2023年精密减速器行业分析：人形机器人孕育下的蓝海市场

1 减速器为工业机器人核心零部件，成本占比 30%

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，可以分 为通用、专用两大类。通用减速器的规格以中小型为主，模块化、系列化，可广泛应用于各 个行业，例如化工、橡胶、塑料等，代表公司为 SEW、西门子、国茂股份、宁波东力，专 用减速器规格以大型、特大型为主，多为非标、行业专用产品，例如用在机器人、工程机械、 石油开采设备、环保、冶金等领域，代表公司包括中国高速传动、杭齿前进、重齿等，其中 机器人领域专用精密减速器精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，代表公司包括哈默纳科、 纳博特斯克、绿的谐波、双环传动等。

减速器为机器人的核心零部件，价值量占比 30-40%，进入壁垒高，为机器人行业的优 质投资赛道。工业机器人核心零部件主要包括减速器、伺服系统和控制器，从成本结构来看， 根据维科网机器人，减速器成本最高，占比 35%，伺服系统占 20%，控制器占 15%；毛利 率方面，成本占比最高的减速器毛利率也最高，毛利率高达 40%，其次是伺服系统（30%） 和控制器（30%）。

精密减速器主要用于机器人各个关节，负责将伺服电机输出的高速运转动力转化为低转 速、高转矩的运动，决定机器人的精度和负载。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。精密减速器精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、 数控机床等高端领域，包括谐波减速器、RV 减速器、行星减速器、摆线针轮行星减速器等， 其中应用最广泛的是用于重负载转传动的 RV 减速器和用于轻负载传动的谐波减速器。评价 精密减速器的技术指标包括：减速比、转矩参数、寿命、背隙、空程、传动精度、传动误差 等。

我国 RV 减速器产业化起步较晚，处于技术追赶阶段。回顾国内外 RV 减速器的发展历 程，1926 年德国的 Lorenz Blanc 提出针摆行星传动，经过住友引进、摆线磨床的成功研制， 日本帝人精机 1980 年提出 RV 传动理论，1986 年帝人精机 RV 减速器投入市场，并持续更 新迭代，目前向轻量化、高功率密度、高性能的方向发展；我国在 1960 年代引入针摆传动， 80 年代末开始 RV 理论研究，21 世纪初实现产业化，整体处于技术追赶的阶段。

我国谐波减速器的发展历程相对较快，从跟跑进入并跑阶段。 1955 年美国发明家 C.W.Musser 发明谐波传动，1964 年引入日本开始进行产业化研究和生产，此后不断更新迭 代，实现轴向长度的缩短、负载能力的提升、重量的减少等；1961 年谐波传动引入我国， 1962 年第一台谐波减速器研制成功，1993 年后以绿的谐波为首的国产谐波减速器企业逐步 实现了产业化。

2 机器人常用精密减速器包括谐波、RV、精密行星三种

2.1 精密行星减速器：结构简单，减速比较低

行星减速器结构简单，减速比较低。精密行星减速器结构较为简单，主要包括行星轮、 太阳轮和内齿圈。精密行星减速器一级传动比一般在 10 以内，且减速级数一般不会超过 3 级，刚性较高，主要搭配步进电机和伺服电机，用以降低转速，提升扭矩。 从生产流程来看，行星减速器的制造流程主要包括毛坯加工、热处理、装配等，壁垒主 要体现在齿形加工以及热处理环节，制造壁垒低于谐波和 RV 减速器。

全球精密行星减速器市场规模 12 亿美元，我国 5 亿美元。根据 QY Research，2022 年全球行星减速器销量为 540.1 万台，销售金额为 12.0 亿美元，其中中国境内销量为 231.9 万台，销售金额为 5 亿美元，预计 2029 年全球行星减速器销售规模达 22.3 亿美元，中国市 场规模达 11.5 亿美元。 根据 QY Research，全球精密行星减速器市场的主要供应商包括日本新宝、纽卡特、威 腾斯坦等，2022 年全球市场占有率分别为 12.9%、10.9%、10.7%；中国精密行星减速器市 场的主要供应商包括日本新宝、科峰智能、纽氏达特等，2022年中国市场占有率分别为 20.4%、 11.7%、9.4%。

