數據，2022 年中國工業機器人市場規模達到 585.17 億元，2019-2022 年的年均復合增長率達 16.5%， 預計 2024 年中國工業機器人市場規模將增至 726.42 億元；2022 年全國規模以上工業 企業的工業機器人累計完成產量 44.31 萬套，近五年年均復合增長率為 31.61%，預計 2024 年中國工業機器人產量將達到 48.92 萬套。
人形機器人有望成為新增量，進一步打開精密減速器市場空間。以特斯拉 Optimus Gen2 為例，其采用 14 個旋轉執行器并采用諧波減速器，根據頭豹研究院預計，到 2030 年， 減速器在人形機器人中的價值量占比將達到 13%。根據中商產業研究院預測，我國人形 機器人市場 2023—2030 年，按年均復合增長率 30%測算，預計到 2030 年，我國人形 機器人市場規模有望達約 8700 億元，人形機器人產業化加速落地有望為精密減速器打 開充足的市場空間。
3.2 向機電一體化、模塊化方向發展，降低機器人開發成本
隨著機器人的不斷發展，機器人關節作為高度電耦合系統對零部件的集成度提出更高要 求，機電一體化、模塊化可以將減速器與其他零部件如傳感器等相結合，形成模塊化部 件供給下游機器人廠商采購，模塊化不僅可以提升減速器的功能屬性使其適配更多場景 還能讓下游機器人廠商門檻降低，專注于機器人場景開發。
（1）工業機器人關節：
目前機器人關節面臨裝配成本高、關節體積大等問題，模塊化的機器人關節設計可以很 好的解決這一問題，模塊中集成精密減速器、電機、傳感器、驅動器作為一個基本的傳 動單元，減少了制造時間及總體成本，同時可以適配其他系統接口，進而配合更復雜的 機器人系統。
（2）電液驅動關節
足式機器人腿部的運動可以通過液壓驅動系統實現，由伺服電機驅動液壓泵，液壓系統 正在向機電液一體化和集成化方向發展，機電一體化可實現液壓系統的柔性化和智能化。
（3）機床數控轉臺：
數控轉臺是數控機床的主要部件，一定程度上決定了數控機床的加工性能和技術水平， 諧波減速器具有精度高、體積小、傳遞扭矩大、成本低等優點，以諧波減速器和伺服電 機為主要組件的諧波轉臺能夠適應各種機床的生產需求，近年來備受關注。
（4）移動機器人旋轉關節：
“電機+減速器”集成逐漸成為移動機器人大角度旋轉關節必不可缺的部分，移動機器 人部分關節要受到體積大小的限制，諧波減速器體積下、質量小、減速比大、扭矩密度 高，“無框電機+雙編碼器+力矩傳感器+諧波減速器”這類方案得到越來越多的應用。
3.3 政策端持續發力，產業端人形機器人減速器應用不斷拓展
政策端：國家出臺多項政策支持減速器產業，2024 年 1 月，工信部等 7 部門印發《關于 推動未來產業創新發展的實施意見》，其中指出突破機器人高轉矩密度伺服電機、高動態 運動規劃與控制、仿生感知認知、會能靈巧手、電子皮膚等核心技術，重點推進智能制 造、家庭服務、特殊環境作業等領域產品的研制及應用。2023 年 6 月，工信部、教育部 等五部門印發《制造業可靠性提升實施意見》，提出提高工業機器人用精密減速器、智能 控制器，僅器儀表用控制部件、傳感器、源部件、探測器、樣品前處理器等關鍵專用基 礎零部件和高端軸承、精密齒輪、高強度緊固件、高性能密封件等通用基礎零部件的可 靠性水平。
產業端： （1）特斯拉 Optimus： 根據特斯拉 2022 年 AI DAY 公布的信息， Optimus 整體軀干共有 28 個關節執行器，其 中旋轉執行器 14 個，線性執行器 14 個。旋轉執行器分別位于肩部六個、肘部兩個、腰 部兩個和髖部四個。
