人形機器人產業(yè)鏈分析——減速器

特斯拉第二代人形機器人Optimus Gen2于2023 年12月發(fā)布，視頻展示中Optimus Gen 2變化上擁有具備2自由度的可主動控制脖子，使用了更快、具備11個自由度的新靈巧手，特斯拉人形機器人預計總共40個自由度關節(jié)。優(yōu)必選人形采用41個自由度關節(jié)，傅里葉智能采用54個自由度，靈活性更高。工業(yè)領域最常見的多關節(jié)機器人通常使用3-6個減速機，而人形機器人的關節(jié)使用量隨著肢體數(shù)量和復雜度的提高而提高，為減速器的行業(yè)帶來較大的市場增量。今天，筆者就來和大家一起來學習研究人形機器人所用的精密減速器分類和市場空間情況。

一、精密減速器介紹

1.1、減速器原理

減速器定義機器人的“自由度”。減速器相當于機器人的“關節(jié)”，用于降低轉速、增加扭矩，從而讓機器人平滑、精確地完成動作。通常來說，減速器數(shù)量越多，關節(jié)越多，機器人的行動越靈活。

圖|減速器原理

來源：IOT 大數(shù)據(jù)

1.2、減速器分類

減速器是連接動力源和執(zhí)行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定，應用于機器人、數(shù)控機床等高端領域。精密減速器種類較多，包括諧波減速器、RV 減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器等。

1.3、諧波減速器

諧波減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用， 實現(xiàn)運動和動力傳遞的傳動裝置。諧波減速器主要由帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發(fā)生器三個基本構件組成。單臺價值量可達1000-1500元/臺。

圖|諧波減速器實物圖

來源：與非研究院

圖|諧波減速器拆解示意圖

來源：與非研究院

其工作原理通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式，當波發(fā)生器裝入柔輪內圓時，迫使柔輪產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，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，迫使柔輪不斷產生變形并產生了錯齒運動，從而實現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。

圖|諧波減速器運行示意圖

來源：綠的諧波招股書

1.4、RV減速器

RV減速器又稱高精密擺線行星減速器，由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。此減器機具有高精度、大速比、高剛性、高過負載及長壽命特點，且具有振動小，噪音低，能耗低等優(yōu)點，是最常用的減速機之一。單臺價值量可達 5000-8000 元/臺。

圖|RV減速器示意圖

來源：與非研究院

1.5、行星減速器

行星減速器中均勻分布在四周的圓柱齒輪在內齒輪和外齒輪之間圍繞一個同心圓做運動，圓柱、齒輪的循環(huán)運動類似于太陽系中的行星運行軌跡。因此，行星齒輪減速機也叫行星減速機。行星減速機主要用于傳遞必要的力矩，齒輪數(shù)量越多，其齒輪的負載面越大，承載能力越強。齒輪結構，成本相對較低，單價在200-400元/臺。

圖|行星減速器示意圖

來源：信達證券

1.6、三種減速器對比

根據(jù)高工機器人數(shù)據(jù)，工業(yè)機器人中諧波減速器和RV減速器的使用量約為35%：65%，人形機器人因形態(tài)類人相比工業(yè)機器人，預計會使用諧波減速機+RV減速器，帶來產業(yè)鏈較大增量空間。

諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優(yōu)點，并且與一般減速器比較，在輸出力矩相同時，諧波減速器的體積更小， 重量更輕，這使其在機器人小臂、腕部、手部等部件具有較強優(yōu)勢。

RV 減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機器人大臂、機座等重負載部位擁有優(yōu)勢。

行星減速機以其體積小、傳動效率高、減速范圍廣、精度高等諸多優(yōu)點，而被廣泛應用于伺服、步進、直流等傳動系統(tǒng)中。

圖|不同減速器對比

來源：華創(chuàng)證券研究所

據(jù) MIR 睿工業(yè)，2021 年我國減速器整體市場 規(guī)模達到 101 萬臺，實現(xiàn)同比 46.9％的高速增長。其中，諧波減速器 47 萬臺，同比增長 61.3%；RV 減速器 55 萬臺，同比增長 36.6％。據(jù)預測，減速器行業(yè)仍會保持 15% 以上的穩(wěn)定增長趨勢，到 2024 年，我國減速器整體市場規(guī)模將達到 168 萬臺；其中，諧波減速器 79 萬臺，RV 減速器 89 萬臺。

