2024年人形機(jī)器人減速器行業(yè)深度研究：人形機(jī)器人帶來產(chǎn)業(yè)深度變局

2024年人形機(jī)器人減速器行業(yè)深度研究：人形機(jī)器人帶來產(chǎn)業(yè)深度變局減速器簡(jiǎn)介：定義、分類及性能指標(biāo)減速器定義：傳動(dòng)系統(tǒng)重要部件，是實(shí)現(xiàn)降速增距的關(guān)鍵減速器是連接動(dòng)力源和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)。減速器是由多個(gè)齒輪組成的常用傳動(dòng)零部件，其通過不同大小齒輪的嚙合傳遞動(dòng)力，從而降低驅(qū)動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)速并提供更高的扭矩輸出和承載能力。傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備重要環(huán)節(jié)，減速器是傳動(dòng)系統(tǒng)降速增矩關(guān)鍵部件。1）機(jī)械設(shè)備一般由動(dòng)力、傳動(dòng)與執(zhí)行三大系統(tǒng)構(gòu)成，隨著現(xiàn)代機(jī)械向機(jī)電一體化、精密化、自動(dòng)化、智能化等方向發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)已成為設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械功能的關(guān)鍵。2）減速器是傳動(dòng)系統(tǒng)降速增矩的重要部件。機(jī)械設(shè)備通常通過電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，但電機(jī)額定轉(zhuǎn)速不能得到完全使用，通過減速器即可實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩的目的。此外，減速器還具有減少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量、鎖止機(jī)構(gòu)等作用，被廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、精密機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域。減速器常用性能指標(biāo)減速器常用的性能指標(biāo)包括：減速比、輸出扭矩、傳動(dòng)精度、背隙、傳動(dòng)效率等。1）減速比：①定義：瞬時(shí)輸入速度與輸出速度的比值，是衡量減速器減速性能的指標(biāo)。減速比越大，降低的轉(zhuǎn)速越多，輸出的速度越慢，增加的扭矩越大。②決定因素：由相互嚙合的齒輪間的不同齒數(shù)決定。③公式：a.定義公式：減速比=輸入速度/輸出速度b.齒輪系公式：減速比=從動(dòng)輪齒數(shù)/主動(dòng)輪齒數(shù)④其他說明：按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)不同，減速器可分為單級(jí)減速器和多級(jí)減速器。多級(jí)減速器的傳動(dòng)比等于每個(gè)單級(jí)傳動(dòng)比相乘之積。2）輸出扭矩：①定義：輸出軸上產(chǎn)生的扭矩大小，是衡量電機(jī)動(dòng)力輸出大小的指標(biāo)。輸出扭矩越大，減速器可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載越大。同體積減速器實(shí)現(xiàn)的輸出扭矩越大，其能量密度越大。②決定因素：減速器的設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)比、輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速等。③公式：T=9550*P/n。P是電機(jī)的額定（輸出）功率，單位是千瓦（KW）；n是額定轉(zhuǎn)速，單位是轉(zhuǎn)每分(r/min)。扭矩通常以牛頓·米（Nm）作為單位表示。（常數(shù)9550是為了將功率單位從瓦特和轉(zhuǎn)速單位從rpm轉(zhuǎn)換為扭矩單位牛頓·米而引入的。這個(gè)常數(shù)在計(jì)算中起到單位換算的作用。）3）傳動(dòng)精度：①定義：工作狀態(tài)下，輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角與相對(duì)理論轉(zhuǎn)角的接近程度，是對(duì)減速器質(zhì)量的評(píng)估。傳動(dòng)精度越高，減速器越能準(zhǔn)確地控制輸出轉(zhuǎn)速與扭矩。②決定因素：設(shè)計(jì)（如齒輪間隙）、加工（如齒輪加工精度）、組裝（嚙合傳動(dòng)誤差）、潤滑和使用環(huán)境等。③其他說明：精密工作場(chǎng)景下（如機(jī)床加工、精密儀器）的精度要求較高。