市政工程 1C31223G01 通用性强 欢迎抢购

市政工程 1C31223G01 通用性强 欢迎抢购

市政工程 1C31223G01 通用性强 欢迎抢购

2 人形机器人核心硬件拆解

2.1 减速器

减速器是工业基础元件，是一种较为精密的机械传动装置。减速器利用齿轮的 啮合改变电机转速、扭矩及承载能力，可以用于实现精密控制。可广泛用于机 器人、数控机床、光伏设备、医疗器械等多个行业领域。

2.1.1 减速器是机器人核心零部件

机器人核心零部件研发制造主要包括伺服系统、减速器和控制器占工业机器人 成本的 70%左右。减速器、伺服系统（包括伺服电机和伺服驱动）及控制器直接 决定工业机器人的性能、可靠性和负荷能力，对机器人整机起着至关重要的作 用。其中成本占比高的是减速器，占到 35%。

人体之所以能够活动自如，是因为有“骨关节”结构，大部分骨关节经由软骨 保护骨头避免磨损。关节位于人体各个部位，可以使动作能够更加协调，同时 通过关节活动，可以使人体完成复杂动作时更为灵巧，更为“”。 工业机器人“运动”主要靠伺服电机、减速器和控制器三个主要部件完成。伺 服电机负责驱动，伺服电机的运行特点是转速快、扭矩小，而关节处则需要慢 转速和大扭矩。 减速器是由多个齿轮组成的传动零部件，利用齿轮的啮合改变系统输出的转速、 扭矩及承载能力。它可以jingque地将伺服电机转速降低到工业机器人各个部位需 要的速度，提高定位精度、输出更大的扭矩，使机器人运动更加。通俗的 说，减速器可以提高机器的定位精度和重复定位精度。

减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提 高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高 输出扭矩。 减速器可分为通用、专用、精密减速器，其中应用于机器人产业的主要为精密 减速器。通用减速器一般指齿轮减速器、蜗杆涡轮减速器和行星减速器，以中 小型为主，广泛应用于各个行业；专用减速器一般以大型、特大型为主，多为 行业专用减速器，比如汽车减速器、光伏减速器、风电减速器。

行星减速器过去主要用于工业领域，目前精密行星减速器用在直角坐标工业机 器人，也可以用在人形机器人小型关节（如手指）或者运动关节（如腿部）领 域。精密行星减速器在运行过程中类似于一个太阳轮有多个行星轮绕转，所以 其体积小、质量较轻，相较于其他减速器启动更加平稳，且刚性、精度和扭矩 高。其特点为结构紧凑、低转速大扭矩、价格便宜但减速比低。总体来说，行 星减速器运用到高新能机器人上目前仍有一定难度。 而精密减速器以微型、小型为主，广泛用于工业机器人、机床、半导体、航空 航天等高精度场景，尤其大量运用在机器人上，主要有两类：谐波减速器和 RV 减速器。

谐波减速器具有单级传动比大、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。且与一般减速器比较，在输出力矩相同 时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，这使其在机器人小臂、腕 部、手部等部件具有较强优势。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，在机器人大臂、机座等重负载 部位拥有优势。不过，谐波减速器的负载轻，容许力矩负载在 1,500N·m 以内， 因此限制了其向重负载部位拓展的可能。而 RV 减速器容许力矩负载可达 8,000N·m，其重量重、外形尺寸较大的特性，也使其无法向轻便、灵活的轻负 载领域发展。 两者适用领域不同，还不能互相取代。谐波减速器体积小、重量轻、传动比大 的特点使其能够广泛应用于人形机器人等轻负载领域。 国内谐波减速器价格逐年下降，目前在 1000-3000 元/个，未来在人形机器人大 规模量产下有望降价至 500-1000 元/个。根据绿的谐波招股书，2018、2019 年 公司谐波减速器单价分别为 1885 元/个、1632 元/个，后续公司未单独披露谐波 减速器收入，以近年来技术成熟从而降低成本为前提，我们预计目前国内谐波 减速器单价在 1500 元/个，后续若人形机器人大规模量产，价格有望下探到 500-1000 元/个。

2.1.2 减速器市场迎来“黄金时代”

