2024年人形机器人行业精密减速器专题报告：人形机器人核心零部件，国内厂商迎来长期成长空间

1. 精密减速器：实现精密控制的核心零部件

1.1. 什么是减速器？

根据兆威机电官网，减速器是一种由封闭在刚性壳内的齿轮传动、蜗杆 传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减 速传动装置。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递 转矩的作用。 减速机齿轮箱内部原理是利用各级齿轮驱动来达到降速的目的，减速 器就是由各级齿轮副组成的。比如用小齿轮带动大齿轮就能达到机械减速 的目的，如果采用多级这样的结构，就能够大大的增加机械的减速作用，增 大扭矩的作用。当电机的输出转速从主动轴输入后，带动小齿轮转动，而小 齿轮带动大齿轮运动，而大齿轮的齿数比小齿轮多，大齿轮的转速比小齿轮 慢，再由大齿轮的轴（输出轴）输出，从而起到输出减速的作用。减速机作 为一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减 速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前机械行中，用来传递动 力与运动的机构中，减速机的应用是广泛的一种。

根据科峰智能招股书，减速器按照使用场景分为伺服（精密控制）用减 速器和一般传动减速器。精密减速器具备体积小、重量轻、精度高、稳定性 强等特点，能够对机械传动实现精准控制，主要用于机器人、新能源设备、 高端机床、电子设备、印刷机械等高端制造领域。一般传动减速器可以分为 通用减速器和专用减速器：通用减速器通常以中小型为主，可广泛应用于各 个行业，包括蜗轮蜗杆减速器、圆柱齿轮减速器等；专用减速器通常以大型、 特大型为主，多为非标、行业专用产品，包括船用齿轮箱、冶金齿轮箱、风 力发电齿轮箱、工程机械齿轮箱等。

1.2. 工业机器人核心零部件，众多性能参数中使用寿命较为关键

我国减速器行业产业链可以分为上中下游三部分：（1）上游为原材料 等，参与者主要为对应的提供商；（2）产业链中游为减速器本体的制造， 参与者为减速器生产商；（3）下游则是具体的应用领域，包括工业机器人、精密机床、工程机械等高端产业。 根据工业机器人制造产业的总成本显示，2022 年我国机器人三大核心 零部件精密减速器、伺服电机、控制器的占比分别为 32%、22%和 12%，核 心零部件制造成本占工业机器人总制造成本的近 70%。精密减速器的性能 直接决定了机器人的整体性能水平。

精密减速器的性能指标可以分为静态特性和动态特性两部分。静态特 性包括：（1）扭转刚度；（2）传动效率；（3）空程；（4）传动误差；（5） 启动扭矩；（6）背隙；（7）传动精度；动态特性包括：（1）固有特征； （2）动力稳定性；（3）动态响应；（4）系统参数。

根据人形机器人联盟，目前减速器精度测试主要采用两种方法：（1） 实验台模拟。在实验台上连续运行，模拟长时间工作负荷，同时运用过载试 验手段来缩减测试时间；（2）实地测试。将减速器直接安装于机器人上， 使其持续运转直至出现失效迹象，此时再进行重复定位，评估减速器精度衰 减情况。此类实地测试的累计运行时间可长达一年，周期较长、测试结果更 为严谨，同时成本消耗更高。

根据昊志机电官网信息，以谐波减速器为例，各项性能参数中使用寿命 是一个综合参数也是最难突破的技术关键点。在减速器的使用寿命评估过 程中，其寿命会因产品的性能需求不同而各异。如在使用条件比较恶劣的 情况下，大多数用户会用耐冲击能力来考量使用寿命，这就对柔轮和柔性轴 承的耐冲击性能要求比较高；对定位精度要求比较高的用户，一般会用精度 寿命来考量使用寿命；对齿隙比较敏感的用户，会用刚度寿命来考量使用寿 命。 （1）耐冲击寿命测试。向谐波减速器施加瞬间允许最大转矩，直至减 速器破坏无法转动，考量减速器的耐冲击次数，它等于使用波发生器的变形 次数。 （2）精度寿命测试。向谐波减速器输出端施加持续的额定负载转矩，输入端以 1000RPM 连续运转，考量不同运转时数之后的传动精度。 （3）刚度寿命测试。向谐波减速器输出端施加持续的额定负载转矩， 输入端以 1000RPM 连续运转，考量不同运转时数之后的减速器扭转刚度值 K1。

