-1-敬请参阅最后一页特别声明 市场数据(人民币）市场优化平均市盈率 18.90 国金机器人指数 1527 沪深 300指数 4055 上证指数 3246 深证成指 11849 中小板综指 12492 满在朋 分析师 SAC 执业编号：S1130522030002 秦亚男 分析师 SAC 执业编号：S1130522030005 从人形机器人关节设计看待减速器投资机会 核心观点 根据传动原理可将减速器分为一般齿比减速和少齿差减速。我们从减速器底层设计结构和传动原理出发，将减速器分为一般齿比减速和少齿差减速，一般齿比减速器依靠输入轴小齿轮和输出轴大齿轮的齿差啮合形成减速，传动比一般为其齿数比；少齿差减速一般通过两轮的齿数差通常为 14，依靠特殊的传动结构或传动级数，达到较高传动比，主要包括谐波减速器、RV 减速器、行星减速器等。少齿差减速器结构更紧凑，传动精度更高。从机器人关节驱动单元和关节设计角度出发，行星减速器、谐波减速器和RV 减速器有望先行。通过分析当下仿人机器人驱动单元用减速器方案，发现除高传动比的谐波减速器较广泛的应用在刚性驱动单元和弹性驱动单元外，在准直驱驱动单元中，配合自身高扭矩密度的电机，多使用低传动比的行星减速器，目前行星减速器已应用于四足机器人和一些小型仿人机器人中。我们结合 Tesla Bot 公布的人形机器人参数，引用相关文献中相似参数产品的关节负载实验结果作为参考，通过从机器人结构关节的性能要求角度出发，寻找人形机器人关节用减速器。文献结论表明末端负载 10kg 的手臂关节输出扭矩应30Nm，0.87m 的双足关节输出扭矩要求 505Nm。我们通过比对各类减速器输出扭矩情况，认为在保证小尺寸、质量轻的同时能够额定输出较高扭矩的情况下，行星减速器、谐波减速器以及 RV 减速器应用符合条件。据测算，乐观情况下预计 100万台人形机器人对应精密行星减速器、谐波减速器和 RV 减速器市场规模有望达 275 亿。以 Tesla Bot 人形机器人为例，我们根据其公布关节自由度，假设其单台行星减速器/谐波减速器/RV 减速器用量分别为 25/20/3 个，对应 Tesla Bot 年产量分别在 100/50/20 万台的情况下，人形机器人用减速器的市场有望分别实现 275/212/123亿元。当下减速器市场主要由日系品牌主导，内资减速器品牌国产替代正在进行。精密减速器作为技术密集型行业，材料、加工工艺、加工设备等方面均存在较高技术壁垒，因此先进入者具备先发优势。当下精密减速器市场仍由德日品牌主导，日系龙头哈默纳科、纳博特斯克分别占据谐波减速器、RV 减速器市场 60%以上的市场份额，两者产品定位高端，品牌效应明显，与下游客户厂商深度绑定。但近年来，国内减速器市场国产替代趋势明显，内资品牌不断实现技术突破，同时配合下游需求持续扩充产能，逐渐开始切入下游客户，内资份额开始明显提升。我们通过分析哈默纳科与纳博特斯克的发展历程和竞争优势，判断未来谐波减速器、RV 减速器等产品具备向多元化、轻量化、机电一体化等趋势发展，因此国内紧随该技术趋势的厂商有望受益。投资建议 当下精密减速器国产替代正进行，预计随着未来国内各减速器厂商的技术和设备持续升级、产能持续提升，有望加速渗透减速器市场，提高下游市场份额。建议关注：国内谐波减速器龙头绿的谐波，国内 RV 减速器领跑企业双环传动，国内精密减速器领先企业中大力德，进军精密领域的通用减速器龙头国茂股份以及大族激光（子公司大族精密传动主营谐波减速器）等。风险提示 制造业投资不及预期；产品推行不及预期；市场竞争加剧；人形机器人发展进程不及预期。1088130415191735195121672382210907211207220307220607220907国金行业 沪深300 2022 年 09 月 07 日 新能 源与 汽车 研究 中心 机 器人 行业 研究 买入 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究-2-敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 1.减速器基本介绍.5 1.1 减速器主要分为一般齿比减速和少齿差减速两类.5 1.2 少齿差减速器的基本结构与传动原理.6 2.关节设计角度看人形机器人减速器需求.13 2.1 从人形关节驱动单元看，高/低传动比减速器均有应用.13 2.2 从机器人关节设计看待减速器要求.15 3.人形机器人趋势下，国产减速器厂商有望受益.18 3.1 人形机器人减速器赛道为百亿级市场规模.18 3.2 行星减速器：市场集中，国产替代空间广阔.19 3.3 谐波减速器：厚积薄发，国产替代进行时.20 3.4 RV减速器：行将致远，国产替代加速来临.30 4.