4）背隙：①定義：將輸出端固定，輸入端順時(shí)針和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，使輸入端產(chǎn)生額定扭矩+/-2%扭矩時(shí)，減速機(jī)輸入端產(chǎn)生的微小角位移，是影響減速器精度的一個(gè)重要因素。背隙也稱回差或回轉(zhuǎn)間隙，其數(shù)值越小，減速器的精度越高。②決定因素：加工和裝配誤差、傳動(dòng)元件松動(dòng)、彈性變形等。③單位：弧分（arcmin），1度=60弧分，1弧分=60弧秒。5）傳動(dòng)效率：①定義：輸出功率與輸入功率的比值，是對(duì)減速器功率轉(zhuǎn)換效率的評(píng)估。傳動(dòng)效率越高，減速器在輸入功率與輸出功率之間的損失越小，其能源利用率越高。②決定因素：軸承、齒輪和密封件等部件的質(zhì)量；傳動(dòng)鏈的摩擦和間隙；溫、濕度是否合適；是否定期潤滑等。精密減速器分類與比較：按結(jié)構(gòu)分為行星、RV、諧波三大類精密減速器：乘機(jī)器人發(fā)展東風(fēng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)精密減速器定義與分類。1）精密減速器是一種高端設(shè)備傳動(dòng)裝置，可以提供更高的控制精度，匹配適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速并傳遞所需的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于機(jī)器人等高精度設(shè)備尤為重要，根據(jù)不同的構(gòu)造和傳動(dòng)方式，可分為行星、RV、諧波等類型。2）行星減速器：精密行星減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)效率高，多安裝在伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，精確定位,其常被用于機(jī)器人中對(duì)精度要求低的部分身體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。3）RV減速器：RV減速器的名稱來源于旋轉(zhuǎn)矢量（RotaryVector）減速器的簡(jiǎn)稱，最早由日本發(fā)明，用于實(shí)現(xiàn)高扭矩輸出和高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通常適用于機(jī)器人基座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置。4）諧波減速器：諧波減速器由于其體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，傳動(dòng)精度高，更適合應(yīng)用于3C、半導(dǎo)體、醫(yī)療器械等行業(yè)的工業(yè)機(jī)器人之中，主要適用于機(jī)器人小臂、腕部、手部等部件。精密減速器零部件加工工藝概述熱處理階段：通過加熱、保溫和冷卻，來獲得預(yù)期組織和性能的過程，主要分為預(yù)備熱處理、最終熱處理兩個(gè)階段。1)加工設(shè)備：高、中、低溫爐(綜合選用)、普通氮化爐(氮化處理)。2)預(yù)備熱處理階段：對(duì)毛坯進(jìn)行正火和調(diào)質(zhì)熱處理（退火和淬火），回火后提高齒圈剛度、硬度和耐磨性，消除粗加工應(yīng)力，使工件具備綜合機(jī)械性能。3)最終熱處理階段：采用齒圈整體氮化，通過氮原子擴(kuò)散改變表面力學(xué)性能和理化性質(zhì)，且氮化過程溫度較低，滲氮后的變形很小，可滿足零部件的加工要求。裝配階段：將各個(gè)零部件按照設(shè)計(jì)要求組裝在一起，并進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，最終形成完整的減速器系統(tǒng)的過程。1)測(cè)試和校準(zhǔn)：測(cè)試包括空載測(cè)試、負(fù)載測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試等，以驗(yàn)證減速器的性能和可靠性；如果減速器設(shè)計(jì)允許，可進(jìn)行必要校準(zhǔn)，如齒輪嚙合間隙、軸向間隙等的調(diào)整，以優(yōu)化性能。2)潤滑和防腐處理：在裝配過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐櫥?，確保齒輪、軸承等摩擦部位良好潤滑。同時(shí)進(jìn)行防腐處理，增強(qiáng)零部件的耐腐蝕性。RV減速器：扭矩輸出高，設(shè)計(jì)精密、承載力強(qiáng)RV減速器構(gòu)造：RV減速器由第一級(jí)漸開線行星傳動(dòng)和第二級(jí)擺線行星傳動(dòng)組合而成，其常被應(yīng)用于多關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置。承載能力強(qiáng)、高剛度，但成本高、體積大，適用于重負(fù)載場(chǎng)景。RV減速器運(yùn)行原理：1）一級(jí)減速裝置（行星齒輪結(jié)構(gòu)）：①輸入齒輪（太陽輪）與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)2-3個(gè)行星輪。