从需求的角度看，新增的机器人需求是减速器产业发展的主要驱动力。此外， 减速器本身有额定的使用寿命，需要定期更换，即存量市场的更换亦是需求方 向之一。工业机器人的工作寿命一般为 8-10 年，期间减速器作为传动、承重部件，磨损不可避免，其使用寿命通常在两年左右。因而，当前保有的工业机器 人维修保养亦需要大量的减速器替换。 GGII 数据显示，2021 年中国工业机器人减速器总需求量为 93.11 万台，同比增 长 78.06%。其中增量需求 82.41 万台，同比增长 95.05%；存量替换量为 10.7 万 台，同比增长 6.57%。随着 AI 进程的加快推进，机器换人将受益其中，预计未 来几年减速器市场增长的确定性进一步增强，到 2026 年市场总需求量有望超过 270 万台。

2022 年，我国工业机器人产量为 44.3 万套，对减速器的总需求量约为 110 万 台。其中，谐波减速器与 RV 减速器的需求量分别为 64 万台与 46 万台，比例约 为 58% ：42%。

2.1.3 国内谐波减速器市场国产替代持续进行

全球范围内，哈默纳科（Harmonic Drive System）与纳博特斯克（Nabtesco） 分别在谐波减速器和 RV 减速器领域取得了市场主导地位。其依靠长期的研发 技术积累、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，二者与 ABB、发那科、 库卡、安川等国际工业机器人生产商合作历史悠久，在行业内的市场地位较为 突出。 2020-2021 年，我国谐波减速器市场大的两个外资品牌——哈默纳科和日本新 宝在中国市场的占有率之和由 46%降低至 42.9%。国内做谐波减速器的企业总共 有 30 多家，实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动等企业， 2020-2021 年，这四家企业在中国市场上的占有率之和由 35.9%提升至 41.1%。 整体看来，中国机器人减速器国产化趋势正在形成。根据 GGII 的数据，2014- 2021 年工业机器人精密减速器国产品牌市场份额由 11%提升至 41%。随着下游需 求持续拓宽，预计未来减速器国产化率还将得到大幅提升。谐波减速器技术较 RV 偏低，因此从技术上看，对国产厂商而言更加易于突破。

2.1.4 人形机器人催化减速器放量

相较于传统机器人，谐波减速器在单台 Tesla Bot 上的需求量更多、价值量更 大。与传统的工业机器人、协作机器人不同，人形机器人的形态和动作更接近 人类，自由度更多，因而单台 Tesla Bot 需要用到更多的减速器。 例如特斯拉人形机器人共有 28 个自由度，对比六轴工业机器人仅用 6 个减速器， 相较于传统工业机器人或服务机器人，谐波减速器的使用量更多。人形机器人 若能达到消费级体量将驱动减速器市场持续扩容。

过去我国工业机器人减速器依赖进口，国产品牌难以突破。为了摆脱海外的技 术限制，中央及地方密集出台政策，扶持全产业链补足短板，行业发展明显提 速。国内减速器厂商迎来发展机遇，充分受益减速器国产替代进程。

2.2 滚柱丝杠：人形机器人中的重要零部件

丝杠是工程机械和精密机械上常使用的传动部件。丝杠的主要结构由丝杆与 螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反 复作用力。其原理为当丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规 格的导程转化为直线运动。被动工件可通过螺母座和螺母连接，从而实现对应 的直线运动。

2.2.1 行星滚柱丝杠有望凭借性能优势在人形机器人应用领域大展拳脚

机床丝杠按其摩擦特性可分为三类:滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。滑动丝杆 是滑动摩擦，结构简单但精度差，主要用于电梯、汽车等各领域。静压丝杠装 置较大，必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的 辅助装置，且其静压油腔加工困难，且存在环境污染问题。位于德国格平根 （Göppingen）的 Hydrostatik Schönfeld 这家小公司是目前唯一一家供应商， 且价格不菲。