国内相关标的梳理.35 4.1 绿的谐波：谐波减速器龙头，产品技术优势明显.35 4.2 双环传动：RV 减速器技术厚积薄发，有望打开成长空间.36 4.3 中大力德：多产品布局，精密减速器领头企业.39 4.4 国茂股份：国内通用减速器龙头，进军精密领域.41 5.投资建议.42 6.风险提示.43 图表目录 图表 1：减速器配合电机起到降低转速增大扭矩的目的.5 图表 2：各类减速器基本介绍与优缺点.6 图表 3：各类减速器具体性能指标范围.6 图表 4：少齿差减速器特点对比.7 图表 5：行星减速器结构示意图.7 图表 6：行星减速器传动原理.7 图表 7：二级行星减速器结构示意图.8 图表 8：摆线针轮减速器结构示意图.8 图表 9：摆线针轮减速器传动原理.8 图表 10：部分型号摆线针轮减速器性能和结构参数（参考减速比在 50左右）9 图表 11：RV减速器结构示意图.9 图表 12：RV 减速器传动原理.10 图表 13：RV 减速器相较于摆线针轮减速器的特点.10 图表 14：部分型号的 RV减速器性能和结构参数（参考减速比在 50 左右）.10 图表 15：谐波减速器主要结构示意图.11 图表 16：谐波减速器传动原理示意图.11 图表 17：谐波减速器相较于一般齿比减速器的特点.12 行业深度研究-3-敬请参阅最后一页特别声明 图表 18：部分型号的谐波减速器性能和结构参数（参考减速比在 50 左右）.12 图表 19：滤波减速器结构示意图.12 图表 20：当下滤波减速器的主要问题.13 图表 21：三种驱动单元特性对比.14 图表 22：刚性驱动单元主要结构.14 图表 23：弹性驱动单元主要结构.14 图表 24：准直驱驱动单元主要结构.15 图表 25：小体积驱动单元的额定扭矩较低.15 图表 26：T esla Bot的参数展示.16 图表 27：某仿人机械臂示意图.16 图表 28：机械臂关节输出扭矩.16 图表 29：T esla Bot硬件配置要求.17 图表 30：某仿人机器人腿部自由度配置图.17 图表 31：某仿人机器人下半身整体结构与尺寸.17 图表 32：机器人各关节活动范围与峰值扭矩.17 图表 33：机器人关节设计对减速器的要求.18 图表 34：人形机器人减速器市场空间测算.19 图表 35：精密行星减速器特点及主要壁垒.19 图表 36：全球行星减速器销量及市场规模情况.20 图表 37：谐波减速器生产流程及所需设备.20 图表 38：谐波减速器柔轮失效主要形式.21 图表 39：柔轮失效易发生在应力分布较大的区域.21 图表 40：柔轮材料晶粒不均匀会造成局部微裂纹以及失效.21 图表 41：三家厂商设计齿形对比.22 图表 42：机加工与线切割工艺对比.22 图表 43：2020 年国内谐波减速器市场竞争格局.23 图表 44：2021 年国内谐波减速器市场竞争格局.23 图表 45：内资谐波减速器产能建设情况.23 图表 46：国内外同型号谐波减速器性能对比.24 图表 47：谐波减速器龙头哈默纳科的发展历程.24 图表 48：2021 年哈默纳科各类产品收入占比.25 图表 49：哈默纳科近年营业收入情况.25 图表 50：哈默纳科近年归母净利润情况.25 图表 51：哈默纳科业务结构基本保持稳定.26 图表 52：机电一体化协同整体运动控制.26 图表 53：哈默纳科持续进行产品迭代，向轻量化，小体积发展.27 图表 54：2021 年哈默纳科产品各下游行业应用占比.27 图表 55：哈默纳科增长动力多样，销售额不断上升.28 图表 56：哈默纳科全球“四极”体系基本实现全球减速机供应全覆盖.28 行业深度研究-4-敬请参阅最后一页特别声明 图表 57：哈默纳科的现有月产能及扩张计划（单位：台）.29 图表 58：谐波减速器发展思路.29 图表 59：RV 减速器生产流程.30 图表 60：摆线轮修形的主要方法及原理.31 图表 61：影响轴承寿命的主要因素.31 图表 62：2021 年国内 RV减速器竞争格局.32 图表 63：RV 减速器国内处于追赶阶段.32 图表 64：内资品牌 RV 减速器厂商产能规划.32 图表 65：RV 减速器国内外主要品牌同型号参数对比.33 图表 66：纳博特斯克 RV减速器发展历史.33 图表 67：历年纳博特斯克精密减速器销售情况.34 图表 68：纳博特斯克 RV减速器型号.34 图表 69：纳博特斯克年产能及扩产计划.35 图表 70：绿的谐波营业收入情况及同比增速.36 图表 71：绿的谐波归母净利情况及同比增速.36 