人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——減速器

特斯拉第二代人形機(jī)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(dòng)控制脖子，使用了更快、具備11個(gè)自由度的新靈巧手，特斯拉人形機(jī)器人預(yù)計(jì)總共40個(gè)自由度關(guān)節(jié)。優(yōu)必選人形采用41個(gè)自由度關(guān)節(jié)，傅里葉智能采用54個(gè)自由度，靈活性更高。工業(yè)領(lǐng)域最常見的多關(guān)節(jié)機(jī)器人通常使用3-6個(gè)減速機(jī)，而人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)使用量隨著肢體數(shù)量和復(fù)雜度的提高而提高，為減速器的行業(yè)帶來(lái)較大的市場(chǎng)增量。今天，筆者就來(lái)和大家一起來(lái)學(xué)習(xí)研究人形機(jī)器人所用的精密減速器分類和市場(chǎng)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(jī)器人的“自由度”。減速器相當(dāng)于機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，用于降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩，從而讓機(jī)器人平滑、精確地完成動(dòng)作。通常來(lái)說(shuō)，減速器數(shù)量越多，關(guān)節(jié)越多，機(jī)器人的行動(dòng)越靈活。

圖|減速器原理

來(lái)源：IOT 大數(shù)據(jù)

1.2、減速器分類

減速器是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動(dòng)減速器和精密減速器。一般傳動(dòng)減速器控制精度低，可滿足機(jī)械設(shè)備基本的動(dòng)力傳動(dòng)需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長(zhǎng)，更加可靠穩(wěn)定，應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)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(chǎn)生可控的彈性變形波，通過(guò)其與剛輪的相互作用， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)裝置。諧波減速器主要由帶有內(nèi)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(gè)基本構(gòu)件組成。單臺(tái)價(jià)值量可達(dá)1000-1500元/臺(tái)。

圖|諧波減速器實(shí)物圖

來(lái)源：與非研究院

圖|諧波減速器拆解示意圖

來(lái)源：與非研究院

其工作原理通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式，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(zhǎng)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)；而其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。

圖|諧波減速器運(yùn)行示意圖

來(lái)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(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級(jí)組成。此減器機(jī)具有高精度、大速比、高剛性、高過(guò)負(fù)載及長(zhǎng)壽命特點(diǎn)，且具有振動(dòng)小，噪音低，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的減速機(jī)之一。單臺(tái)價(jià)值量可達(dá) 5000-8000 元/臺(tái)。

圖|RV減速器示意圖

來(lái)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(nèi)齒輪和外齒輪之間圍繞一個(gè)同心圓做運(yùn)動(dòng)，圓柱、齒輪的循環(huán)運(yùn)動(dòng)類似于太陽(yáng)系中的行星運(yùn)行軌跡。因此，行星齒輪減速機(jī)也叫行星減速機(jī)。行星減速機(jī)主要用于傳遞必要的力矩，齒輪數(shù)量越多，其齒輪的負(fù)載面越大，承載能力越強(qiáng)。齒輪結(jié)構(gòu)，成本相對(duì)較低，單價(jià)在200-400元/臺(tái)。

圖|行星減速器示意圖

來(lái)源：信達(dá)證券

1.6、三種減速器對(duì)比

根據(jù)高工機(jī)器人數(shù)據(jù)，工業(yè)機(jī)器人中諧波減速器和RV減速器的使用量約為35%：65%，人形機(jī)器人因形態(tài)類人相比工業(yè)機(jī)器人，預(yù)計(jì)會(huì)使用諧波減速機(jī)+RV減速器，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈較大增量空間。

諧波減速器具有單級(jí)傳動(dòng)比大、體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)精度高并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作的優(yōu)點(diǎn)，并且與一般減速器比較，在輸出力矩相同時(shí)，諧波減速器的體積更小， 重量更輕，這使其在機(jī)器人小臂、腕部、手部等部件具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

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

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

圖|不同減速器對(duì)比

來(lái)源：華創(chuàng)證券研究所

據(jù) MIR 睿工業(yè)，2021 年我國(guó)減速器整體市場(chǎng) 規(guī)模達(dá)到 101 萬(wàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)同比 46.9％的高速增長(zhǎng)。其中，諧波減速器 47 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 61.3%；RV 減速器 55 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 36.6％。據(jù)預(yù)測(cè)，減速器行業(yè)仍會(huì)保持 15% 以上的穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，到 2024 年，我國(guó)減速器整體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 168 萬(wàn)臺(tái)；其中，諧波減速器 79 萬(wàn)臺(tái)，RV 減速器 89 萬(wàn)臺(tái)。

