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人形机器人核心部件:减速机
小韭菜的成长记录
中线波段的小韭菜
2023-07-20 10:11:53

 

人形机器人核心部件:减速机。

首先,对减速机的分类做个介绍。

 

我们经常能听到谐波减速机、RV减速机等名字,但具体派什么用场,以及互相之间有什么差异,可能还有些模糊。减速机是机器人里非常重要的传动部件,成本占比大概有30%,主要用在旋转关节,通过降低电机的转速来起到减速的效果。

简单解释下,无论是哪种减速机,本质都是用小齿轮去带动大齿轮减速,无论刚开始转速有多高,但由于小齿轮转很多圈,大齿轮才转动一圈,自然速度就会下降。

减速机产品种类很多,大体上能分为通用减速机和专用减速机两种,其中专用型减速机的形态结构和运动原理更特殊一些,市场熟知的谐波就属于专用减速机。我们来挨个梳理下各个减速机的原理和特征。

第一是谐波减速机。谐波结构非常简单,就是两个圈,依靠柔轮(椭圆形)和刚轮的啮合来传递动力,特点是精密度很高,体积较小,成本可控,但负载能力比较低。一般用在机器人的小臂、腕部或手部等地方。

第二是RV减速机。RV包含两块结构,行星齿轮+摆线针轮,特点是负载和刚度很高,体积很大,成本自然也会贵一些。一般用在机器人的大臂或肩部位置。

第三是行星减速机。行星结构就类似太阳周边有很多行星在转的感觉,特点是结构紧凑,且转速低、扭矩大,运行就很平稳,但精度会偏低。一般用在机器人腿部位置。

第四是摆线针轮减速机。摆线针轮和行星比较像,特征是承载力会更大,机器人上用的比较少,一般用在矿山、化工等大场景。

整体而言,各个减速机原理相通,但各有优劣势,利用不同减速机的特征差异,会将他们分别放在最合适的环节。

其次,具体看看减速机在机器人里的应用。

人形机器人种类很多,按照驱动方式大致能划分成三类,刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动。

刚性驱动,看名字就知道,转速比较低、精密度比较高,像大家最熟悉的特斯拉和优必选机器人,基本就都是刚性驱动为主。这些机器人用谐波减速机比例会相对较高。

弹性驱动,在刚性基础上增加了弹性缓冲,有点像人类肌肉的作用,帮助机器人在走动或奔跑跳跃时更柔顺。这类驱动对精密度要求更高,依然是谐波减速机最适合。

准直驱驱动,对传动和精度要求不高,对扭矩和平稳性要求很高,一般用在四足机器人上,也就是机械狗们。这类驱动用得最多的是行星减速机。

简单总结,人形机器人用谐波减速机偏多,部分关节会用RV减速机,机械狗等四足机器人用行星减速机偏多,摆针线轮用在工业领域更多一些。

接着,就要讨论下各类减速机的市场规模及竞争格局,这是市场非常关注的。

市场空间最大的是RV减速机,2021年全球大概有17亿美元市场规模,主要是单台价值量很高。一般单台RV减速机要卖到5000-8000元,而谐波是2000-5000元,行星则只有1000元左右。

市场增速最快的是谐波减速机。预计2022-2028年,全球谐波减速机年均复合增速能达到13%,而RV和行星分别是7%和5%,这主要是由于谐波的基数较低。同时,谐波减速机性价比优势很大,在快速崛起的人形机器人领域应用广泛。

市场格局方面,不得不承认,目前全球减速机基本是被海外垄断,尤其是日本和德国。

RV减速机,日本纳博特斯克和住友重工大概能占到接近80%;谐波减速机,日本哈默纳科一家就能占到80%;行星减速机,德国赛威、纽卡特、威腾斯坦等三家企业合计占比35%-40%。

这里补充一点,虽然都是日本厂商,但由于RV和谐波在运动原理和加工精度上有很大不同,因此基本不会有重合。

近几年,国内企业正在快速崛起,一是依托于国内庞大市场,二是确实有性价比优势。

国内RV减速机市场,自主品牌大概能占到30%-40%,环动、秦川、中大等龙头都在进行国产替代;谐波减速机就更明显,绿的一家可能就有40%份额,还是很“争气”的。

国内生产效率高、人工成本低廉是非常明显的。海外厂商如果是在国内有合资建厂的,那发展就会比较快,相当于用国内优势去打国内品牌,而如果是把产能放在海外的,那产能就会慢慢跟不上自主品牌。

总结来看,减速机的竞争格局比较清晰,无论是全球还是国内市场,头部几家厂商基本能占到大部分份额,同时国内企业正处于快速提升份额的过程中。

往后看,人形机器人是国内减速机向上突破的最好机会。

这就有点像燃油车和新能源车的关系,当初国内汽零企业都跟着特斯拉提升了一个台阶。

原先减速机大多用在半导体、航天航空、机床等高端制造业,对性能要求非常高。

现在,以最有希望量产的特斯拉人形机器人为例,其对减速机性能要求下降,反而对性价比要求提升,这就是国内企业的强项。

同时,减速机属于相对重资产行业,扩产周期会比较长。日本哈默纳科等厂商刚刚经历过一波扩产潮,基本都没有新的扩产计划,反观国内绿的等厂商,融资扩产计划频繁,后面人形机器人产业化如果顺利,那在保供方面就有优势。

如果再看得长远一些,国内减速机厂商还可能通过机器人市场优势,慢慢延伸到其他工业领域,比如半导体设备、数控机床、汽车汽配等等,甚至去做全球化市场,当然这个就任重道远。

最后,落实到投资层面。

国内减速机龙头应该都耳熟能详,谐波减速机有绿的谐波、昊志机电、丰立智能等,RV减速机有双环传动、中大力德、秦川机床等,上文都有所提及,不再赘述。

不过要注意的是,虽然国内减速机处于国产替代及快速上升期,我们依然要保持理性客观。一方面特斯拉人形机器人的研发和量产依然有不确定性,另一方面国内零部件厂商都还在送样阶段,是否能成为第一批供应商,需要进一步跟踪。

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