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人形机器人关键减速器全解析
糖芯儿 / 今天12:56 发布
当前特斯拉人形机器人量产在即。根据马斯克在最新连线采访中的规划，特斯拉人形机器人Optimus的产量目标如下： 2025年：生产数千台Optimus人形机器人，这些机器人将在特斯拉工厂内进行初步测试。
2026年：如果一切进展顺利，特斯拉计划将Optimus人形机器人的产量提高至2025年的10倍，即生产5万到10万台。
2027年：计划将产量再次提高至2026年的10倍，即生产50万到100万台。
此外英伟达和OpenAI等巨头也开始下场进入人形机器人赛道。 英伟达在今年的CES国际消费电子展上携14款人形机器人亮相，其中6款来自中国，包括智元远征A2、星动纪元Star1、银河通用G1、宇树H1及小鹏Iron等。英伟达还计划在2025年上半年推出最新一代的人形机器人紧凑型计算机——Jetson Thor，旨在为人形机器人提供强大的计算平台。 OpenAI近期正式官宣加入实体机器人赛道，当前正在招聘硬件环节电气工程传感工程师、实体机器人机械设计工程师等关键岗位的人才。 当前特斯拉Optimus硬件方案相对明确，全身包含28个执行器，分旋转执行器和线性执行器2大类型6种规格。其中旋转执行器采用“电机+精密减速器”结构，线性执行器采用“电机+滚柱丝杠结构”。 减速器、电机、丝杠、传感器等核心零部件环节在Optimus的成本中占比较高，是具有较高价值的环节，值得重点关注。 本文重点梳理人形机器人核心减速器三大环节：谐波减速器、行星减速器和RV减速器。 减速器行业概览 减速器上游包括原材料供应，如铜材、钢材等金属材料，以及轴承、箱体等零部件和生产设备。 中游生产制造核心环节包含通用减速器、专用减速器和精密减速器等不同类型的减速器产品，这一核心环节汇聚了众多专业减速器生产企业，如国内各环节头部代表厂商绿的谐波、双环传动、中大力德等。 减速器主要分为三种类型：谐波减速器、行星减速器和RV减速器。 关节传动：在人形机器人的关节部位，如肘关节、腕关节等，减速器被广泛应用以实现精确的传动和控制。例如，谐波减速器因其体积小、重量轻、传动比大等特点，常被用于这些需要精细操作的部位。 集成应用：行星减速器等类型的减速器被集成于伺服电机、步进电机等执行机构中，以实现更紧凑、高效的传动系统减速器制造整体是“系统工程”。 负载支撑：对于负载较大的关节部位，如腿部、腰部和肘部等，RV减速器因其较高的承载能力和稳定性而被广泛采用。 整体来看，谐波方案传动比大、体积小；行星方案体积小、寿命高；RV方案精度高、疲劳强度高。 人形机器人躯干执行器通常有旋转执行器和线性执行器两类，其中旋转执行器的合作更为普遍，许多机器人本体甚至采用全旋转执行器的方案。 特斯拉在AIDAY上展示了六种躯干执行器，其中旋转执行器分别有20Nm/110Nm/180Nm三种力矩等级，对应小/中/大三种功率。 根据特斯拉、智元、宇树、傅利叶、优必选的人形机器人减速器方案，各厂商基于不同减速器的特征、成本等因素的考量，采用不同的减速器方案。 以特斯拉-OptimusGen2为例，选择旋转关节均使用谐波减速器，灵巧手（单只）带有6个自由度，腿部和手臂分别有超过5个自由度；整体大约需要14个谐波减速器。 优必选人形机器人主要采用谐波减速器，同时自研谐波+行星减速器；智元远征A1机器人采用谐波一体关节，以及自研带行星减速器的关节电机；宇树自研自产G1的关节模组，共有3种类别，带双编码器的行星减速器关节模组最大瞬时扭矩140Nm；傅利叶人形机器人采用谐波+行星减速器方案。 整体来看，在人形机器人精密减速器中，谐波减速器因优秀的性能成为首选，行星减速器则作为谐波减速器的有效补充方案在某些场景下得以应用。 01
谐波减速器
谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大零部件组成。通过柔轮变形产生的周期性波动来实现刚轮轮齿与柔轮轮齿之间的少齿差内啮合，从而完成运动与动力的传递。 柔轮：是谐波减速器核心部件，其外齿与钢轮内齿不断进行啮入、啮合、啮出和脱开的往复循环。其采用40Cr合金钢制造，例如40CrMoNiA、40CrA，目前柔轮材料大多依赖从国外进口。国内厂商方面，翔楼新材料精密冷轧和热处理领域核心技术引领国产替代。目前其谐波减速器柔轮材料已经送样给绿的谐波，是国内唯一一家通过绿的谐波产品检验并进入验厂环节的柔轮材料供应商。 刚轮：多采用球墨铸铁制造，能够提供良好的韧性、耐磨性。 波发生器：由柔性轴承与椭圆形凸轮组成，目前国内谐波减速器厂商已经开始加速轴承的国产化进程，以绿的谐波为例，其谐波减速器用轴承以自产为主，外购轴承主要为特定型号的深沟球轴承。 产业壁垒较方面来看，谐波减速器生产壁垒较高，技术、设备与人员均存在难点。 谐波传动技术包括总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿形、波发生器等多个分支，从专利申请数量的角度来看，总体结构、波发生器等是谐波减速器技术的研发重点。 竞争格局方面，谐波减速器呈现寡头垄断高度集中的格局。 全球份额比国内市场更集中，日本哈默纳科是谐波减速器全球和国内的最大供应商，在谐波减速器领域长期保持领先地位。 目前国产谐波减速器已基本可以实现国产替代，绿的谐波市场份额仅次于哈默纳克并率先打破海外厂商垄断局面。 国内同川科技也自主研发出具有完全自主知识产权的谐波减速器，并已实现批量生产。汉宇集团通过收购同川科技，涉足谐波减速器领域。 昊志机电在谐波减速器领域形成了完整的产品族谱，已经攻克了齿形设计、凸轮廓设计、齿轮表面处理等关键技术，建立了谐波减速器测试标准及检测体系，其谐波减速器产品也包含波发生器这一关键部件。 来福谐波的产品线覆盖全面，包括谐波减速器、关节模组及精密零部件三大板块，其中波发生器作为谐波减速器的核心部件，也是来福谐波的重要产品之一。 大族激光旗下子公司杉川谐波拥有自主研发能力和先进的生产技术，已自研生产了多个系列的谐波减速器产品，包括HMCS、HMHD、HMHS、HMCD等四大系列，共200余款谐波减速器，产品在传动效率和精度保持性和寿命等方面均达到了国际先进水平。
02精密行星减速器
行星减速器具有高精度传动的特点，其齿轮啮合紧密，摩擦损失小，能够减小齿轮系的传动误差，提高机器人的运动精度。行星减速器常主要为人形机器人的关节提供动力支持。 例如，在机器人的腿部、髋部等关键部位，行星减速器能够确保机器人在执行行走、跳跃等复杂动作时拥有足够的动力和稳定性。 行星减速器的结构主要包括中心太阳轮、行星齿轮、内齿圈。 工作时中心太阳轮驱动内部受力旋转，带动行星齿轮在内齿圈轨道内进行旋转，依赖齿轮之间的啮合来实现转速的减小，行星架作为输出轴，将减速后的运动传递给负载。 精密行星减速器对生产过程的工艺及核心技术掌握及产品设计研发能力要求较高。 头部厂商往往具备两方面优势并保证其市场地位：一是设计能力壁垒，包括模块化、结构、强度、精度等方面的设计能力；二是工艺技术能力壁垒，新进入者的专职工艺技术人员经验不足、人员欠缺。 国际领先的单级精密行星减速器的精度可在1′以内，保持高精度的稳定使用寿命达到2万小时，且产品一致性较高。 精密行星减速器供给格局相对更分散，全球CR3接近40%左右。 相对谐波减速器，行星减速器市场技术门槛相对较低，各家行星减速器的可选尺寸范围较大，从性能角度来看，国内厂商与海外厂商产品并无显著差距。 由于市场竞争较为激烈，因此并没有明显的市场主导企业。 全球主要是日本新宝、纽卡特等国外巨头，国内科峰智能市场份额约5%左右；三大龙头日本新宝、科峰智能、纽氏达特整体份额可以占到45%左右，中大力德、精锐机电、宁波东力等厂商也在行星减速器领域有所布局。 03 RV 减速器
RV减速器结构和制造工艺复杂，相较于谐波减速器具有更高的技术和投资门槛。尽管国内一些企业已经能够批量生产RV减速器，但整体来在这一领域核心技术尚未完全掌握。 当前本土RV减速器品牌主要仍聚焦在本土机器人品牌的中低端和中低负载产品系列。 市场格局方面，国内RV减速器相对集中，两大龙头占据超过一半市场份额。 国产RV减速器已实现初步的国产替代，除双环传动外，珠海飞马、智同科技、中大力德、南通振康、秦川机床、六环传动等也是该领域具有实力的厂商。 目前我国超100家本土企业涉足精密减速器生产，企业数量逐渐增多，且技术和研发实力逐步提升。后续在主机厂降本诉求以及合作响应需求下，国产替代有望趋势逐渐明晰。 从长期视角观察，随着特斯拉人形机器人量产在即，产业趋势明确，后续有望大幅提升核心零部件的需求，从而进一步带动国内厂商渗透率和市场份额提升。乐晴智库精选
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