人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——減速器

Feb.

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2024.02

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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自由度的可主動控制脖子，使用了更快、具備11個自由度的新靈巧手，特斯拉人形機(jī)器人預(yù)計總共40個自由度關(guān)節(jié)。優(yōu)必選人形采用41個自由度關(guān)節(jié)，傅里葉智能采用54個自由度，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)帶來較大的市場增量。

今天，筆者就來和大家一起來學(xué)習(xí)研究人形機(jī)器人所用的精密減速器分類和市場空間情況。

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一、精密減速器介紹

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、精確地完成動作。通常來說，減速器數(shù)量越多，關(guān)節(jié)越多，機(jī)器人的行動越靈活。

圖|減速器原理

來源：IOT 大數(shù)據(jù)

2、減速器分類

減速器是連接動力源和執(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減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機(jī)械設(shè)備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，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，通過其與剛輪的相互作用， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力傳遞的傳動裝置。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)生器三個基本構(gòu)件組成。單臺價值量可達(dá)1000-1500元/臺。

圖|諧波減速器實(shí)物圖

來源：與非研究院

圖|諧波減速器拆解示意圖

來源：與非研究院

其工作原理通常采用波發(fā)生器主動、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，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長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)動時，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯齒運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動傳遞。

圖|諧波減速器運(yùn)行示意圖

來源：綠的諧波招股書

4、RV減速器

RV減速器又稱高精密擺線行星減速器，由一個行星齒輪減速機(jī)的前級和一個擺線針輪減速機(jī)的后級組成。此減器機(jī)具有高精度、大速比、高剛性、高過負(fù)載及長壽命特點(diǎn)，且具有振動小，噪音低，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的減速機(jī)之一。單臺價值量可達(dá) 5000-8000 元/臺。

圖|RV減速器示意圖

來源：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同心圓做運(yùn)動，圓柱、齒輪的循環(huán)運(yùn)動類似于太陽系中的行星運(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)，成本相對較低，單價在200-400元/臺。

圖|行星減速器示意圖

來源：信達(dá)證券

6、三種減速器對比

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)計會使用諧波減速機(jī)+RV減速器，帶來產(chǎn)業(yè)鏈較大增量空間。

諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動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，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。

RV 減速器傳動比范圍大、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。

行星減速機(jī)以其體積小、傳動效率高、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)、直流等傳動系統(tǒng)中。

圖|不同減速器對比

來源：華創(chuàng)證券研究所

據(jù) MIR 睿工業(yè)，2021 年我國減速器整體市場 規(guī)模達(dá)到 101 萬臺，實(shí)現(xiàn)同比 46.9％的高速增長。其中，諧波減速器 47 萬臺，同比增長 61.3%；RV 減速器 55 萬臺，同比增長 36.6％。據(jù)預(yù)測，減速器行業(yè)仍會保持 15% 以上的穩(wěn)定增長趨勢，到 2024 年，我國減速器整體市場規(guī)模將達(dá)到 168 萬臺；其中，諧波減速器 79 萬臺，RV 減速器 89 萬臺。

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二、人形機(jī)器人公司主要用減速裝置

1、特斯拉人形減速器方案

圖|特斯拉減速器方案

來源：AI day

根據(jù)特斯拉 AI Day 發(fā)布會展示的解決方案，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)過程如下：

1）電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子運(yùn)動；

2）其動力通過諧波減速器提升扭矩，降低轉(zhuǎn)速；

3）諧波減速器通過交叉滾子軸承傳遞相應(yīng)的力；

4）無接觸力矩傳感器負(fù)責(zé)測量輸出扭矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負(fù)責(zé)測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)；每一個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組對應(yīng)所需要一個諧波減速器。單人形機(jī)器人需要旋轉(zhuǎn)執(zhí)行模組16個，對應(yīng)所需要16個諧波減速器。

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、自動避障、自動平衡。

圖|達(dá)闥機(jī)器人關(guān)節(jié)

來源：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、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)動關(guān)節(jié)執(zhí)行器。

圖|達(dá)闥機(jī)器人關(guān)節(jié)系列

來源：達(dá)闥官網(wǎng)

MINTASCA主要分為五個系列，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系列和無減速器的DD系列。

圖|達(dá)闥機(jī)器人減速器系列

來源：達(dá)闥官網(wǎng)

達(dá)闥開創(chuàng)性的研發(fā)了集通信、計算、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。

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)動控制，全身最多達(dá)54個自由度，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

來源：傅里葉智能官網(wǎng)

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

4、優(yōu)必選人形減速器方案

優(yōu)必選Walker 新一代具有36 個高性能伺服關(guān)節(jié)，Walker X具有41個高性能伺服關(guān)節(jié)。設(shè)計并制造具有不同扭矩的伺服驅(qū)動器，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

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

伺服驅(qū)動器集成了高密度無框力矩電機(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。

圖|諧波減速器示例圖

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

圖|行星減速器示例圖

來源：優(yōu)必選官網(wǎng)

Walker 新一代具備 36 個高性能伺服關(guān)節(jié)以及力覺、視覺、聽覺、空間知覺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。

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三、總結(jié)

近年來，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，未來隨著國內(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100萬臺，將為減速器產(chǎn)業(yè)帶來近百億的新增量，減速器市場將迎來更廣闊的發(fā)展空間。

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注：本文題圖來自攝圖網(wǎng)、作者自制、媒體公開資料、皆已授權(quán)。

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