在设计合理（特别是齿形设计）的情况下，影响寿命的关键因素主要 有：钢材的选择、材料的热处理工艺、材料的表面处理工艺、润滑脂的选 择。以谐波减速器为例，谐波减速器的三大核心零部件包括柔轮、刚轮和波 发生器，其寿命与这三大零部件息息相关。具体到各大零部件，其性能要求 有：（1）柔轮：材料芯部柔韧，耐冲击，表面（特别是齿面）耐磨，材料 表面具有自润滑功能则更优；（2）刚轮：齿面耐磨，表面具有自润滑功能 则更优；（3）柔性轴承：变形疲劳强度高，耐冲击，表面耐磨，材料表面 具有自润滑功能更优；（4）润滑脂：耐极压，耐摩擦，易渗透易缠绕。

2. 机器人应用中的三大主流精密减速器

2.1. 精密行星减速器：结构简单、速比大，用于机器人的关节

根据摩森电机，精密行星减速器必须搭载的核心传动部件是行星齿轮 组，行星齿轮组的结构与运行原理为：有多个齿轮沿减速机壳体内圈环绕 在一个中心齿轮周围，并且在行星减速机运转工作时，随着中心齿轮的自传， 环绕在周边的几个齿轮也会围绕中心齿轮一起“公转”。

中心齿轮通常被称为“太阳轮”，由输入端伺服电机通过输入轴驱动旋 转；围绕太阳轮的齿轮被称为“行星轮”，其一侧与太阳轮咬合，另一侧与 减速机壳体内壁上的环形内齿圈咬合，承载着由输入轴通过太阳轮传递过 来的转矩动力，并通过输出轴将动力传输到负载端。当太阳轮在伺服电机的 驱动下旋转时，与行星轮的咬合作用促使行星轮产生自转；同时，由于行星 轮又有另外一侧与减速机壳体内壁上的环形内齿圈的咬合，最终在自转驱 动力的作用下，行星轮将沿着与太阳轮旋转相同的方向在环形内齿圈上滚 动，形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动。

精密行星减速器的优点：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、终身免维护等特点。精 密行星减速器的缺点在于：总体应用场景有限。由于结构原因，行星减速器 单级减速最小为 3，最大一般不超过 10，常见减速比为 3、4、5、6、8、10， 减速器级速一般不超过 3，但有部分大减速比定制减速器有 4 级减速。

《工业机器人精密减速器综述》指出，因其高刚性、高精度等特点，精 密行星减速器常被应用于步进电机和伺服电机上，用来降低转速、提升扭矩、匹配惯量。 全球及国内高精度行星减速器的需求量不断增长。全球市场规模方面： 2018-2022 年全球精密行星减速器的市场规模由 9.0 亿美元增长至 12.0 亿美 元，复合增长率为 7.5%，并预计 2023-2029 年全球精密行星减速器市场规 模将从 12.6 亿美元增长至 22.3 亿美元，CAGR 为 10.0%；国内市场规模方 面：2018-2022 年我国精密行星减速器市场规模由 3.0 亿美元提升到 5.0 亿 美元，4 年间复合增长率为 13.6%，预计 2023-2029 年中国精密行星减速器 市场规模将由 5.2 亿美元增长至 11.5 亿美元，CAGR 为 14.1%。

2022 年全球精密行星减速器市场份额前五的厂商分别是新宝/尼得科 传动技术（日本）、纽卡特（德国）、威腾斯坦（德国）、精锐科技（中国 台湾）、科峰智能（中国），销售额市占率分别为 12.9%、10.9%、10.7%、 7.5%、5.4%。2022 年中国精密行星减速器市场份额前五的厂商分别是新宝 /尼得科传动技术（日本）、科峰智能（中国）、纽氏达特（中国）、精锐科 技（中国台湾）、利茗（中国台湾），销售额占比分别为 20.4%、11.7%、 9.4%、7.1%、5.3%。

2.2. RV 减速器：传动比大、刚性强，用于机器人重载荷位置

RV（Rotate Vector）减速器本质上是以摆线针轮行星传动为基础发展而 来的工业机器人用精密减速器。按照行星轮系基本结构，可以将其归类为 2K-V 型行星传动装置。该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。渐开线行星齿轮传动机构中包括行星直 齿轮、偏心轴和中心论，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。 与传统的摆线针轮行星传动相比，RV 减速器具有许多独特优点：（1） 采用两级传动结构，传动比范围比其他结构的减速器更大、传动效率更高。 根据测算 RV 减速器的传动比在 31-171 范围内浮动，同时传动效率可达 85%-92%；（2）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）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提升，传动精度与传动误差得到大幅优化。