行星輪由于齒數(shù)較多且形狀較大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慢于輸入軸，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)減速。②一級(jí)減速比=行星齒輪數(shù)/太陽齒輪數(shù)2）二級(jí)減速裝置（RV齒輪傳動(dòng)）：①曲柄軸上的偏心部分與滾針軸承相連接，通過滾針軸承裝入第一個(gè)RV齒輪，RV齒輪（擺線輪）在凸輪的帶動(dòng)下隨曲柄軸做圓周擺動(dòng)。②滾針軸承上同時(shí)有第二個(gè)RV齒輪，前后兩者的相位差須為180度，用于抵消徑向跳動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RV齒輪之間的交錯(cuò)圓周擺動(dòng)。③外殼內(nèi)側(cè)有與RV齒輪齒距相等的針齒，其齒數(shù)比RV輪齒數(shù)多一個(gè)。曲柄軸旋轉(zhuǎn)一圈，RV齒輪在針齒的作用下做一圈偏心運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)減速。④二級(jí)減速比=針齒殼齒數(shù)/（針齒殼齒數(shù)-RV齒輪齒數(shù)），總減速比=一級(jí)減速比*二級(jí)減速比。諧波減速器：設(shè)計(jì)緊湊輕巧，減速比大、傳動(dòng)精度高諧波減速器構(gòu)造:諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三大零部件組成。諧波減速器運(yùn)行原理:1)諧波減速器通過柔輪變形產(chǎn)生的周期性波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)剛輪輪齒與柔輪輪齒之間的少齒差內(nèi)嚙合，從而完成運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的傳遞。2)當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)，而短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。競(jìng)爭(zhēng)格局：海外品牌壟斷特征顯著，加速全球市場(chǎng)：海外品牌壟斷特征顯著全球精密減速器行業(yè)格局，呈現(xiàn)海外品牌強(qiáng)壟斷特征。全球RV、諧波減速器日系品牌壟斷，行星減速器德系品牌較強(qiáng)。從品類看，2022年全球行星減速器市場(chǎng)賽威傳動(dòng)、紐卡特、威騰斯坦三大品牌合計(jì)市占率達(dá)36%，2020年納博特斯克在全球RV減速器市占率為61%，2020年哈默納科在諧波減速器市占率為82%。全球行業(yè)格局成因：先發(fā)優(yōu)勢(shì)+壁壘高筑復(fù)盤哈默納科成長史：工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)，自身產(chǎn)品持續(xù)升級(jí)構(gòu)筑行業(yè)高壁壘。1955年，美國發(fā)明家C.WMusser發(fā)明諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（Strainwavegearing），并以此名稱取得專利。1964年，哈默納科前身長谷川齒輪株式會(huì)社與擁有諧波專利的美國USM公司進(jìn)行技術(shù)合作，引進(jìn)諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)。1970年，兩企業(yè)共同出資在東京成立了HarmonicDriveSystemsInc.，漢譯哈默納科，將諧波傳動(dòng)技術(shù)正式商業(yè)化。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展是公司業(yè)務(wù)規(guī)模增長的主要驅(qū)動(dòng)。諧波減速器由于獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特征所具有的運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1980s以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速成為哈默納科營收成長牽引力，哈默納科歷史營收增速與全球工業(yè)機(jī)器人安裝量增速具有一定相關(guān)性。截至2022年，哈默納科營業(yè)收入按用途劃分，工業(yè)機(jī)器人占比達(dá)49.5%，其后為半導(dǎo)體制造設(shè)備、電機(jī)制造設(shè)備、工作機(jī)械及平板顯示器制造設(shè)備等，占比分別為17.5%、4.9%、3.9%、2.6%。行星減速器：行業(yè)格局分散，國產(chǎn)品牌性能已達(dá)國際前沿水平發(fā)展歷史：在三大類精密減速器中開發(fā)時(shí)間最早。19世紀(jì)80年代德國出現(xiàn)第一個(gè)行星齒輪傳導(dǎo)裝置的專利。