2.2 谐波减速器：结构简单，减速比高，传动精度和传动效率高

谐波减速器主要由 3个基本部件构成：刚轮、柔轮、谐波发生器。可固定其中的任意一 个，其余 2 个可分别连接输入（主动）、输出（从动），以实现减速或增速。 刚轮：是一个加工有连接孔的刚性内齿圈，其齿数比柔轮略多（一般多 2 齿或 4 齿）。 通常用于减速器安装和固定，在超薄形或微型减速器上，刚轮一般与交叉滚子轴承设计成一 体，构成减速器单元。 柔轮：是一个可产生较大变形的薄壁金属弹性体，有水杯、礼帽、薄饼等形状。柔轮通 过外齿圈与刚轮啮合，通常用来连接输出轴。谐波减速器中波发生器转动一周时，柔轮向相 反方向转过两个齿的角度。 谐波发生器：其内侧是一个椭圆形的凸轮，凸轮的外圆套有一个能弹性变形的柔性薄壁 轴承，轴承外圈与柔轮外齿圈的内侧接触。凸轮装入轴承内圈后，轴承、柔轮均变成椭圆形， 并使椭圆长轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全啮合，短轴附近的柔轮齿与刚轮齿完全脱开。凸轮 通常与输入轴连接，旋转时可使柔轮齿与刚轮齿的啮合位置不断改变。

谐波减速器传动原理：通过具有柔性的薄壁外 齿轮产生弹性变形后与刚性的内齿轮 进行内啮合来实现传动。其通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，当波发生器 装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿 槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态，当波发生器连 续转动时，迫使柔轮不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。

根据《ABB 工业机器人应用技术全集》，谐波减速器的主要特点： 1）承载能力较强，传动精度高。谐波齿轮传动装置有两个 180°对称方向的部位同时 啮合，其同时啮合齿数可达 30%以上，齿距误差和累积齿距误差可得到较好的均化，传动误 差比普通齿轮传动装置小。 2）减速比大，传动效率较高。谐波齿轮传动的基本减速比为 30-320，额定负载输出时 的传动效率可达 65%-96%，均大于普通齿轮传动装置。3）结构简单，体积小，重量轻，寿命长。只有 3 个基本部件，体积、重量大致为普通 齿轮传动装置的 1/3 左右。此外，在传动过程中，柔轮齿只进行均匀的径向移动，齿间相对 滑移速度只有普通渐开线齿轮传动的 1%左右。加上啮合的齿数多、轮齿单位面积的载荷小、 运动无冲击，因此齿磨损较小，使用寿命可长达 7000h 以上。 4）传动平稳，无冲击，噪声小。可通过特殊的齿形设计使柔轮和刚轮的啮合、退出过 程实现连续渐进、渐出，齿面滑移速度无突变，其传动平稳，啮合无冲击，运行噪声小。 5）间隙小，安装调整方便。谐波减速器的柔轮和刚轮啮合间隙可通过微量改变谐波发 生器的外径调整，做到无侧隙啮合。

谐波减速器生产的关键在于柔轮，柔轮转动过程中会发生椭圆变形，对材料和制造工艺 要求高。谐波减速器内部的柔轮将会在转动的过程中每转发生两次椭圆变形，椭圆变形的存 在将使得柔轮极易发生疲劳损坏且损耗功率较大，因而谐波减速器对材料的材质、抗疲劳强 度及加工精度、热处理的要求均很高，制造工艺较复杂。

2.3 RV 减速器：减速比高，结构复杂，主要用于重负载部位

RV 减速器是以摆线针轮行星传动为基础发展而来的。RV 减速器主要包括两级传动装置， 分别为渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动。行星齿轮传动机构中包括行星齿轮、偏心 轴和中心轮，摆线针轮行星传动机构中包括摆线轮、偏心轴、针齿和行星架。

根据《ABB 工业机器人应用技术全集》，RV 减速器的主要特点： 1）减速比范围大，传动效率高。RV 减速器采用两级传动结构，故其传动比的范围较其 他结构的减速器更大，传动效率更高。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%。 2）平稳性好，承载能力强。RV 减速器低速级摆线轮结构为 180°对称分布，使得摆线 轮的结构受力均匀、啮合次数增加，提高了减速器传动的平稳性和减速器的承载能力。 3）刚性好，传动精度高。RV 减速器采用两端支撑的输出结构，相比普通的摆线减速 器，其刚性和耐过载冲击性能得到大幅度提升，传动精度与传动误差得到大幅优化。 相比于谐波减速器来说，RV 减速器结构复杂，零部件种类和数量更多，更考验零部件 的加工工艺和装配能力。

谐波减速器主要用于工业机器人轻负载部位，RV 减速器主要用于重负载部位，互为补 充。在工业机器人领域，谐波减速器一般在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。 RV 减速器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。