图表 72：绿的谐波整体盈利能力维持较高水平.36 图表 73：公司主要业务包括齿轮与减速器.37 图表 74：公司齿轮业务中以乘用车齿轮为主.37 图表 75：双环传统营业收入情况及同比增速.37 图表 76：双环传统归母净利情况及同比增速.37 图表 77：双环传动毛利率、净利率情况.38 图表 78：双环传动主要产品毛利率情况.38 图表 79：双环传动 RV 减速器技术成果事记.38 图表 80：公司减速器及其他业务营收及毛利率情况.39 图表 81：公司产品与纳博特斯克产品对比.39 图表 82：中大力德主要产品.40 图表 83：中大力德营业收入情况及同比增速.40 图表 84：中大力德归母净利润情况及同比增速.40 图表 85：公司主要产品介绍.41 图表 86：国茂股份营业收入情况及同比增速.41 图表 87：国茂股份归母净利润情况及同比增速.41 图表 88：捷诺产品营收及销量情况.42 图表 89：国茂股份高端减速机基本情况介绍.42 图表 90：国茂股份 GNORD 减速机产能、产量和销量预测.42 图表 91：减速器相关标的估值情况.43 行业深度研究-5-敬请参阅最后一页特别声明 1.减速器基本介绍 核心观点：减速器具有降低电机高转速，提升扭矩，加强输出端负载能力的作用。按照传动原理，减速器可分为一般齿比减速和少齿差两种。相同尺寸下的少齿差减速器额定输出扭矩较高，主要包括行星减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器以及 RV减速器等。以少齿差减速器为例。精密行星减速器整体结构紧凑，传动比较小，可以通过双级或多级结构提高输出扭矩；摆线针轮减速器主要为偏心传动，额定功率下输出功率较大；RV 减速器在摆线针轮减速原理的基础上加上第一级渐开线行星传动，在缩小尺寸和重量的同时，传动比、承载能力更大，传动效率更高，精度更高；谐波减速器主要依靠柔轮传动，具有结构简单、体积小、质量小、传动比范围大、承载能力大等特点。1.1 减速器主要分为一般齿比减速和少齿差减速两类 减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用。减速器是由多个齿轮组成的传动零部件。由于多数机械设备不适宜用原动机直接驱动，减速器可将传动设备在高速运转时的动力，通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以达到降低转速和增大扭矩的目的。图表 1：减速器配合电机起到降低转速增大扭矩的目的 来源：国金证券研究所 不同于当下市场简单将减速器分为通用减速器、专用减速器和精密减速器，我们根据其传动原理将减速器分为两类：一般齿比减速和少齿差减速。一般齿比减速：主要依靠输入轴小齿轮和输出轴大齿轮啮合形成的减速，大齿轮的齿数一般为小齿轮齿数的减速比倍。主要包括圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器。圆柱齿轮减速器利用输入轴小齿轮与输出轴大齿轮啮合，小齿轮带动大齿轮运动，实现减速目的；蜗轮蜗杆减速器是通过空间交错的蜗轮蜗杆两轴动力传动，以蜗杆为主动件，蜗轮为被动件，利用齿轮减速。少齿差减速：少齿差传动中，两轮的齿数差通常为 14，依靠特殊的传动结构或传动级数，达到较高传动比。少齿差减速器主要包括行星减速器、三环减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、滤波减速器。行星减速器是利用驱动源启动太阳齿轮，太阳轮带动行星齿轮运转，动力从链接行星轮的内齿轮环和出力轴输出，实现减速；行业深度研究-6-敬请参阅最后一页特别声明 RV 减速器是通过行星齿轮减速机构作为第一级减速，外加摆线针轮减速机构作为第二级减速，通过刚性盘与输出盘连接整体机构，最终将减速输出；谐波减速器是靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮发生可控弹性变形，并于刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。