今天分享的是储能系列深度研究报告：《 电力设备与新能源行业机器人系列报告 》。（报告出品方：信达证券 ）
减速器的最大的作用是改变原动机与执行机构之间的转速和转矩。根据徐彪《行星齿轮减速器传动装置分析与研究》，减速器是一种通过联轴器将原动机与工作机连接起来闭式变速传动装置，大部分情况是降低输出端的旋转速度同时增大输出端的转矩，在某些特定的情况下，亦可用它来提升转速降低转矩，此时则称之为增速器。减速比，也称减速装置的传动比，是指减速机构中瞬时输入速度与输出速度的比值，是减速器选型过程中参考的重要指标。
电机能够最终靠减速器来降低输出轴的转速、增加扭矩输出、减少噪音和振动：1）在需要精确控制转速的设备中，如工厂生产线、机器人等，一些电机（如步进电机）在低转速下效率不高，因此就需要减速器降低电机输出轴的转速；2）在需要输出较大扭矩的设备中，如起重机、输送带、石材加工机械等，电机直接驱动难以实现所需的扭矩输出，需要减速器来增加扭矩输出；3）在一些对噪音和振动要求比较高的设备中，如飞机、高速列车等，电机直接驱动会产生较大的噪音和振动，影响设备的正常运行和常规使用的寿命，因此就需要减速机通过减少电机的转速来降低噪音和振动。
减速器在下业应用中具有难以替代的配套地位，是机器人的重要组成部分。由于减速器能够改变原动机与执行机构之间的转速和转矩，因此广泛分布于起重运输、水泥建材、数字控制机床、光伏设备、医疗器械等多个行业和领域。同时，减速器是工业机器人、协作机器人和人形机器人的核心零部件，在工业机器人的生产所带来的成本中占 35%左右，应用领域广阔、发展的潜在能力大。
按照控制精度划分，减速器产品可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器回程间隙小、精度较高、常规使用的寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数字控制机床等高端领域。精密减速器种类较多，包括谐波减速器、RV 减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器、滤波减速器等。
谐波减速器：精密度高、体积小，但承载能力弱、易疲劳，适用于追求精度和轻量化的场合。
谐波减速器是一种利用柔性构件的弹性变形波来进行动力传动变换的新型齿轮减速器。其组成部分最重要的包含谐波发生器、柔性轮和钢轮。当波发生器装入柔轮后, 迫使柔轮在长轴处产生径向变形成椭圆状。当长轴不断旋转时，柔轮相继由啮合转向啮出，由啮出转向脱出, 由脱开转向啮入，由入转向啮合，从而迫使柔轮进行连续旋转。谐波减速器基于错齿运动，将高速的输入变为低速的输出，进而达到减速的目的。
谐波减速器由于其体积小、重量轻，结构相对比较简单紧凑，传动精度高，更适合应用于 3C、半导体、医疗器械等行业的工业机器人之中，以及其他对精度要求高的场合。如今，机器人行业对新一代轻量级协作机器人的需求逐步扩大，尤其是在移动和可穿戴机器人领域，其柔性关节的大多数来自是关节存在的柔性减速元件，如谐波减速器等传动装置。此外，以谐波减速器和伺服电机为主要组件的谐波转台能适应大多数机床的生产需求，近年逐渐受到关注。
RV 减速器：承载能力强、高刚度，但体积较大、结构较为复杂，适用于重负载的场合。
RV(Rotary-Vector)减速器在摆线针轮传动基础上发展起来的。RV 传动由两部分串联而成，分别是第一级渐开线行星齿轮传动和第二级摆线针轮传动。中心齿轮由电机带动，行星齿轮由中心齿轮驱动。此时，中心齿轮以第二级减速的输入速度反向旋转。行星齿轮的转速通过曲轴传递给摆线齿轮，摆线齿轮是偏心的。同时，摆线销是啮合的，使其绕中心轴旋转，转速从轴承两端的曲轴传递到轴承座上，进而达到减速的目的。
RV 减速器多应用于汽车制造、交通运输、港口码头等的重载荷机器人，以及其他重载场合中。根据林江海等《工业机器人用精密减速器研究现状》，RV 减速器具有高传动精度、高传动效率、高刚性和高承载能力等特点，既适用于通用传动又适用于专业机器人传动，并通常放置于机座、大臂、肩部等重负载的位置。