3 精密减速器壁垒高，体现在材料、设计、加工等多方面

精密减速器的制造难点体现在材料、齿形设计/修形、齿形加工、热处理、零部件装配、 测试、批量生产等多方面。与国外先进产品相比，国产机器人精密减速器主要差距在精度寿 命和传动效率，此外，国产产品质量参差不齐、性能不够稳定等问题也有待改善。 ①材料：减速器材料一般使用合金钢，高性能材料优选是关键。球墨铸铁是指铁液在凝 固过程中碳以球型石墨析出的铸铁，与钢材相比，球墨铸铁成本相对较低，但是基体组织粗 大，力学性能欠佳。柔轮作为减速器的核心部件之一，目前国内外主要采用 40CrMoNiA、 40CrA、30CrMoNiA、38Cr2Mo2VA 等中碳合金钢。

②齿形设计：齿形设计/修形为核心。谐波减速器的柔轮和刚轮的齿形通常采用渐开线， 渐开线谐波齿轮传动啮合参数合理选择所应遵循的基本原则是：在保证传动不发生啮合干涉 的前提下，获得较大的啮入深度和啮合区，且保证有合理的啮合侧隙。齿轮齿形修形能提高 齿轮传动工作的平稳性、降低动载荷和噪声。例如绿的谐波在传统谐波传动的理论基础上提 出了基于曲面几何映射的非共轭谐波啮合齿形设计方法，发明了全新的“P 型齿”结构，与 国外主流齿形技术路线实现了差异化（哈默纳科采用 IH 形齿轮结构）。

③齿形加工：齿轮的加工制造包括慢走丝/滚插磨齿两大类型工艺，滚插磨齿较为常用。 慢走丝工艺使用的线切割机是采取线电极连续供丝的方式，加工精度较高，但是因其多次切 割技术的应用，导致生产效率低，更适合运用在产品的打样阶段。滚齿工艺运用展成法原理 用滚刀来加工齿轮，相当于一对交错螺旋轮啮合，插齿则是用插齿刀按展成法或成形法加工 内、外齿轮或齿条等的齿面，磨齿属于齿形的精加工方法。目前我国高端关键精密加工设备 仍然依赖进口。

④热处理为关键工序，目的在于增加材料硬度和韧性以便切削加工。热处理的方法包括 表面淬火、渗碳淬火、调质等，选定合适的淬火介质和制定合适的热处理工艺以达到要求的 显微组织、力学性能及热处理变形等要求是关键所在。热处理目的：增加材料硬度方便公司 切削加工，磨削要保持足够硬度，提高硬度的同时保证组织足够的韧性，金相组织要达到要 求，从而保证精度。 ⑤装配环节依赖人工，直接影响减速器的精度。由于减速器的零部件的种类较多、大小 不一，因此目前装配这一环节仍然依赖于人工，经验丰富的老师傅更具有优势。例如 RV 的 摆线轮、曲轴、针齿壳等零部件精度要求很高，只有几微米，而温度会对零部件产生热胀冷 缩影响，因此装配环节直接影响减速器最后的精度。 ⑥检测测试环节检测减速器寿命、传动精度、刚性等各种性能，有助于提升产品的一致 性可靠性，负载测试为难点。利用检测装置，检测减速器寿命、传动精度、刚性等各种性能， 其中负载测试的测试成本大，对装备要求较高。测试有助于提升产品的一致性、可靠性。 ⑦批量生产的一致性和稳定性。目前国产减速器厂商的产能和产量大多数在 10 万台以 下，未来大批量生产后如何保证生产的一致性和稳定性也是较大的难点。

4 供需缺口、技术提升、国产替代，国产减速器迎来破局 时刻

4.1 人形机器人常用谐波和行星减速器方案，市场空间超百亿

在工业机器人领域，谐波减速器一般应用在机器人的手臂、腕部或手部关节。1）六轴 多关节机器人一般需要搭配 6 台精密减速器，其中负载 10kg 以下机器人主要使用谐波减速 器；10-20kg 及更高负载的机器人小臂、手腕关节可以采用谐波减速器；负载 30kg 以上的， 在其轻负荷的末端关节上也能够使用谐波减速器；2）协作机器人全部关节使用谐波减速器， 一般使用 6-7 个谐波减速器；3）SCARA 机器人一般使用 2-3 台谐波减速器；4）DELTA 机 器人一般使用 3 台谐波减速器。