绿的谐波招股书显示，RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳 强度较高，并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。但由于 RV 减速器容许力矩负载可达 8000N·m，其重量 重、外形尺寸较大的特性，使其无法向轻便、灵活的轻负载领域发展。此外， RV 减速器零部件数量多、制造和装配难度大，不利于大规模生产。

根据人形机器人联盟公布的信息，RV 减速器技术门槛较高，关键在于 精度控制、长期稳定性、使用寿命和噪音抑制等方面。同时生产 RV 减速器 面临显著的硬件设备门槛，尤其是高精度机床的投入。

RV 减速器因为诸多优点被广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设 备等领域。它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿 命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会 显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用 RV 减速器3，且主 要应用在承载能力超过 20 公斤的重型工业机器人中，例如根据人形机器人 联盟公开信息，一个 6 轴机器人在负载为 20 公斤时通常需要配备 3-4 个 RV 减速器，而承载量更大的搬运机器人中对 RV 减速器的需求则更多。

根据 QY Research 的调研数据显示，RV 减速器在全球的市场规模不断 扩大。其中 2020 年全球 RV 减速器市场规模达到 857.44 百万美元，预计 2027 年将达到 1535.02 百万美元，2021-2027 年复合增长率为 7.74%。根据 华经产业研究数据，2014 年中国 RV 减速器市场规模为 10.82 亿人民币， 2021 年市场规模增长至 42.95 亿元人民币，CAGR 为 21.77%。

根据财联社报道，截止至 2023 年 5 月，国产 RV 减速器国产化率只有 30%左右，提升空间较大。国内已实现 RV 减速器批量生产的有中大力德、 秦川机床、双环传动、巨轮智能等企业，截至 2023 年 5 月，中大力德 RV 减速器年产能约 6 万台，23 年底有望突破 8 万台；秦川机床 RV 减速器设 计产能约为 18 万台，双环传动现有的 RV 减速器年化产能在 10 万台左右， 巨轮智能在 RV 减速器通过 CR 认证之前，初始产能水平为 1 万台。

2.3. 谐波减速器：质量体积小、传动比大，适用轻负载部位

谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，主 要由波发生器、柔轮和刚轮组成。谐波减速器是一种靠波发生器装配上柔性 轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动 力的齿轮传动。 根据科峰智能招股书，谐波减速器是 20 世纪 40 年代伴随着空间科学 技术的发展，基于在弹性薄壳弹性变形理论，应用金属挠性和弹性力学原理 发展起来的一种全新传动形式。1944 年，前苏联首先提出利用机械波控制 柔性构件的弹性变形来实现运动和力矩的传递和转换的一种传动装置，并 于 1947 年制造出了世界第一台采用谐波传动原理的谐波摩擦传动器。1955 年美国提出了谐波齿轮传动机构的概念设计方案，并于 1959 年取得专利授 权。由此开始，谐波齿轮传动技术迅速在前苏联、美国等工业发达国家推广 开来。经日本引入后发展实用化。

谐波传动的优点：运动精度高、传动比大、质量小、体积小、较小的传 动惯量等。最重要的是能在密闭空间内传递运动。其缺点在于谐波齿轮传动 中柔轮每转发生两次椭圆变形，极易引起材料的疲劳损坏，损耗功率大。同 时，其引起的扭转变形角达到 20’-30’甚至更大。受轴承间隙等影响可能 引起 3’-6’的回程误差，不具有自锁功能。4 根据科技日报报道，谐波减速器的技术壁垒高，要实现对谐波减速器 的自主研发和国产，就要突破齿形设计、材料、加工技术、测试评价等方面 的关键技术瓶颈。谐波传动是通过薄壁柔轮变形使齿轮分度圆变成椭圆实 现多齿啮合，提高传动高精度、刚度与承载能力。柔性构件的非线性弹性变 形是齿轮啮合副的精确设计与修形困难，齿面易产生磨损，精度保持性差， 另外柔轮加工工艺性差，在周期交变应力左右下容易发生疲劳断裂，使高精 度与高刚度、高可靠之间的调控成为突出矛盾。因此，谐波传动实现多齿啮 合的原理也对设计及加工制造工艺提出了非常苛刻的技术要求，这也是制 约国产谐波减速器性能提升的主要原因。

由于谐波减速器的质量轻、体积小、传动比大的特性，通常被用于机器 人小臂、腕部或手部等末端轴位置等轻负载的部位。根据谐波减速器行业 龙头哈默纳科公司的公告，2021 年谐波减速器应用场景占比中，工业机器 人下游占比超过 50%，其余应用领域较为分散，具体包括半导体制造设备、 车载、电机齿轮头、机床等等。