特斯拉旋轉執行器由永磁無刷電機+諧波減速器+雙編碼器+力矩傳感器+軸承+機械離 合組成。根據與非網，特斯拉所使用的三種諧波減速器分別是負載 20Nm 的小型減速器、 負載 110Nm 的中型減速器和負載 180Nm 的大型減速器。
（2）達闥機器人： 達闥機器人 Cloud Ginger XR1 裝配 34 個智能柔性關節遍布頸、肩、肘、腕、手、腰、 膝、底盤，具備精準的視覺抓取能力、全方位的聽、說、看、動等融合智能能力。為各 類客戶提供迎賓接待、引導講解、群舞演繹、業務辦理、養老陪伴、教學科研等應用服 務。
MINTASCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性關節，是達闥自主研發的一種高集成 化、高性能的智能柔性關節 SCA 集成新型伺服電機、底層伺服驅動、高精度編碼器、高 精度減速器于一體，體積僅為傳統伺服系統的十分之一；具備高度集成、總線控制、大 扭矩輸出、低成本及易使用性等特點， 是大多數機器人最核心的運動關節。 MINTASCA 主要分為五個系列，分別是采用諧波減速器的 QDD Pro 系列、采用鋼齒材 料行星減速器的 QDD Plus 系列、采用鋁合金材料行星減速器的 QDD 系列、采用復合 材料行星減速器的 QDD Lite 系列和無減速器的 DD 系列。
（3）優必選： 優必選 Walker 新一代具備 36個高性能伺服關節以及力覺、視覺、聽覺、空間知覺等 全方位的感知系統，可以實現平穩快速的行走和靈活精準的操作。在一體化驅動單元方 面選擇無框力矩電機+精密諧波減速+驅動控制器+雙編碼器。 在伺服驅動器方面，優必選設計并制造具有不同扭矩的伺服驅動器，以便應用于不同形 狀及大小的服務機器人，以使其應用于不同行業，其中大型伺服驅動器集成了高密度無 框力矩電機、雙位置編碼器、行星/諧波減速器和高性能處理控制器，形成一體化，可以 滿足高功率密度、大扭矩輸出的需求。目前支持最大扭矩≥200Nm；中小型伺服驅動器 在電機控制算法、減速器設計和電機設計三個維度進行深入研究，形成中小型伺服舵機 開發一站式解決方案。
（4）傅里葉 GR-1：傅里葉 GR-1 全身具備 44 個自由度，可以模擬人類的運動方式，實現轉頭、扭腰、抓取、 跑步，跳躍等不同動作。可以模擬人類直膝行走的自然步態，有效增加步長，降低步行 功耗，提升步行效率。同時，傅里葉自研一體化執行器集成電機、驅動器、減速器及編 碼器，在相同自重下，動力更強，機身更靈巧，續航更持久。
我們認為，一方面精密減速器利好政策頻出，另一方面，產業端減速器已經廣泛應用于 人形機器人產品之中，未來模塊化進一步提升減速器功能屬性進一步適配更多場景正符 合人形機器人的發展方向，精密減速器有望持續受益于人形機器人產業的帶動。
3.4 精密減速器尚存在壁壘，國產替代勢在必行
3.4.1 諧波減速器：市場相對集中，哈默納科占主要地位，國產龍頭為綠的諧波
根據中商產業研究院預測，2022 年我國諧波減速器市場規模約 21 億元，預計 2025 年 市場規模有望超過 30 億元。根據華經產業研究院預測，2021 年全球機器人下游諧波減 速器市場規模為 23 億元，預計 2022 年達到 29 億元，2025 年接近 49 億元，2022-2025 年市場空間 CAGR 為 19.1%左右。
從全球來看，根據華經產業研究院數據顯示，2021 年全球諧波減速器市場份額哈默納科 一家獨大，占據 82%左右，綠的諧波則占據 7%。 從國內市場來看，2022 年我國諧波減速器市場競爭格局中，哈默納科市場份額最大，占 比 38%，其次是綠的諧波市場份額為 26%。目前，我國國產品牌在市場占有率不斷提 升，國產諧波減速器已基本可以實現國產替代，在減速比、輸出轉速、傳動精度等方面 和海外品牌差距明顯縮小。