图表 2：各类减速器基本介绍与优缺点 减速原理 基本产品 产品结构 基本介绍 优缺点 一般齿比减速 圆柱齿轮减速器 齿轮、轴及轴承组合、箱体 输入轴小齿轮与输出轴大齿轮啮合实现传动 减速比不大 蜗轮蜗杆减速器 蜗轮、蜗杆、轴及轴承组合、箱体 空间交错的蜗轮蜗杆啮合，以蜗杆为输入件、蜗轮为输出件的传动减速 传动效率低，只能垂直传动；减速比大 少齿差减速 行星减速器 行星轮、太阳轮、内齿环 行星轮作为主动轮带动太阳轮 结构复杂，径向尺寸大 三环减速器 输入轴、输出轴、环板 输入轴与三片相同的内齿环板啮合，带动外齿齿轮输出 结构不紧凑 摆线针轮减速器 输入轴、偏心套、摆线轮、柱销、针齿销、输出轴 输入轴通过偏心套带动摆线轮转动，与针齿啮合实现减速 制造工艺复杂，制造精度要求高 RV减速器 一个行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器 行星齿轮减速器一级减速，摆线针轮减速机构二级减速 精度稳定，传动比范围大，传动平稳，但加工工艺复杂，零件数量多 谐波减速器 波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮 依靠柔轮变形与钢轮啮合传动 结构紧密，速比范围大，工艺复杂，成本高 滤波减速器 输出齿轮、双联齿轮、滚柱、固定齿轮、偏心轴 通过滤波花键机构滤去高次公转波，输出低频传动 结构紧凑、传动比大、制造要求低 来源：减速器的分类创新研究，国金证券研究所 少齿差减速器传动比范围更广，相同尺寸下额定输出扭矩更高。通过对当下各类减速器具体性能指标进行汇总可以看出，一般齿比减速如圆柱减速器、三环减速器整体传动比不高，对应单位质量输出的额定扭矩较小；而单级行星减速器可以通过多级传动的方式来提升额定输出扭矩；RV 和谐波减速器作为精密减速器的典型代表，其输出扭矩较大，同时重量、体积更小；滤波减速器作为技术研究阶段产品，虽然性能较优，但整体传动效率仍然较低，未能大面积商用。图表 3：各类减速器具体性能指标范围 减速器名称 圆柱齿轮减速器 单级行星减速器 双级行星减速器 三环减速器 摆线针轮减速器 RV减速器 谐波减速器 滤波减速器 传动比 850 310 9-64 1199 29179 57161 50160 57-161 重量（Kg）1002230 0.418 0.522 44625 8.5134 2.566.4 0.27.04 1 额定输出扭矩（Nm）20020900 4.5400 18800 25910520 1493900 584410 4.41236 190.0 回程间隙（arc min）12 15 1 1 3 传动效率（%）9798 96 90 9296 90 8595 85 65 市场成熟度 成熟 成熟 成熟 推广阶段 成熟 成熟 成熟 研究阶段 来源：减速器信息网，住友重工，中大力德，纳博特斯克，哈默纳科，滤波减速器的创新研究，国金证券研究所 1.2 少齿差减速器的基本结构与传动原理 我们针对少齿差减速器中的精密行星减速器、摆线针轮减速器、RV 减速器、谐波减速器的基本构成和传动原理进行了详细的分析，便于投资者深刻了解各类少齿差减速器的特点。综合来看，在常见传动比 50 左右的减速器中，行星减速器输出扭矩较小，但整体传动效率较高，可以依托多级传动的方式提升传动比和增加额定输行业深度研究-7-敬请参阅最后一页特别声明 出功率；RV 减速器在额定工况下的输出扭矩大，代表其承载能力更强；相比之下，谐波减速器整机体积较小，传动精度和传动效率更高，但整体输出扭矩不及 RV 减速器；滤波减速器虽然整体性能更优，但目前仍未全面推向市场。图表 4：少齿差减速器特点对比 减速器种类 输出转矩 整机体积 质量 传动精度 传动效率 行星 小 小 中 一般 高 摆线针轮 小 大 重 一般 较高 RV 大 中 中 较高 高 谐波 中 较小 较轻 高 较高 滤波 中 小 轻 较高 一般 来源：国金证券研究所 1.2.1精密行星减速器：小而精传动装置，结构紧凑 精密行星减速器体积较小，主要由行星轮、太阳轮和内齿圈组成。其中，太阳轮的轴线位置固定，位于中心；行星轮的轴线变动，与太阳轮和外齿圈同时啮合，围绕太阳轮公转的同时自转。行星轮的支持构件叫行星架，当太阳轮受到外力转动，与行星齿轮啮合，最后通过行星架输出减速。单级精密行星减速器结构紧凑，传动比在 10 以内。行星减速器具有高刚性、高精度（单级可做到 1以内）、高传动效率（单级在 97%98%）、高扭矩/体积比等特点，其多安装在伺服电机上用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。图表 5：行星减速器结构示意图 图表 6：行星减速器传动原理 来源：中大力德官网、国金证券研究所 来源：深圳维动自动化设备、国金证券研究所 考虑到单级减速器减速比限制，驱动装置中可以采用两级或多级传动来增大输出扭矩。两级行星减速器即包括两级太阳轮、两级行星轮、两级行星架和内齿圈等部件。两级传动系统具有相同减速比，因此各级行星轮和太阳轮均可采用相同模数和齿数进行设计，使两级行星轮可共用同一内齿圈，便于加工制造。