根据中商产业研究院的数据，我国谐波减速器市场规模稳步扩大，国产 企业绿的谐波也已位于第一梯队。其中，2019 年我国谐波减速器市场规模 为 13.5 亿元人民币，2022 年达到 21.0 亿元人民币，CAGR 为 15.87%，并 预测 2025 年中国谐波减速器市场规模有望超过 30 亿元人民币，2022-2025 年 CAGR 为 16.49%。2022 年国内谐波减速器市场，哈默纳科占有率最高达到 38%，其次是绿的谐波市占率达到 26%。

全球谐波减速器市场较为集中，哈默纳科一家独大。2020 年全球谐波 减速器市场规模达到 30.4 亿元，考虑到人形机器人的需求，预计 2025 年将 达到 129.1 亿元。根据科峰智能招股书的数据，2021 年全球谐波减速器市 场内主要参与者有哈默纳科、日本新宝、绿的谐波等。其中哈默纳科全球市 场占有率约 82%，绿的谐波占比约 7%，其他厂商占比约 11%。因此，国内 企业绿的谐波在国际谐波减速器市场上已占有一席之地。

根据《机器人用谐波齿轮减速器》（GB/T 30819-2014）国家标准，谐 波减速器的精度等级根据其传动误差分为普通级、精密级和高精密级。在谐 波减速器行业中，日本的哈默纳科、日本新宝等企业技术水平处于行业领先 地位。国际领先的谐波减速器传动精度在 30"以内，传动效率可达到 75% 以上，使用寿命在 1 万小时左右。国内部分企业、研究院通过技术攻关、 生产工艺的改进，研发出的产品在性能和稳定性等方面已能够达到国际先 进水平，打破了国外的技术垄断，对国外品牌进口逐渐形成一定的替代。根 据科技日报，2021 年 4 月重庆大学的机械传动国家重点实验室攻克了谐波 减速器正向设计分析、测试评价体系的共性关键技术，成功研制出高可靠精 密谐波减速器系列化产品，通过产学研合作建立了年产 3 万台以上谐波减 速器系列产品的生产线，实现了工业机器人核心基础部件的国产化，并应用 于先进制造和战略性新兴产业等重要装备，打破了日本在这一领域的垄断。

绿的谐波 2022 年年报提到，目前谐波减速器行业发展的重要趋势是机 电一体化、模块化。机电一体化是指机械、电子、计算机、自动控制等技术 有机结合的综合性技术。现代科技的发展使得机械与电子的融合越来越紧 密，光、机、电、液一体化的趋势越来越明显，机电一体化技术已成为实现 机械工业高效、自动化和柔性化的关键所在，以数控机床、机器人等为代表 的典型机电耦合产品得到越来越广泛的应用。国际谐波减速器厂商提出“整 体运动控制”，将谐波减速器与电机、传感器等组合，提供高附加值模块化 产品，由此成功打开半导体、光学、测量等下游市场。随着工业生产向着高 精密度、人机协作、移动灵活等方向发展，机电一体化作为可以贴合上述发 展趋势的工业技术，在精密传动装置领域的技术路线中也得以越来越广泛 发展。具体应用有：

（1）工业机器人关节。关节是实现机器人行动和执行任务的关键技术 部位，一体化的机器人关节设计是将精密减速器、电机及驱动器、传感器等 组成一个基本的传动单元，可以提高机器人的灵活性，减少制造时间和总体 成本。通过采用模块化关节，拥有标准化的独立工作单元，同时能够与各种 其他部件和系统接口匹配，以创建复杂的机器人系统。

（2）移动机器人旋转关节。移动机器人为实现多自由度，其各个部位 的控制均需在关节处搭载电机，故电机数量较传统工业机械人有大幅提升。 类比工业机器人，“电机+减速器”的集成逐渐成为移动机器人需要大角度 旋转的关节（以下简称“旋转关节”）的主要动力组合。随着移动机器人部 分关节因体积、重量等边界条件限制，需要采用轻量化的技术路径，谐波减 速器凭借体积小、质量小、减速比大、扭矩密度较高、轴向尺寸小等特点以 及能在密闭空间、介质辐射的工况下正常工作等优点，“无框电机+双编码 器+力矩传感器+谐波减速器”这类方案得到越来越多的应用。

3. 精密减速器在人形机器人中的具体应用方案

根据人形机器人联盟官方公众号，应用在人形机器人的主流精密减速 器包括精密行星减速器、谐波减速器和 RV 减速器，由于三类减速器应用 原理、组成结构、特点不同，在机器人应用的细分领域也有一定差异。行星 减速器依托纯齿轮机构运行，通过齿轮间的力矩传递来实现减速效果，因其 高效率与承载能力强，常被应用于并联机械手的驱动系统中。而谐波减速器 则是采用柔轮变形传动机制，适用于负载较小的机器人部件。相较于谐波减 速器，RV 减速器具有更大的负载承受能力，特别适合用作机器人基础关节 的动力传输组件。