行星减速器；传动效率高、成本低，但精密度低、减速比小，通常配合步进电机或伺服电机应用于工业机器人关节中。
在行星减速器中，行星齿轮减速器中心由太阳轮组成，三个行星以太阳轮为中心进行旋转运动。其运动方式类似于地球围绕太阳旋转。行星齿轮减速器的动力来源是电机，电机带动输入轴旋转，其通过浮动齿套使中心轮转动，中心轮与行星轮啮合带动行星轮转动，行星轮通过周转驱动行星架旋转，行星架与输出轴通过螺栓联接在一起，带动输出轴输出扭矩。由于行星轮齿数多于中心轮齿数，从而能达到减速的目的。
行星齿轮减速器在服务机器人和足式机器人市场中应用空间广阔。相比谐波减速器和 RV 减速器，行星减速器具有成本低、承载能力强、常规使用的寿命长和稳定性很高等优点。因此，行星减速器是工业机器人、大型空间机械臂关节以及服务机器人减速器主要的应用对象，并且仿人机器人可采用高扭矩密度电机搭配低减速比行星齿轮减速器，进而达到其对于体积重量、输出能力和动态性能等属性指标的要求。
摆线针轮行星传动是行星轮采用变幅外摆线的一种少齿差行星齿轮传动，主要由摆线轮、针轮、行星架和输出结构组成。当输入轴旋转时，摆线针轮行星减速器通过偏心轴带动摆线轮旋转，由于偏心轴上的摆线轮与针齿啮合限制，摆线轮旋转时既自身轴线自转，又绕输入轴轴线公转，然后借助输出机构，将摆线轮的低速自转动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。
滤波齿轮减速器属于 NN 型少齿差减速器，由偏心减速机构、滤波花键机构、三向止推轴承组成。偏心轴的旋转中心与固定内齿轮、输出内齿轮的旋转中心同轴，当通过偏心轴输入转矩时，由于双联齿轮的偏心，及输入齿轮是固定的，双联齿轮一方面绕自身轴线自转，同时还绕偏心轴旋转中心公转，双联齿轮所受两方面的力同时作用于与其啮合的输出内齿轮，获得输出运动。
滤波减速器从结构上解决了谐波减速器中柔轮易变性、材料容易疲劳等缺点。它在运动过程中的传动精度高、传动扭矩大、具有更长的常规使用的寿命，现已大范围的应用于航空航天等领域。
国内外减速器市场规模持续扩张，态势向好。据 Report Linker 数据，2020 年全球减速机市场规模约为 1331 亿美元。近些年来随着全世界内劳动力成本的提高，各国工业自动化渗透率不断的提高，制造业机械设备密度不断加大，传动基础部件减速机的需求也水涨船高。因此Report Linker 预计 2026 年全球减速机市场规模可达 1766 亿美元，对应 2020-2026 年的年复合增速约为 4.8%。2015 年以来，《中国制造 2025》要求突破机器人减速器等高端产品的技术，国内精密减速器行业进入国产替代阶段，我国 2022 年减速器市场规模为 1321 亿元（约合190 亿美元）。
分产品市场规模方面：1）根据中商产业研究院数据，我国谐波减速器市场规模预计从 2022 年的 21 亿元增长至 2025 年的 33.2 亿元，年复合增长率达 16.5%；2）RV 减速器方面，2021 年市场规模为 42.9 亿元，预计 2025 年达到 60 亿元。3）行星减速器方面，根据 GYResearch 数据，2019 至 2021 年我国行星减速器市场的年复合增长率为 23.1%，2021 至 2023 年复合增长率降至5.1%。
日系企业占据全球精密减速器市场主导地位，我国减速器有望向头部集中。机器人精密减速器制作的工艺流程和工程规范要求比较高，因此制造精密减速器所需成本高、加工精度要求高，有很大的技术壁垒。在全球工业机器人减速器的市场中，日本的纳博特斯克和哈默纳科占据了全球 75%的市场，而另一家住友重工也占据 10%的市场。反观我国的减速器起步较晚，并且受到国内加工水平的限制，我国精密减速器的缺点包括受制精度不能长时间保持、容易疲劳等。随着下游制造业升级和国家有关政策的出台，国内厂商不断研发核心技术，减速器生产水平逐渐向高端迈进。