行业深度研究-8-敬请参阅最后一页特别声明 图表 7：二级行星减速器结构示意图 来源：高扭矩密度仿人机器人单元研究，国金证券研究所 1.2.2摆线针轮减速器：摆线针齿啮合，偏心传动 摆线针轮减速器是采用少齿差行星式传动原理及摆线针齿啮合的传动机械。摆线针轮输入部分由输入轴和偏心套组成，偏心套由两个互成 180的偏心部分组成，并用键与主动轴相联。减速部分由行星摆线轮和针轮组成，两个奇数摆线轮错位 180安装在偏心套上，与针齿啮合传动实现减速。输出部分由输出轴和柱销组成。图表 8：摆线针轮减速器结构示意图 来源：机器人关节传动用精密减速器研究进展，国金证券研究所 传动原理：摆线针轮行星传动时，当输入轴旋转时,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，摆线轮旋转时既绕自身轴线自转，又绕输入轴轴线公转，然后借助 W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。图表 9：摆线针轮减速器传动原理 来源：机器人关节传动用精密减速器研究进展，国金证券研究所 行业深度研究-9-敬请参阅最后一页特别声明 图表 10：部分型号摆线针轮减速器性能和结构参数（参考减速比在 50左右）型号 减速比 额定转速下扭矩(Nm)结构尺寸/直径 X长度 质量（Kg）F4C-D15 59 226 124X94 5.2 F4CF-C15 59 225 137X75 6 CK 009 49 92 114X64.5 3.35 CK 026 51 298 149X80 6.87 直筒型-086 49 82 86X49.2 1 来源：新型轻质少齿差行星齿轮减速器的研制，国金证券研究所 注：F4C-D15 和 F4CF-C15、CK009 和 CK026、直筒型-086 分别为住友重工、韩国赛劲、哈工联合精密传动的相关减速器系列型号的缩写 1.2.3 RV减速器：两级传动，结构复杂 RV 减速器与摆线针轮减速器同源，主要有摆线针轮和行星支架组成。RV减速器是日本纳博特斯克最初为机器人关节手臂研发的，是在摆线针轮行星传动基础上发展起来的一种刚性齿轮减速器。其主要结构包括输入轴、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针齿轮和行星架。目前 RV 减速器多采用两级摆线针轮减速机构，由第一级渐开线行星传动和第二级摆线针轮行星传动组成。输入轴（中心轴）：RV 减速器输入轴与电机通过联轴器相连将输入转速传递到输入轴的中心齿轮，在通过中心齿轮与行星轮的来相互啮合，带动行星轮自转来完成动力的分配。行星轮：三个或两个行星轮围绕中心轴均匀分布，行星轮与中心轴共同组成了 RV 减速器的第一级传动机构。曲柄轴：作为第一级和第二级的连接，通过花键结构与行星轮固定连接又与摆线轮通过滚动轴承相接触，两端还通过轴承与左右行星架连接，其自转时带动摆线轮公转，其公转时带动行星架自转，保证了运动的输入和输出。摆线轮：两个摆线轮偏心分布且之间有 180 度相位角。运动时摆线轮与针齿接触啮合产生扭矩，带动曲柄轴公转。针齿轮：针齿轮由针齿壳和针齿组成，40 个针齿均匀分布在针齿壳的中心圆上。针齿壳与机架固连。摆线轮，针齿为第二级减速传动的机构。行星架：行星架分为输出盘和压盖，作为减速器的输出部件，两者由螺栓固定连接，没有相对运动，其由两个主轴承约束着针齿壳内摆线轮等运动部件的移动。图表 11：RV减速器结构示意图 来源：RV 减速器的结构分析及其疲劳寿命分析。国金证券研究所 行业深度研究-10-敬请参阅最后一页特别声明 传动原理：采用行星架做输出轴，针齿壳固定的方式传动。在传动过程中，电机通过联轴器与输入轴相连，从而将电机输入的转速传递到行星齿轮机构，进行一级减速。然后曲柄轴会带动 RV 齿轮做偏心转动，当曲柄轴转动一周，RV 齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿，并通过输出轴输出，从而实现大减速比输出。图表 12：RV减速器传动原理 来源：纳博特斯克产品手册，国金证券研究所 相较传统摆线针轮行星减速器，RV 减速器在缩小尺寸和重量的同时，传动比、承载能力更大，传动效率更高，精度更高。根据测算，RV 减速器的传动比可在 31 171 范围内浮动，同时传动效率可达 85%92%，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，回差精度稳定，不会随着使用时间的延长而降低运动精度。