二、人形機器人公司主要用減速裝置

2.1、特斯拉人形減速器方案

圖|特斯拉減速器方案

來源：AI day

根據(jù)特斯拉 AI Day 發(fā)布會展示的解決方案，旋轉執(zhí)行模組主要分為了三種，分別是 20Nm/0.55kg、110Nm/1.62kg、180Nm/2.26kg。

特斯拉公布的旋轉執(zhí)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；旋轉過程如下：1）電機帶動轉子運動；2）其動力通過諧波減速器提升扭矩，降低轉速；3）諧波減速器通過交叉滾子軸承傳遞相應的力；4）無接觸力矩傳感器負責測量輸出扭矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負責測量位置和速度并反饋。

旋轉執(zhí)行模組主要由手臂、腿部、軀干和脖子構成，覆蓋肩、肘、髖、腰關節(jié)；每一個旋轉執(zhí)行模組對應所需要一個諧波減速器。單人形機器人需要旋轉執(zhí)行模組16個，對應所需要16個諧波減速器。

2.2、達闥機器人減速器方案

達闥人形機器人Cloud Ginger 1.0還未采用人形腿部結構，但是已經(jīng)采用了34個智能柔性關節(jié)遍布頸、肩、肘、腕、手、腰、膝、底盤等部位，實現(xiàn)能歌善舞、智能抓取、自主行走、自動避障、自動平衡。

圖|達闥機器人關節(jié)

來源：達闥官網(wǎng)

SCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性執(zhí)行器2.0，是達闥自主研發(fā)的第二代高集成化、高性能的智能柔性關節(jié)。SCA2.0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，內置機械抱閘、扭矩傳感器、非晶電機，實現(xiàn)中空走線、精準力控、高防護IP54，支持多種通訊模式。 SCA2.0具備高度集成、總線控制、大扭矩輸出、低成本、體積小及易使用性等特點，是大多數(shù)機器人最核心的運動關節(jié)執(zhí)行器。

圖|達闥機器人關節(jié)系列

來源：達闥官網(wǎng)

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。

圖|達闥機器人減速器系列

來源：達闥官網(wǎng)

達闥開創(chuàng)性的研發(fā)了集通信、計算、傳感于一體的機器人智能柔性關節(jié)SCA，解決了機器人硬件在標準化、集成化及產業(yè)化方面的局限，降低了機器人準入門檻、加速產業(yè)生態(tài)形成。

2.3、傅里葉智能減速器方案

傅利葉通用人形機器人GR-1是自主研發(fā)，可以商業(yè)化量產的人形機器人。GR-1擁有高度仿生的軀干構型和擬人化的運動控制，全身最多達54個自由度，最大關節(jié)峰值扭矩達230N.m，具備快速行走，敏捷避障，穩(wěn)健下坡，抗沖擊干擾等運動功能，是通用人工智能的理想載體。

圖|傅里葉智能人形自由度

來源：傅里葉智能官網(wǎng)

內置32個全自研FSA高性能一體化執(zhí)行器（集成電機、驅動器、減速器及編碼器），最大峰值扭矩達230N.m，高動態(tài)響應能力，實現(xiàn)高難動作力度和精度的精準控制?？赡M人類不同運動方式，實現(xiàn)轉頭、扭腰、和抓取、跑步、跳躍等擬人化運動。

預計32個執(zhí)行器為頭部、腰部、手臂和腿部，但是公司未披露具體采用諧波減速器還是RV減速器方案，有待進一步觀察。

2.4、優(yōu)必選人形減速器方案

優(yōu)必選Walker 新一代具有36 個高性能伺服關節(jié)，Walker X具有41個高性能伺服關節(jié)。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(yè)。

圖|優(yōu)必選人形機器人

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

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。

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來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

Walker 新一代具備 36 個高性能伺服關節(jié)以及力覺、視覺、聽覺、空間知覺等全方位的感知系統(tǒng)，可以實現(xiàn)平穩(wěn)快速的行走和靈活精準的操作。

三、總結

近年來，隨著工業(yè)機器人、高端數(shù)控機床等智能制造和高端裝備領域的快速發(fā)展，諧波減速器、RV 減速器、行星減速器已成為高精密傳動領域廣泛使用的精密減速器。而人形機器人作為新的增量，未來隨著國內外人形機器人的持續(xù)迭代量產，減速器的成本也將逐漸降低。如果人形機器人出貨量達到100萬臺，將為減速器產業(yè)帶來近百億的新增量，減速器市場將迎來更廣闊的發(fā)展空間。