国内市场看，本土精密减速器厂商逐渐扩大市场占有率。分产品来看，2022 年我国谐波减速器市场中，哈默纳科市场占有率为 38%，我国本土厂商绿的谐波市占率达 26%，较 2020 年提升5pct，国内企业产能不断的提高，市场占有率相应增加。我国 RV 减速器市场中，纳博特斯克占市场主导地位，市占率达 52%，我国双环传动市占率为 15%。行星减速器领域，日本新宝市占率达到 20.4%，我国科峰智能排名第二，市占率达 11.7%。
国内外减速器厂商差距收敛。我国在工业机器人用精密减速器领域起步较晚，技术积累较为薄弱。自 20 世纪 60 年代谐波减速器技术引入我国之后，历经多年追赶，现阶段国产精密齿轮减速器在减速比、传动效率等方面与国外优秀产品差距不大。但是由于材料、加工工艺和装备等方面存在一定技术壁垒，国内减速器产业在精度保持性、常规使用的寿命和大批量产品性能一致性方面与国外企业存在一定差距。
（1）谐波减速器制造壁垒：柔轮是谐波减速器中加工制造难度较大的结构，是我国自主研发生产谐波减速器的壁垒。柔轮在谐波减速器使用的过程中发生往复形变的同时也要承受作用力，这对柔轮的薄壁结构和厚度尺寸设计提出了更加高的要求。但由于我国起步较晚，基础研究不足，柔轮在疲劳寿命市场和稳定能力等指标上与国外存在差距。
在原材料选择方面，根据张朝磊等《谐波减速器特殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析》，以日本哈默纳科谐波减速器 CSF-32 柔轮与同型国产柔轮为例，国内外均采用中碳合金特殊钢作为柔轮原材料，而成分上的显著差异在于微合金。国产柔轮采用 V-Ti 复合微合金化,，并且 V 的含量较高，而日本柔轮采用 V-Ti-Nb 复合微合金化。与日本柔轮相比,国产柔轮组织较为粗大（原奥氏体晶粒度小 1.0~4.0 级），而且稳定性较差（原奥氏体晶粒度级差达 3.0级）。
在加工工艺和热处理技术方面，柔轮失效的根本原因是局部微裂纹和尺寸精度的变化，这涉及到我国的工艺水平和齿面热处理技术。粗加工精度下的应力残留、热处理表面外硬内软及加工余量不同，造成露出部分不一致，因此导致国内外减速器性能相差较大。我国应提高加工工艺和热处理技术，根据穆晓彪等《谐波减速器柔轮与柔性轴承断裂失效分析》，通过多次正火和回火可以细化晶粒、提高晶粒尺寸的均匀性，还能降低晶界出 P、S 元素偏聚，减少脆性断裂，提高材料的力学性能。
（2）RV 减速器制造壁垒：为了达到精度高、可靠性高、常规使用的寿命长的目的，必须严控 RV减速器的精度问题。RV 减速器结构较为复杂、零件较多，生产加工难度较高，对于我国存在一定的技术壁垒。
在关键零件的加工装备方面，由于 RV 减速器中第一级渐开线行星齿轮传动和第二级少齿差摆线针轮行星传动安装在同一个针齿壳内，且为超静定结构，多个零件的相关尺寸互相关联，加上工业机器人对传动误差的高要求，因此对关键零件的加工精度要求通常达到微米级，这对我国的加工装备和检验测试仪器提出了极大的挑战。
在磨损与润滑问题方面，润滑、摩擦磨损是影响减速器寿命和精度保持性的重要的条件，减速器寿命和精度保持是衡量减速器可靠性的尺度，也是现阶段国产减速器与国外产品差距所在。究其原因，一种原因是现有加工方式的加工精度特别是表面上的质量达不到要求，另一方面是对 RV减速器的磨损机理（针齿、摆线轮齿、曲拐轴承滚针等部位）认识不到位，因而缺少有效的提高耐磨性的应对方式，润滑脂的选用、相关零件的材料及其热处理工艺等与国外有差距。
机器人被誉为“位于制造业顶端的明珠”，机器人技术是推动国家工业化和智能化的重要引擎。当前，中国处于产业升级的关键时期，也是重大的发展机遇期。机器人技术已成为推动中国产业转型的重要力量。减速器作为工业机器人、协作机器人和人形机器人的核心部件，应用领域广阔、发展的潜在能力大。
在传统工业机器人和协作机器人领域，谐波减速器和 RV 减速器应用比较广泛。在轻负载精密减速器领域内，谐波减速器凭借其体积小、传动比高、精密度高等优势，占据该领域的主导地位；RV 减速器的传动原理及结构特点，使其具有大体积、高负载能力和高刚度特性的特点，其在重负载精密减速器领域内也具有一定主导地位。