图表 13：RV减速器相较于摆线针轮减速器的特点 RV减速器产品特点 具体内容 传动比大 摆线针轮传动作为少齿差传动，传动比较大；减速器由渐开线行星传动与摆线针轮行星传动组成，通过两级减速，进一步增大了传动比。承载能力大 承载能力大：多个行星轮与曲柄轴实现了功率分流，增加了减速器的承载能力；摆线轮与针齿同时接触齿数多，啮合副具有很大的承载能力。扭转刚度大 摆线与针齿属于线接触，且摆线与针齿多齿接触，增加了啮合副的接触刚度。传动效率高 各个构件均有滚动轴承支撑，各个构件间摩擦、磨损小，所以传动效率高，传动性能好，使用寿命长。传动精度高 摆线齿廓与针轮多齿接触，实现了误差均化；通过摆线轮齿廓和传动间隙的合理设计，能在低回差，能获得高的传动精度和小的回差。来源：RV 减速器研究现状及展望，国金证券研究所 图表 14：部分型号的 RV减速器性能和结构参数（参考减速比在 50左右）型号 减速比 额定转速下扭矩(Nm)结构尺寸（mm）/直径 X长度 质量（Kg）RV-6E 53.5 58 122X53 1.0 RV-15 57 137 129.9X65 1.0 TS60-T 47 37 100X50 0.86 TS50-M 47 18 100X50 0.47 SRMV-20E 57 167 145X65 4.7 CRV-40E 57 412 190X76 9.3 来源：新型轻质少齿差行星齿轮减速器的研制，国金证券研究所 行业深度研究-11-敬请参阅最后一页特别声明 注：RV-6E 和 RV-15、TS60-T 和 TS50-M、SMRV-20E、CRV-40E分别为纳博特斯克、SPINEA、珠海飞马传动、北京智同精密传动相关减速器系列型号的缩写 1.2.4 谐波减速器：柔轮变形，错齿传动 谐波减速器是基于柔轮的弹性变形原理的一种传动机构，由柔轮、刚轮和波发生器三个基本构件组成。波发生器可以按照一定的变形规律，在运动过程中产生周期行变形波；柔轮是一个薄壁构建，前段是一个带齿的圆环，由于柔轮的内壁半径小于波形发生器的半径，当波发生器装入柔轮前段时，会使得柔轮的前段发生变形，使得柔轮和钢轮接触。刚轮是一个内侧带齿的结构，由于柔轮和刚轮存在齿数差，当波发生器转动时，柔轮会和刚轮产生啮合作用。图表 15：谐波减速器主要结构示意图 来源：谐波减速器柔轮寿命预测及其影响参数分析，国金证券研究所 传动原理：利用电机带动波发生器，柔轮输出转动，依靠错齿传动实现减速。以双波凸轮传动为例，柔轮比钢轮的齿数少 2，在实际使用的过程中，会将波发生器作为输入构件，刚轮固定，柔轮作为输出。当波发生器转动时，谐波减速器的齿轮处于啮合和啮出的状态不断转换之间，波发生器每转动半圈，柔轮会往反方向转动一个齿，当波发生器完整转动一圈时，柔轮会往反方向转动两个齿，从而达到减速作用。图表 16：谐波减速器传动原理示意图 来源：哈默纳科产品手册，国金证券研究所 与传统一般齿比减速器相比，谐波减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比范围大等特点。根据资料显示，谐波减速器与具有相同传动比的圆柱齿轮减速器相比，谐波齿轮减速器的零部件数量仅为圆柱齿轮减速器的 50%左右，体积和重量均仅为传统齿轮减速器的 2/3 左右或更小。同时，谐波减速器在啮合过程中，柔轮和刚轮的齿侧间隙主要由波发生器的外轮廓尺寸，以及两齿轮的齿形参数决定，因此传动回差小，最小可为 0。行业深度研究-12-敬请参阅最后一页特别声明 图表 17：谐波减速器相较于一般齿比减速器的特点 谐波减速器产品特点 具体内容 结构紧凑、体积小、质量轻 与具有相同传动比的圆柱齿轮减速器相比，谐波齿轮减速器的零部件数量仅为圆柱齿轮减速器的 50%左右，体积和重量均仅为传统齿轮减速器的 2/3 左右或更小。传动比大 单级、双级和复波谐波减速器传动比范围分别为 50300、300060000、200140000。承载能力大 谐波齿轮减速器在传动过程中，具有多对齿共同参与承受载荷，在传动系统的材料和传动比相同的条件下，多个啮合齿所受的力叠加到一起，使谐波传动受载能力要大大超过传统传动系统，其传递的功率可高达几十千瓦。齿隙可调 谐波齿轮减速器在啮合过程中，柔轮和刚轮的齿侧间隙主要由波发生器的外轮廓尺寸，以及两齿轮的齿形参数决定，因此传动回差小，最小可为 0。