二、人形機(jī)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(lái)源：AI day

根據(jù)特斯拉 AI Day 發(fā)布會(huì)展示的解決方案，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)執(zhí)行器由永磁無(wú)刷電機(jī)+諧波減速器+雙編碼器+力矩傳感器+軸承+機(jī)械離合組成；旋轉(zhuǎn)過(guò)程如下：1）電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；2）其動(dòng)力通過(guò)諧波減速器提升扭矩，降低轉(zhuǎn)速；3）諧波減速器通過(guò)交叉滾子軸承傳遞相應(yīng)的力；4）無(wú)接觸力矩傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量輸出扭矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量位置和速度并反饋。

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組主要由手臂、腿部、軀干和脖子構(gòu)成，覆蓋肩、肘、髖、腰關(guān)節(jié)；每一個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組對(duì)應(yīng)所需要一個(gè)諧波減速器。單人形機(jī)器人需要旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組16個(gè)，對(duì)應(yīng)所需要16個(gè)諧波減速器。

2.2、達(dá)闥機(jī)器人減速器方案

達(dá)闥人形機(jī)器人Cloud Ginger 1.0還未采用人形腿部結(jié)構(gòu)，但是已經(jīng)采用了34個(gè)智能柔性關(guān)節(jié)遍布頸、肩、肘、腕、手、腰、膝、底盤等部位，實(shí)現(xiàn)能歌善舞、智能抓取、自主行走、自動(dòng)避障、自動(dòng)平衡。

圖|達(dá)闥機(jī)器人關(guān)節(jié)

來(lái)源：達(dá)闥官網(wǎng)

SCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性執(zhí)行器2.0，是達(dá)闥自主研發(fā)的第二代高集成化、高性能的智能柔性關(guān)節(jié)。SCA2.0集成新型伺服電機(jī)、底層伺服驅(qū)動(dòng)、高精度編碼器、高精度減速器于一體，內(nèi)置機(jī)械抱閘、扭矩傳感器、非晶電機(jī)，實(shí)現(xiàn)中空走線、精準(zhǔn)力控、高防護(hù)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(diǎn)，是大多數(shù)機(jī)器人最核心的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行器。

圖|達(dá)闥機(jī)器人關(guān)節(jié)系列

來(lái)源：達(dá)闥官網(wǎng)

MINTASCA主要分為五個(gè)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(fù)合材料行星減速器的QDD Lite系列和無(wú)減速器的DD系列。

圖|達(dá)闥機(jī)器人減速器系列

來(lái)源：達(dá)闥官網(wǎng)

達(dá)闥開創(chuàng)性的研發(fā)了集通信、計(jì)算、傳感于一體的機(jī)器人智能柔性關(guān)節(jié)SCA，解決了機(jī)器人硬件在標(biāo)準(zhǔn)化、集成化及產(chǎn)業(yè)化方面的局限，降低了機(jī)器人準(zhǔn)入門檻、加速產(chǎn)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(jī)器人GR-1是自主研發(fā)，可以商業(yè)化量產(chǎn)的人形機(jī)器人。GR-1擁有高度仿生的軀干構(gòu)型和擬人化的運(yùn)動(dòng)控制，全身最多達(dá)54個(gè)自由度，最大關(guān)節(jié)峰值扭矩達(dá)230N.m，具備快速行走，敏捷避障，穩(wěn)健下坡，抗沖擊干擾等運(yùn)動(dòng)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(lái)源：傅里葉智能官網(wǎng)

內(nèi)置32個(gè)全自研FSA高性能一體化執(zhí)行器（集成電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速器及編碼器），最大峰值扭矩達(dá)230N.m，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)高難動(dòng)作力度和精度的精準(zhǔn)控制。可模擬人類不同運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)頭、扭腰、和抓取、跑步、跳躍等擬人化運(yùn)動(dòng)。

預(yù)計(jì)32個(gè)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(jìn)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(gè)高性能伺服關(guān)節(jié)，Walker X具有41個(gè)高性能伺服關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)并制造具有不同扭矩的伺服驅(qū)動(dòng)器，以便應(yīng)用于不同形狀及大小的服務(wù)機(jī)器人，以使其應(yīng)用于不同行業(yè)。

圖|優(yōu)必選人形機(jī)器人

來(lái)源：優(yōu)必選官網(wǎng)

伺服驅(qū)動(dòng)器集成了高密度無(wú)框力矩電機(jī)、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(lái)源：優(yōu)必選官網(wǎng)

Walker 新一代具備 36 個(gè)高性能伺服關(guān)節(jié)以及力覺(jué)、視覺(jué)、聽覺(jué)、空間知覺(jué)等全方位的感知系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)快速的行走和靈活精準(zhǔn)的操作。

三、總結(jié)

近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床等智能制造和高端裝備領(lǐng)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(dòng)領(lǐng)域廣泛使用的精密減速器。而人形機(jī)器人作為新的增量，未來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外人形機(jī)器人的持續(xù)迭代量產(chǎn)，減速器的成本也將逐漸降低。如果人形機(jī)器人出貨量達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)，將為減速器產(chǎn)業(yè)帶來(lái)近百億的新增量，減速器市場(chǎng)將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。