在人形机器人领域，谐波减速器应用更广泛、行星减速器有望受益。随着人形机器人市场的加速扩大，减速器需求面临攀升。双足人形机器人的驱动单元主要有三种类型：传统驱动单元、串联弹性驱动单元和准直驱驱动单元，应该要依据人形机器人的具体关节位置和特性选不一样的驱动单元，从而满足各个关节的不一样的需要。其中，谐波减速器是传统驱动单元、串联弹性驱动单元的主要组成部分，而行星减速器则是准直驱驱动单元的核心部件。目前，谐波减速器凭借高精度、小体积的特点在众多人形机器人产品中得到应用；参考李慧莱等的《高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究》的观点，准直驱驱动单元（高扭矩密度电机+行星减速器）更为适合人形机器人对于体积重量、输出能力和动态性能等的要求
（1）传统驱动单元（刚性驱动单元, TSA）一般都会采用高转速、低扭矩电机搭配高减速比谐波减速器，输出扭矩大、运动精度高。但是，减速器较高的体积和重量导致驱动单元体积、重量大，不足以满足仿人机器人的小型化、轻量化需求；同时，由于谐波减速器和 F/T 传感器较为脆弱，没办法承受冲击载荷，导致高减速比的齿轮仅能完成缓慢、相对静态的运动。
LOLA 人形机器人将电机、谐波减速器和传感器融合成一个高度集成的机电联合模块。LOLA 身高 1.8m，全身共有 22 个自由度，运动速度可达 5km/h，谐波减速器的减速比为 50（髋部，俯仰角）～100（手腕、肘部等）。电机采用无框无刷电机，这使得集成设计优化为小空间和低重量。膝关节和踝关节采用基于滚珠丝杠的直线传动，其他关节（如髋关节）采用谐波传动齿轮作为减速器。每个驱动单元包含增量旋转编码器和绝对角度编码器，以及光屏障作为限位开关。
（2）串联弹性驱动单元（SEA）也大多采用高转速、低扭矩电机搭配高减速比谐波减速器，与传统驱动单元的区别为输出端和负载之间采用弹性部件连接，其优点是弹性部件提高了驱动单元的柔度，使机器人关节柔顺性得到一定的改善。然而，弹性部件对高频运动的响应性差导致驱动单元系统带宽低、动态性能差，无法应对实际工况的复杂快速变化。
WALK-MAN 人形机器人身高 1.915m，质量 132kg，每条腿有 6 个自由度，采用弹性驱动单元方案，具有高功率密度和良好的稳健性。WALK-MAN 的驱动单元由无框无刷直流电机、谐波减速器（减速比为 80～120）和弹性元件组成，并采用空心轴设计方法，以减小尺寸和重量。
（3）根据李慧莱等《高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究》，准直驱驱动单元（PA）大多采用高扭矩密度电机搭配低减速比行星齿轮减速器，驱动单元在输出较高扭矩的同时还具有重量轻、动态性能好等优势，但运动精度不可避免地受到齿轮啮合回差的影响。
（4）少数仿人机器人和可穿戴机器人采用电静液作动器作为驱动单元，虽然输出能力较电驱动单元强，但体积重量大且系统带宽低，仍不足以满足仿人机器人对小型化和高动态性能的需求。
谐波减速器、RV 减速器在机器人应用中占比较多。根据 GGII、纳博特斯克数据，RV 减速器、谐波减速器和精密行星减速器等分别占全球机器人领域精密减速器的 40%、40%、20%，我们大家都认为机器人的相关应用有望带动相关减速器市场规模快速提升。
作为机器人核心零部件，机器人用减速器市场规模扩大。根据 IFR、中国电子学会数据，全球工业机器人市场规模预计从 2022 年的 195 亿美元增长至 2024 年的 230 亿美元，期间 CAGR 为8.6%。同时，减速器占工业机器人生产所带来的成本的 35%左右，是工业机器人的核心零部件之一，根据 GIR 数据，全球机器人用减速器市场规模将由 2022 年的 14.92 亿美元增长至 2029 年的 22.66亿美元，期间 CAGR 为 6.2%，未来市场发展的潜力广阔。根据 GGII 数据，2021 年中国工业机器人减速器总需求量为 93.13 万台，同比增长 78.06%。
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