工业机器人领域谐波减速器需求测算：假设每台工业机器人平均所需谐波减速器数量为 3.5 台，根据绿的谐波招股说明书 2019 年绿的谐波的谐波减速器单价 1632 元/台，测算按照 单价 1500 元/台，则： 1）国际市场：根据 IFR，2022 年全球工业机器人安装量 55.3 万台，预计 2025 年达到 66.2 万台，则 2022 年全球工业机器人用谐波减速器的需求量为 194 万台，测算 2022 年全 球工业机器人用谐波减速器市场规模 29亿元，预计到 2025 年达到 35亿元，2021-2025 年 CAGR=11.2%。 2）国内市场：根据 MIR，2022 年我国工业机器人出货量 28.2 万台，预计 2025 年达到 43.6 万台，则 2022 年我国工业机器人用谐波减速器的需求量为 99 万台，测算 2022 年我国 工业机器人用谐波减速器市场规模 15 亿元，预计到 2025 年达到 23 亿元，2021-2025 年 CAGR=20.5%。

在工业机器人领域，RV 减速器一般应用在多关节机器人中机座、大臂、肩部等重负载 的位置。六轴多关节机器人一般需要搭配 2-4 台 RV 减速器。

工业机器人领域 RV 减速器需求测算：假设每台工业机器人平均所需 RV 减速器数量为 2 台，根据绿的谐波招股说明书 RV 减速器单价 5000-8000 元/台，测算按照单价 5000 元/ 台，则： 1）国际市场：根据 IFR，2022 年全球工业机器人安装量 55.3 万台，预计 2025 年达到 66.2 万台，则 2022 年全球工业机器人用 RV 减速器的需求量为 111 万台，测算 2022 年全 球工业机器人用 RV 减速器市场规模 55亿元，预计到 2025 年达到 66亿元，2021-2025 年 CAGR=11.2%。 2）国内市场：根据 MIR，2022 年我国工业机器人出货量 28.2 万台，预计 2025 年达到 43.6 万台，则 2022 年我国工业机器人用 RV 减速器的需求量为 56 万台，测算 2022 年我国 工业机器人用 RV 减速器市场规模 28 亿元，预计到 2025 年达到 44 亿元，2021-2025 年 CAGR=20.5%。

特斯拉、小米、小鹏等相继发布人形机器人，特斯拉旋转关节目前采用谐波减速器方案， 国产人形机器人多采用谐波+行星减速器方案。谐波减速器的优势在于体积小、精度高，多 用于手臂等关节，行星的方案优势在于刚性强，但是体积大、重量，多用于腿部、髋部等关 节。 1）2022 年 9 月底举办的特斯拉 AI DAY 上，马斯克公开了了人形机器人 Optimus 原型 机， Optimus 身体拥有 28 个关节，使用两种方案：基于无框力矩电机+谐波减速器的旋转 关节，基于无框力矩电机+行星滚柱丝杠的线性关节。 2）2022 年 8 月，雷军正式发布 CyberOne 人形机器人，CyberOne 全身 13 个关节， 使用谐波减速器和行星减速器结合的方案。 3）2023 年 8 月，宇树发布 H1 通用人形机器人，关节使用谐波减速器和行星减速器结 合的方案。 4）2023 年 10 月，小鹏发布 PX5 人形机器人，双手双腿总计 16 个自由度，关节使用 谐波减速器和行星减速器结合的方案。

人形机器人减速器市场空间测算：2022 年 9 月特斯拉 AI Day 马斯克称特斯拉 Optimus 有望在 3-5 年时间内交付，产量可以达到数百万台，假设 2030 年乐观/中性/悲观情况下人形 机器人需求量分别为 200/100/50 万台： 1）谐波减速器-身体：不同人形机器人采用不同的关节设计方案，单台对谐波减速器的 需求不同，以特斯拉 Optimus 为例，假设单台人形机器人身体谐波减速器需求为 14 个，单 价从 1000 元下降到 600 元，2030 年乐观/中性/悲观情况下对应谐波减速器市场空间分别为 168/84/42 亿元。 2）谐波减速器-手部：根据哈默纳克 2023 年公开电话会议，假设机器人有 5 个手指， 单手指对应微型谐波减速器 3 个，一台机器人对应 30 个，单价从 1000 元下降到 600 元， 但是该方案成本目前成本远高于行星齿轮箱，假设未来渗透率 10%，则 2030 年乐观/中性/ 悲观情况下对应微型谐波减速器市场空间分别为 36/18/9 亿元。 3）行星减速器：假设单台人形机器人行星减速器需求为 4 个（双腿各 1 个+髋部 2 个）， 单价从 500 元下降到 200 元，2030 年乐观/中性/悲观情况下对应行星减速器市场空间分别为 16/8/4 亿元。