根據智研咨詢數據顯示，2022 年我國諧波減速器產量約為 46.3 萬臺。隨著國內工業 4.0 的穩步推進，機器人等相關產業具備良好的增長前景，國內工業機器人產量將呈穩步增 長態勢，下游制造業的發展將成為推動上游諧波減速器生產商投資擴產的重要推力， 2022 年我國諧波減速器需求量約為 135.39 萬臺，市場均價約為 2048 元每臺，尚處于 供不應求的狀態。
3.4.1 RV 減速器：納博特斯克占據龍頭地位
根據 QYResearch 數據，2020 年，全球 RV 減速機市場規模達到了 857.44 百萬美元，預 計 2027 年將達到 1535.02 百萬美元，2021-2027 年復合增長率（CAGR）為 7.74%。根 據中商產業研究院數據，2021 年我國 RV 減速器市場規模約 42.9 億元，同比增長 50%。 預計到 2025 年 RV 減速器市場規模有望達到 60 億元。
根據智研咨詢數據，2022 年，在我國 RV 減速器的市場中，日本的納博特斯克占據了 51%的市場，住友重工占據 5%的市場。我國的 RV 減速器起步較晚，并且受到國內加工 水平的限制，我國精密減速器的缺點包括受制精度不能長時間保持、容易疲勞等。RV 減 速器的國產廠商主要有雙環傳動、珠海飛馬、中大力德、南通振康、秦川機床等。
3.4.3 精密行星減速器：日本新寶、科峰智能占據領先地位
根據中商產業研究院數據顯示，2022 年，全球行星減速器銷量為 540.15 萬臺，銷售金 額為 12.03 億美元，預計 2023 年市場規模將增至 12.55 億美元。2018-2022 年，我國 行星減速器銷售額由 2.96 億美元增至 5 億美元，復合年均增長率達 14.0%，預計 2023 年將達 5.2 億美元。市場發展空間廣闊。
從全球競爭格局來看，德國、日本等國家的精密行星減速器產品在材料、設計水平、質 量控制、精度、可靠性和使用壽命等方面處于行業領先地位。國外精密行星減速器主要 廠家為日本新寶、紐卡特、威騰斯坦等。2022 年，日本新寶、紐卡特、威騰斯坦、精銳 科技、科峰智能市場份額占比分別為 12.9%、10.9%、10.7%、7.5%、5.4%。 從國內競爭格局來看，目前市場主要參與者為外資廠商、合資廠商，高端精密行星減速 器國產化率很低。日本新寶、科峰智能及紐氏達特是我國精密行星減速器市場的主要供 應商，2022 年市場占有率分別為 20.4%、11.7%、9.4%。
我們認為，精密減速器技術壁壘相對較高，海外領先廠商具備先發優勢，未來隨著國內 技術逐步突破，同時疊加我國精密減速器市場整體處于供不應求的狀態，精密減速器國 產替代大有可為，未來國產替代進程有望加速。
4、重點公司分析
4.1 綠的諧波
公司產品廣泛應用于工業機器人、服務機器人、數控機床、醫療器械、半導體生產設備、 新能源裝備等高端制造領域。經過多年持續研發投入，公司在國內率先實現了諧波減速 器的工業化生產和規模化應用，打破了國際品牌在國內機器人諧波減速器領域的壟斷。 為進一步提升公司產品核心競爭力，加速國產替代進程，助力公司戰略布局，公司通過 自主創新、自主研發，發展完善了新一代諧波嚙合“P 齒形”設計理論體系、新一代三次 諧波技術、機電耦合技術、軸承優化、獨特材料改性技術、齒廓修形優化技術、協同高 效潤滑技術及超精密制造加工工藝等核心技術。 2023 年，公司發布定增計劃，擬向不超過 35 名（含 35 名）特定對象發行股票募集資 金總額不超過人民幣 202,653.38 萬元（含本數），扣除相關發行費用后的募集資金凈額 擬用于公司新一代精密傳動裝置智能制造項目。本次項目擬在現有廠區建設包括新一代 精密諧波減速器和機電一體化產品在內的精密傳動裝置自動化生產線。項目建成達產后， 公司將新增新一代諧波減速器 100 萬臺、機電一體化產品 20 萬臺的年產能。