20世紀(jì)20年代，首次量產(chǎn)行星齒輪傳動(dòng)裝置；我國從20世紀(jì)60年代起開始研制應(yīng)用行星減速器。國內(nèi)頭部企業(yè)發(fā)展歷程：普遍創(chuàng)立于20世紀(jì)初。①中大力德：2006年正式成立，2008年生產(chǎn)出伺服用精密行星減速器，2011年生產(chǎn)出國內(nèi)第一款伺服用斜齒輪高精度行星減速器；②紐氏達(dá)特：成立于2006年，2022年年產(chǎn)銷近60萬套精密行星減速機(jī)；③科峰智能：實(shí)控人最早于2004年創(chuàng)立湖北行星進(jìn)行行星減速器研發(fā)，2010年正式創(chuàng)立科峰智能，2016年行星減速器投產(chǎn)。我國是全球行星減速器的主要市場(chǎng)，但中高端產(chǎn)品仍主要依賴進(jìn)口。2022年全球行星減速器銷售金額為12億美元，其中中國境內(nèi)廠家銷售額為5億美元，約占41.6%。2023年，我國行星減速器進(jìn)口額為2.5億美元，進(jìn)口需求相對(duì)較大，進(jìn)出口均價(jià)存在明顯差距（進(jìn)口均價(jià)285.1美元/個(gè)，出口均價(jià)12.8美元/個(gè)）。精密減速器在人形機(jī)器人的應(yīng)用：選型方案各異，影響關(guān)節(jié)性能精密減速器是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)的核心硬件，選型方案各異關(guān)節(jié)，類似于人類肌肉的伸縮、牽引，是用來控制電機(jī)的一種控制器，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供著強(qiáng)勁動(dòng)力（本文主要聚焦最常見的電驅(qū)關(guān)節(jié)）。①基本硬件構(gòu)成：主要有電機(jī)、控制板、減速器、位置傳感器。它們通過執(zhí)行接收到的通信信號(hào)控制輸出端的旋轉(zhuǎn)角度，不管是什么樣的產(chǎn)品類型和力矩大小，這四種基本組成都不可缺少，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵所在；②數(shù)量：人形機(jī)器人通常有15-70個(gè)關(guān)節(jié)。一般成年人的骨頭有206塊，大的關(guān)節(jié)有78個(gè)，而仿人機(jī)器人模擬人類的關(guān)節(jié)和骨骼架構(gòu)，通常有15-70個(gè)關(guān)節(jié)。仿人機(jī)器人通常頭部有1-3個(gè)關(guān)節(jié)，手臂有4-7個(gè)關(guān)節(jié)，腿部有6-7個(gè)關(guān)節(jié)，手部有2-13個(gè)關(guān)節(jié)。Optimus：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為電機(jī)+諧波減速器+位置/力矩傳感器+離合器Optimus共采用3款共14個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：應(yīng)用于包括腕部、肩部、腰部、髖部4個(gè)位置，涉及3類型號(hào)①小型號(hào)扭矩20Nm，重量0.55kg；②中型號(hào)扭矩11Nm，重量1.62kg；③大型號(hào)扭矩180Nm，重量2.26kg。Optimus旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用電機(jī)+諧波減速器+位置/力矩傳感器+離合器設(shè)計(jì)方案。每一款旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器都包含了永磁體（電機(jī)）、非接觸力矩傳感器、諧波減速器、交叉滾子軸承、角接觸球球軸承、機(jī)械離合器、輸入/輸出位置傳感器。預(yù)計(jì)特斯拉Optimus旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器采用的是剛性驅(qū)動(dòng)器方案，關(guān)節(jié)處逐步添加離合器等彈性元件，有助于提升整體關(guān)節(jié)的安全性，使人形機(jī)器人的動(dòng)作更加柔順。精密減速器材料/結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：人形機(jī)器人成為重要引擎材料變革：連鑄球鐵帶來低成本、輕量化的產(chǎn)業(yè)變革，有望大放異彩乘機(jī)器人發(fā)展之東風(fēng)，各頭部減速器廠商積極尋求成本更低、性能更優(yōu)異的核心材料以獲取成本優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，搶占市場(chǎng)份額。工信部2023年11月2日印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，其中對(duì)人形機(jī)器人整機(jī)明確提出開發(fā)低成本交互型產(chǎn)品的要求，加速人形機(jī)器人低成本部署應(yīng)用；明確提出“機(jī)器體”需突破輕量化骨