滚珠丝杠利用滚珠链在丝杠轴与螺母之间做滚动运动，将旋转运动转换成直线 运动。由于滚珠不断在两个负载承载面之间循环，存在相互碰撞及末端急剧转向，导致高转速条件下丝杠传动效率降低、噪声大，一般只适用于中等性能要 求的应用场合。 行星滚柱丝杠主要是由滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱、内齿圈、压盖及挡圈组成。 行星滚柱丝杠综合了行星轮系、滚珠丝杠、滚针轴承的运动特点，通过在丝杠 周围设置若干行星螺纹滚柱，可大幅增加传动过程中丝杠副的受力接触面积， 使机构可以承受更大的载荷和冲击，可靠性高，行星滚柱丝杠传动非常适合用 于高速重载工作的应用场合。行星滚柱丝杠因其较小的体积空间使用，高效精 准的大推力输出，以及耐用稳定的性能等特点正被越来越广泛的应用在工业领 域，对滚珠丝杠、液压驱动等技术路线形成有效替代，在机器人、自动化、数 控机床、医疗器械、汽车、石油天然气等领域的应用正逐渐普及。 总体来说行星滚柱丝杠较滚珠丝杠具备高承载能力、高刚度、高传动速度、更 大的导程范围等优势。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的大区别在于载荷传递元件 为螺纹滚柱，因此大幅度增加了丝杠的受力接触面，从而使得承载能力和刚性 比普通滚柱丝杠更高，同时用滚柱替代滚珠，解决了滚珠直径取值范围小，空 间和承载能力有限的问题。

当比较不同直径相似的螺杆技术的负载能力和效率值时,均为 1mm 导程,行星滚 柱丝杠的载荷是滚珠丝杠的四倍。这种性能和设计特点的结合使滚柱丝杠成为 许多机器人以及机器人相关应用的理想解决方案。例如,使用线性激活连接的机 器人(类似于人身体二头肌控制前臂运动的方式)从较高的负载等级和较低的重 量滚子螺丝执行器中获益。 特斯拉人形机器人的关节分为旋转关节与线性关节，其中“电机+行星滚柱丝+ 传感器”为线性关节提供了良好的解决方案，有助于提升人形机器人的关节性 能。

2.2.2 市场规模：人形机器人打开长期成长空间

据华经产业研究院数据，2021 年全球滚珠丝杠市场规模达到 17.5 亿美元，同比 增长 6.0%，年均复合增速达到 6.2%。预计 2022 年全球市场规模达到 18.59 亿美 元。 从规模来看，中国作为滚珠丝杆产品重要的消费市场之一， 规模占全球规模总量的 20%左右。据统计，2021 年我国滚珠丝杆市场规模为 25 亿元，预计 2022 年市场规模达 28 亿元。未来伴随机器人产业发展，以人形机器 人为代表的产品有望成为滚珠丝杠的新需求爆发点。

从国内行业供需情况来看，滚珠丝杆需求量大于产量，行业供需缺口明显。据 统计，2021 年中国滚珠丝杆（滚珠丝杆副）产量达到 983 万套，需求量为 1406 万套。

人形机器人给丝杠带来新的增量。根据特斯拉的公布信息，特斯拉 Optimus 机 器人上会采用行星滚柱丝杠，海外舍弗勒售价0.3万美元，远远超过特斯拉人形 机器人总的预期成本2万美元，这显然是特斯拉不能接受的，所以国产化是必然路径。单个机器人的价值量中直线/线性关节（电机+行星滚柱丝杠+位置编码器 +力传感器+轴承组成）占到 30%，其中电机驱动器占到约 70%，那么行星滚柱丝 杠的价值量为占到剩余的 30%，即为总价值量的 9%，为 0.18 万美元，约 1.3 万 元人民币。随着我国滚柱丝杠厂商技术的持续完善，以及降本增效诉求驱动下， 滚柱丝杠国产步伐有望迎来提速。

2.2.3 市场格局：国内行星滚柱丝杠目前处于早期阶段

行星滚柱丝杠制造壁垒极高。海外企业大多于 1950 年左右在国防jungong等领域开 启产品研发，主要企业包括瑞典 ewellix、瑞士舍弗勒等。舍弗勒集团于 2022 年收购 ewellix 公司，其前身为 SKF 行星滚柱丝杠部门，结合旗下传统高端行星 滚柱丝杠品牌 GSA，舍弗勒基本垄断国际高端行星滚柱丝杠市场。

国内行星滚柱丝杠目前还处于早期阶段，生产难度较大，国内企业较少布局。 国内外在行星滚柱丝杠的产品差距主要为制造材料（硬度、耐腐蚀、可加工性 等）和制造能力（含机床、工艺等）。近年来以华中科技大学、西北工业大学、 南京理工大学为代表的高校力量逐步推动底层研究。近期人形机器人、精密机 床等行业的发展带动了国内企业在行星滚柱丝杠方面的投入。中国目前的主要 参与企业包括秦川机床和鼎智科技。

市政工程 1C31223G01 通用性强 欢迎抢购