4.2 雙環傳動
控股子公司環動科技積極應對新的市場機遇和挑戰，在機器人精密減速機業務持續發力， 緊密協同機器人核心戰略客戶，加速拓展機器人減速機譜系。不斷補齊重載工業機器人 所需 RV 減速機產品，快速迭代優化產品性能，助力國產機器人頭部企業提升市場競爭 力。隨著光伏、鋰電及新能源汽車等產業需求增加，拉動國產機器人主機廠商持續增量， 根據公司 2023 年半年報披露，環動科技機器人 RV 減速機業務產銷量同比、環比均有顯 著增長，市場占有率進一步提升。得益于產業鏈戰略協同深化，諧波減速器業務已實現 多型號穩定供貨，產能得以釋放并快速提升。 2024 年 3 月 4 日，公司發布《關于分拆所屬子公司浙江環動機器人關節科技股份有限公 司至上海證券交易所科創板上市的預案》，拆分完畢后，環動科技獨立上市有利于上市公 司更加專注于齒輪業務，增強上市公司在全球齒輪行業的核心競爭優勢，更加突出主業 和增加獨立性；環動科技則專注于工業機器人、工業自動化等高端制造領域的 RV 減速 器，從而使上市公司和環動科技各自集中資源聚焦自身優勢業務，更加突出主業，加強 不同業務的專業化經營，進一步鞏固和發揮主業優勢，增強獨立性。
4.3 中大力德
公司是從事機械傳動與控制應用領域關鍵零部件的研發、生產、銷售和服務的高新技術 企業，成立以來深耕自動化傳動與驅動裝置的研發和制造，為各類機械設備提供安全、 高效、精密的動力傳動與控制應用解決方案。公司一直從事減速電機、減速器等核心零 部件的生產和銷售，并不斷結合市場需求，借鑒國內外先進經驗，加大研發投入，相繼 推出微型無刷直流減速電機、精密行星減速器、滾筒電機、RV 減速器、諧波減速器、伺 服驅動、永磁直流減速電機等產品。順應行業小型化、集成化、一體化的發展趨勢，致 力于整合核心零部件系統，圍繞工業自動化和工業機器人，形成了減速器+電機+驅動一 體化的產品架構，推出“精密行星減速器+伺服電機+驅動”一體機、“RV 減速器+伺服電 機+驅動”一體機、“諧波減速器+伺服電機+驅動”一體機等模組化產品，實現產品結構升 級。
4.4 國茂股份
根據公司 2023 年半年報披露，2023 年上半年子公司捷諾傳動已順利搬遷至新工廠。新 廠區建筑面積約 62,000 平方米，車間配備世界一流的磨齒機、滾齒機等專業的加工設備 及檢測設備，齒輪加工精度可達 DIN5 級及以上水準。此外，捷諾擁有獨特的齒輪修型 技術，可進一步增加齒輪嚙合面積，有效提高產品承載能力。公司致力于將捷諾傳動打 造成為通用減速機領域的高端品牌，堅定不移地推進其下游行業多元化發展戰略。在機 器人領域，捷諾與 ABB聯合開發的變位齒輪箱新品樣機以及 0 度直齒零部件尚在試制過 程中，為未來機器人業務蓄能。 此外，公司 2021 年通過新成立的子公司國茂精密收購某標的公司資產，積極布局諧波 減速器等精密傳動業務。2023 年上半年，國茂精密按計劃將制造基地從外省搬遷至常州 總部工廠，并順利完成人員安置及新車間規整工作。為進一步提高核心零部件自制的產 能及質量，國茂精密新購置一批進口滾齒機、高精度慢走絲設備以及表面處理設備，為 未來發展蓄能。
編輯精選
