2024.02
特斯拉第二代人形机器人Optimus Gen2于2023 年12月发布，视频展示中Optimus Gen 2变化上拥有具备2自由度的可主动控制脖子，使用了更快、具备11个自由度的新灵巧手，特斯拉人形机器人预计总共40个自由度关节。优必选人形采用41个自由度关节，傅里叶智能采用54个自由度，灵活性更高。工业领域最常见的多关节机器人通常使用3-6个减速机，而人形机器人的关节使用量随着肢体数量和复杂度的提高而提高，为减速器的行业带来较大的市场增量。
今天，笔者就来和大家一起来学习研究人形机器人所用的精密减速器分类和市场空间情况。
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一、精密减速器介绍
1、减速器原理
减速器定义机器人的“自由度”。减速器相当于机器人的“关节”，用于降低转速、增加扭矩，从而让机器人平滑、精确地完成动作。通常来说，减速器数量越多，关节越多，机器人的行动越灵活。
图|减速器原理
来源：IOT 大数据
2、减速器分类
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。按照控制精度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。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。精密减速器回程间隙小、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。精密减速器种类较多，包括谐波减速器、RV 减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。
1.3、谐波减速器
谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用， 实现运动和动力传递的传动装置。谐波减速器主要由带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成。单台价值量可达1000-1500元/台。
图|谐波减速器实物图
来源：与非研究院
图|谐波减速器拆解示意图
来源：与非研究院
其工作原理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。
图|谐波减速器运行示意图
来源：绿的谐波招股书
4、RV减速器
RV减速器又称高精密摆线行星减速器，由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成。此减器机具有高精度、大速比、高刚性、高过负载及长寿命特点，且具有振动小，噪音低，能耗低等优点，是最常用的减速机之一。单台价值量可达 5000-8000 元/台。
图|RV减速器示意图
来源：与非研究院
1.5、行星减速器
行星减速器中均匀分布在四周的圆柱齿轮在内齿轮和外齿轮之间围绕一个同心圆做运动，圆柱、齿轮的循环运动类似于太阳系中的行星运行轨迹。因此，行星齿轮减速机也叫行星减速机。行星减速机主要用于传递必要的力矩，齿轮数量越多，其齿轮的负载面越大，承载能力越强。齿轮结构，成本相对较低，单价在200-400元/台。
图|行星减速器示意图
来源：信达证券
6、三种减速器对比
根据高工机器人数据，工业机器人中谐波减速器和RV减速器的使用量约为35%：65%，人形机器人因形态类人相比工业机器人，预计会使用谐波减速机+RV减速器，带来产业链较大增量空间。
谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点，并且与一般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积更小， 重量更轻，这使其在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。
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。
行星减速机以其体积小、传动效率高、减速范围广、精度高等诸多优点，而被广泛应用于伺服、步进、直流等传动系统中。
图|不同减速器对比
来源：华创证券研究所
据 MIR 睿工业，2021 年我国减速器整体市场 规模达到 101 万台，实现同比 46.9％的高速增长。其中，谐波减速器 47 万台，同比增长 61.3%；RV 减速器 55 万台，同比增长 36.6％。据预测，减速器行业仍会保持 15% 以上的稳定增长趋势，到 2024 年，我国减速器整体市场规模将达到 168 万台；其中，谐波减速器 79 万台，RV 减速器 89 万台。
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二、人形机器人公司主要用减速装置
1、特斯拉人形减速器方案
图|特斯拉减速器方案
来源：AI day
根据特斯拉 AI Day 发布会展示的解决方案，旋转执行模组主要分为了三种，分别是 20Nm/0.55kg、110Nm/1.62kg、180Nm/2.26kg。
特斯拉公布的旋转执行器由永磁无刷电机+谐波减速器+双编码器+力矩传感器+轴承+机械离合组成；旋转过程如下：
1）电机带动转子运动；
2）其动力通过谐波减速器提升扭矩，降低转速；
3）谐波减速器通过交叉滚子轴承传递相应的力；
4）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。
旋转执行模组主要由手臂、腿部、躯干和脖子构成，覆盖肩、肘、髋、腰关节；每一个旋转执行模组对应所需要一个谐波减速器。单人形机器人需要旋转执行模组16个，对应所需要16个谐波减速器。
2、达闼机器人减速器方案
达闼人形机器人Cloud Ginger 1.0还未采用人形腿部结构，但是已经采用了34个智能柔性关节遍布颈、肩、肘、腕、手、腰、膝、底盘等部位，实现能歌善舞、智能抓取、自主行走、自动避障、自动平衡。
图|达闼机器人关节
来源：达闼官网
SCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性执行器2.0，是达闼自主研发的第二代高集成化、高性能的智能柔性关节。SCA2.0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，内置机械抱闸、扭矩传感器、非晶电机，实现中空走线、精准力控、高防护IP54，支持多种通讯模式。SCA2.0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。
图|达闼机器人关节系列
来源：达闼官网
MINTASCA主要分为五个系列，分别是采用谐波减速器的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。
图|达闼机器人减速器系列
来源：达闼官网
达闼开创性的研发了集通信、计算、传感于一体的机器人智能柔性关节SCA，解决了机器人硬件在标准化、集成化及产业化方面的局限，降低了机器人准入门槛、加速产业生态形成。
3、傅里叶智能减速器方案
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，稳健下坡，抗冲击干扰等运动功能，是通用人工智能的理想载体。
图|傅里叶智能人形自由度
来源：傅里叶智能官网
内置32个全自研FSA高性能一体化执行器（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。可模拟人类不同运动方式，实现转头、扭腰、和抓取、跑步、跳跃等拟人化运动。
预计32个执行器为头部、腰部、手臂和腿部，但是公司未披露具体采用谐波减速器还是RV减速器方案，有待进一步观察。
4、优必选人形减速器方案
优必选Walker 新一代具有36 个高性能伺服关节，Walker X具有41个高性能伺服关节。设计并制造具有不同扭矩的伺服驱动器，以便应用于不同形状及大小的服务机器人，以使其应用于不同行业。
图|优必选人形机器人
来源：优必选官网
伺服驱动器集成了高密度无框力矩电机、双位置编码器、行星/谐波减速器和高性能处理控制器，形成一体化，可以满足高功率密度、大扭矩输出的需求。目前支持最大扭矩≥200Nm。
图|谐波减速器示例图
来源：优必选官网
图|行星减速器示例图
来源：优必选官网
Walker 新一代具备 36 个高性能伺服关节以及力觉、视觉、听觉、空间知觉等全方位的感知系统，可以实现平稳快速的行走和灵活精准的操作。
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三、总结
近年来，随着工业机器人、高端数控机床等智能制造和高端装备领域的快速发展，谐波减速器、RV 减速器、行星减速器已成为高精密传动领域广泛使用的精密减速器。而人形机器人作为新的增量，未来随着国内外人形机器人的持续迭代量产，减速器的成本也将逐渐降低。如果人形机器人出货量达到100万台，将为减速器产业带来近百亿的新增量，减速器市场将迎来更广阔的发展空间。
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