来源：谐波减速器研究现状及问题研究，国金证券研究所 图表 18：部分型号的谐波减速器性能和结构参数（参考减速比在 50左右）型号 减速比 额定转速下扭矩(Nm)结构尺寸（mm）/直径 X长度 质量（Kg）SHA-SG-20A 51 73（极限）136X79.3 2.0 FHA-17C 50 39（极限）128X78 2.5 LCS-32 50 72 139X60 1.0 LHS-30 50 72 135X42 1.0 XBS-100-A 50 110 135X53 1.0 XBHS-80-A 50 60 134X44 1.0 来源：新型轻质少齿差行星齿轮减速器的研制，国金证券研究所 注：SHA-SG-20A 和 FHA-17C、LCS-32、XBS-100-A 和 XBHS-80-A 分别为哈默纳科谐波、绿的谐波、中技克美谐波相关减速器系列型号的缩写 1.2.5 滤波减速器：过滤高次公转波，输出低频传动 滤波减速器由偏心减速机构、滤波花键机构及三向止推轴承组成。偏心减速机构由内齿轮、钢球、偏心轮、滚动轴承组成；滤波花键机构由钢球、偏心轮、圆柱齿轮和内齿轮组成。滤波减速器在谐波减速器基础上省略了柔轮，采用刚性结构。图表 19：滤波减速器结构示意图 来源：滤波减速器的创新研究、国金证券研究所 滤波减速器的寿命是衡量其质量好坏的最直接根据。目前而言谐波减速器的寿命已经超过 10000 小时，而滤波减速器根据滤波减速器结构可靠性行业深度研究-13-敬请参阅最后一页特别声明 研究显示，还存在齿轮故障、偏心轴故障和轴承故障，都会导致减速器的噪声变大和影响寿命。图表 20：当下滤波减速器的主要问题 来源：滤波减速器结构可靠性研究，国金证券研究所 2.关节设计角度看人形机器人减速器需求 核心观点：我们从当下人形驱动单元配置减速器的角度出发，发现除高传动比的谐波减速器较广泛的应用在刚性驱动单元和弹性驱动单元外，在准直驱驱动单元中，配合自身高扭矩密度的电机，更倾向于用低传动比的行星减速器，目前行星减速器已应用于四足机器人和一些小型仿人机器人中。我们结合 Te sla Bot 公布的人形机器人的身高及负载等参数，参考引用高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究、国内外双足人形机器人驱动器研究综述等文献中相似参数产品的关节负载实验，其测试结果表明末端负载10kg 的手臂关节输出扭矩应 30Nm，0.87m 的双足关节输出扭矩要求 505Nm。结合前文各类减速器额定输出扭矩情况，我们认为精密行星减速器、谐波减速器以及 RV减速器符合条件。2.1 从人形关节驱动单元看，高/低传动比减速器均有应用 鉴于人形机器人关节运动的特殊性，不同于当下市场简单挪用工业机器人高传动比谐波减速器或者 RV 减速器的观点逻辑，我们通过分析当下人形机器人用关节驱动单元所采用的减速器情况。人形机器人的驱动单元主要包括了刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动三种，不同驱动单元配备减速器需求有所差异。根据文献表示表示，人形机器人的驱动单元主要有刚性驱动单元、弹性驱动单元和准直驱驱动单元三种类型。减速器方面，根据配合的电机扭矩不同，大传动比减速器和小传动比减速器均可使用。刚性驱动单元一般采用高转速、低扭矩电机配高传动比减速器，输出扭矩大、运动精度高，但减速器较高的体积和重量导致驱动单元体积、重量大，可能无法满足仿人机器人的小型化、轻量化需求。弹性驱动单元整体与刚性驱动单元一样采用高传动比减速器，与传统刚性驱动单元的区别在于输出端和负载之间采用弹性部件连接，使机器人关节柔顺性得到改善。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。准直驱驱动单元大多采用高扭矩密度电机搭配低传动比减速器，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。由于滤波 减速器 采用闭 式传动，在空 间条件极度恶 劣的情 况下受 到冲击 载荷。主要的失效形 式是齿 面点蚀、磨损 和轮齿 折断齿轮故障 偏心轴在 循环载 荷的作 用下，也会出 现偏心轴表明 损伤、偏心轴 疲劳裂 纹以及 偏心轴疲劳断 裂偏心轴故障 由于装配、润滑、腐蚀 和过载 等问题，会导致轴承 疲劳失 效、轴 承胶合 失效、轴承磨损失效 以及保 持架的 磨损和 烧伤轴承故障行业深度研究-14-敬请参阅最后一页特别声明 图表 21：三种驱动单元特性对比 驱动形式 示意图 基本组成 优点 缺点 刚性驱动单元 高速低扭矩电机 高减速比减速器 输出扭矩大 运动精度高 结构笨重 运动惯量大 弹性驱动单元 传统驱动单元 弹性部件 柔顺性好 结构复杂 系统带宽低 准直驱驱动单元 高扭矩密度电机 低减速比减速器 扭矩密度大 动态性能好 精度稍低 来源：高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究，国金证券研究所 当下刚性驱动单元和弹性驱动单元多采用谐波减速器。