根据人形机器人联盟公众号信息，在标准六轴机械人的构造中，通常前 三个关节会采用 RV 减速器，后三个关节则多使用谐波减速器，而在大载重 等级的机器人，所有关节可能都配备 RV 减速器。尽管在六轴机械人中行星 减速器的应用并不普遍，但在轻载荷及高速度需求的并联机械人中应用广 泛。具体的应用案例有特斯拉 Optimus 人形机器人、傅利叶通用人形机器人 GR-1、达闼人形机器人 Cloud Ginger 等。

3.1. 特斯拉人形机器人精密减速器方案

根据与非网，2022 年特斯拉 AI Day 上公布了 Optimus 一代人形机器 人具体细节，包括三种旋转关节和三种线性关节。其中旋转执行模组主要 分为三类：20Nm/0.55kg、110Nm/1.62kg、180Nm/2.26kg。旋转关节主要由 “永磁无刷电机+谐波减速器+双编码器+力矩传感器+轴承+机械离合”这 些核心零部件组成。旋转过程为电机带动转子运动，其动力通过谐波减速器 提升扭矩、降低转速，谐波减速器通过交叉滚子轴承传递相应的力，无接触 力矩传感器负责测量输出扭矩并反馈；输入/输出位置传感器负责测量位置 和速度并反馈。

综上，一个旋转关节需要配置一个谐波减速器，根据特斯拉在 2022 年 AI Day 上公布的资料，一台特斯拉 Optimus 一代人形机器人将在肩、肘、 髋、腰部位应用共计 16 个旋转执行模组，因此对应 16 个谐波减速器。

3.2. 傅利叶通用人形机器人精密减速器方案

根据傅利叶官网，傅利叶通用人形机器人 GR-1 是自主研发、可以商业 化量产的人形机器人。GR-1 拥有高度仿生的躯干构型和拟人化的运动控制， 全身最多达 54 个自由度，最大关节峰值扭矩达 230N.m，具备快速行走、 敏捷避障、稳健上下坡、抗冲击干扰等运动功能，是通用人工智能的理想载 体。 傅利叶通用人形机器人 GR-1 具有高度仿生形态，全身 54 个自由度支 持其模拟人类不同的运动方式，实现转头、扭腰、抓取、跑步、跳跃等拟人 化运动。具体而言，GR-1 在手臂搭载了 7x2 个自由度，7 自由度的冗余设 计，末端运动实现三维空间任意位置、角度；腿部共有 6x2 个自由度，适应 复杂路面地形；头部和腰部各有 3 个自由度，实现头部和腰部的俯仰、侧 摆、旋转等运动；在灵巧手部位搭载了 11×2 自由度，仿人手设计，实现各 种抓握方式。 每 1 个自由度对应 1 个伺服关节，傅利叶通用人形机器人搭载自研高 性能 FSA 一体化执行器（集成电机、驱动器、减速器及编码器），最大峰 值扭矩达230N.m，高动态响应能力，实现高难动作力度和精度的精准控制。人形机器人联盟公布的信息显示，傅利叶机器人上半身选择使用谐波减速 器，下半身髋关节则采用行星减速器。

3.3. 达闼人形机器人 Cloud Ginger 精密减速器方案

根据达闼官网，达闼人形机器人 Cloud Ginger 一代采用 34 个智能柔性 执行器遍布颈、肩、肘、腕、手、腰、膝、底盘，能完成智能抓取、自主行 走、自动避障、自动平衡等功能。Cloud Ginger2.0 核心能力提升，并且搭载 达闼自研的第二代高集成化、高性能的智能柔性执行器 SCA2.0。 SCA 集成新型伺服电机、底层伺服驱动、高精度编码器、高精度减速 器于一体，体积仅为传统伺服系统的十分之一，具备高度集成、总线控制、 大扭矩输出、低成本、体积小及易使用性等特点，是大多数机器人最核心的 运动关节执行器。

目前达闼机器人旗下的 MINTASCA 智能执行器全系列产品主要分为 五个系列，分别为采用谐波减速器的 QDD Pro 系列、采用钢齿材料行星减 速器的 QDD Plus 系列、采用铝合金材料行星减速器的 QDD 系列、采用复 合材料行星减速器的 QDD Lite 系列和无减速器的 DD 系列。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）