4.2 精密减速器供需缺口增加，国产企业迎发展机遇

按照中期人形机器人出货量 100 万台、单台机器人对应 14 个谐波减速器简单测算，减 速器市场需求为 1400 万台，但目前市场供给不足，全球龙头哈默纳科目前产能 198 万台/ 年、国内绿的谐波当前以及规划产能共计 159 台万/年，供需缺口巨大，国产减速器机会到 来。减速器技术壁垒高，海外头部厂商具备先发优势，国产厂商近年加速追赶且持续技术突 破，绿的谐波、环动科技优秀公司涌现。同时，考虑人形机器人量产，相较于海外减速器厂 商，国内供应链企业具备成本与效率显著优势，在人形机器人持续放量的远期，国内精密减 速器厂商有望破局突围。 国内厂商积极扩产应对下游需求增长。在传统工业领域，除了工业机器人增长带动谐波 减速器需求增长，机床的四五轴、半导体等领域同样有精密减速器需求。国产企业扩产较为 积极：1）绿的谐波 2022 年谐波减速器产能达到 27 万台，募投项目 2023 年达产后，预计 谐波减速器产能达到 59 万台；定增项目预计于 2027 达产，届时谐波减速器产能合计达到 159 万台，机电一体化产品产能达到 20 万台；2）双环传动 2022 年产能 10-12 万台，2023 年中 15 万台左右；3）国茂股份谐波减速器产能 3 万台左右，并且计划收购精密减速器厂商 摩多利；4）秦川机床 RV 减速器产能 6-9 万台；5）中大力德 RV 减速器产能 8 万台，谐波 减速器产能 5 万台，行星减速器产能规划 80-100 万台。

以哈默纳科为代表的日企扩产较为谨慎。公司谐波减速器由日本穗高工厂、日本有明工 厂、美国 Peabody 工厂以及德国 Limburg 工厂负责生产，截至 2023 年 3 月底非车载减速器 产能分别为 9 万台/月、4 万台/月、2.7 万台/月、0.8 万台/月，加总产能为 16.5 万台/月，即 198 万台/年。

Nabtesco 精密减速器产能有序扩张。Nabtesco 精密减速器业务目前有 3 个工厂—日本 Tsu 工厂、中国常州工厂、日本滨松新工厂，截至 2023 年 Q2 精密减速齿轮业务产能 106 万台（日本 Tsu 工厂 17 万台+中国常州工厂 89 万台）。为了进一步应对少人化、自动化的生 产需求，纳博特斯克公司在滨松市第三都田地区建设精密减速机新工厂，第一期工程于 2023 年 9 月竣工，产能 120 万台/年（截止到 2030 年）。

4.3 国产精密减速器厂商技术提升，国产替代进行时

国产减速器厂商技术水平不断提升。由于减速器较高的技术壁垒，国产厂商尽管不具备 先发优势，但是在国产化的推动下也实现了一定的技术突破，庞大的国产市场培育了绿的谐 波、环动科技等优势减速器公司，例如绿的谐波跳开了传统的渐开线理论，发明了全新的“P 型齿”，大幅提升了谐波减速器的输出效率和承载扭矩，产品背隙、双向传动精度、重复定 位精度等关键性能均达到国内领先水平，额定寿命大幅提高；并且公司研发应用的三次谐波 技术，可进一步增强新一代谐波减速器适应不同使用下游行业场景能力，提高产品竞争力。 国产减速器厂商具备成本优势。由于精密减速器目前装配仍然依赖人工环节，人工成本 在成本中占到 20-30%的比例，国产厂商具备人工成本优势，并且磨齿机、插齿机等国产设 备厂商技术实力也不断提升，制造费用有望进一步下降，国产减速器厂商成本优势明显。

哈默纳科市占率领先，绿的谐波率先突围。根据 GGII，哈默纳科谐波减速器全球市占 率在 80%。国产谐波减速器企业主要包括绿的谐波、来福谐波等，国产减速器厂商技术水平 不断接近海外龙头，凭借成本与交付周期优势，正在加速实现国产替代。根据 GGII，2021 年我国机器人用谐波减速器市场中，哈默纳科市占率约为 35%，其次为绿的谐波，市占率约 为 25%，第三为来福，市占率为 8%。

纳博特斯克全球市占率 60%，国产厂商快速追赶。国产 RV 减速器企业主要包括双环、 珠海飞马、中大力德、南通振康等，根据 GGII，2021 年我国机器人用 RV 减速器市场中， 纳博特斯克市占率约为 52%，其次为双环传动，市占率约为 15%，第三为日本住友，市占 率为 5%，其次珠海飞马和中大力德市占率分别在 4%左右。

编辑：火腿肠