根据国内外双足人形机器人驱动器研究综述，当下以传统刚性驱动单元为关节模组的机器人产品中主要采用谐波减速器。当下刚性驱动单元整体设计方面已经较难有创新，预计未来更多研究集中在电机和减速器整体优化设计上。图表 22：刚性驱动单元主要结构 图表 23：弹性驱动单元主要结构 来源：国内外双足人形机器人驱动器研究综述，国金证券研究所 来源：国内外双足人形机器人驱动器研究综述，国金证券研究所 准直驱驱动单元多采用精密行星减速器。准直驱驱动器依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力和力矩传感器，就可以本体感知机器人外界的交互。其驱动单元最理想的是采用电机直接驱动，但受限于当前电机工艺和技术，电机直驱驱动器的扭矩密度不能满足机器人应用需求，因此目前折中采用电机加低传动比行星减速器方案。当下该种驱动单元已应用在四足机器人或小型双足机器人中。行业深度研究-15-敬请参阅最后一页特别声明 图表 24：准直驱驱动单元主要结构 来源：国内外双足人形机器人驱动器研究综 述，国金证券研究所 2.2 从机器人关节设计看待减速器要求 人形机器人减速器选择应满足兼具轻小化、较高额定输出扭矩的要求。根据高扭矩仿人机器人驱动单元研究，输出扭矩高的驱动单元往往外形尺寸更大，但在面向多自由度、小体积仿人机器人应用时会导致关节庞大笨重，严重影响机器人的运动性能；而较小体积的驱动单元其扭矩密度较小，会导致人形机器人无法胜任负载需求较高的任务，从而限制机器人应用场景。由驱动单元的情况可以看出对减速器选择上应兼顾输出扭矩高的同时质量和尺寸更小的要求。图表 25：小体积驱动单元的额定扭矩较低 参数 小体积驱动单元 大体积驱动单元 AI T-motor Kola bear RMD-X8S2 额定扭矩(Nm)6.3 9 16.8 30 质量（kg）0.605 0.485 0.685 0.9 扭矩密度（Nm/kg）10.41 18.56 24.53 33.33 外径 x 厚度（mm）98x45 98x38.5 113x49.7 98x58 来源：高扭矩仿人机器人驱动单元研究，国金证券研究所 我们尝试通过分析人形机器人在运动或者负载过程中其对关节扭矩密度的要求进行筛选。结合 Te sla Bot 公布的参数要求（身高 1.72m，重量 57kg，负载 20kg，行走速度 8km/h），通过汇总当下国内针对仿人机器人的研究，找到参数相仿的机械手臂关节以及双足关节进行分析，可进一步挑选可应用在人形机器人关节中的减速器。行业深度研究-16-敬请参阅最后一页特别声明 图表 26：Tesla Bot的参数展示 来源：Tesla AI Day，国金证券研究所 10kg 末端负载的仿人机械臂要求其减速器最大输出扭矩不低于 30Nm。人形机械手臂一般要求其拥有搬运货物和协助操作工完成装配等任务的功能，根据仿人机械臂的结构设计，以浙江大学团队设计的末端负载为 10kg的仿人机械臂为例，样机的外形尺寸为 88.5mmx35mm，总重量为 0.834kg，其需要做往复摆臂运动，仿真后获得单个运动周期内最大扭矩为 25.64Nm，考虑到冗余设计，减速器最大输出扭矩应不低于 30Nm。图表 27：某仿人机械臂示意图 图表 28：机械臂关节输出扭矩 来源：高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究，国金证券研究所 来源：高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究，国金证券研究所 人形机器人腿部结构和运动体系复杂，需要设计多个自由度，因此对减速器数量和性能要求更大。人形机器人是一个非常复杂的运动体系，需要做到平衡和灵活运动，因此在其腿部结构设计上的运动平衡和控制尤为重要。根据 Tesla Bot 公布信息，其腿部一共配有 12 个自由度，结合相关文献显示，广东工业大学团队设计的一款机器人中其腿部也包含 12 个自由度，分别为髋关节 3 个自由度，包含偏航、翻转、俯仰关节；膝关节 1 个自由度，包含一个俯仰关节；踝关节 2个自由度，包含俯仰、翻转关节。行业深度研究-17-敬请参阅最后一页特别声明 图表 29：Tesla Bot硬件配置要求 图表 30：某仿人机器人腿部自由度配置图 来源：Tesla AI Day，国金证券研究所 来源：基于准力矩电机驱动的仿人机器人系统设计，国金证券研究所 在与人体比例相仿的腿部环节，要求关节输出扭矩至少保证 505Nm 左右。常见的仿人机器人下半身质心通常在膝关节或膝关节略高一点的位置，因此，低功耗、高效率的腿部设计应尽可能提高质心高度，提高大腿质量