工业机器人的五种关键零部件
工业机器人是先进制造业的关键支撑装备。大力发展工业机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设具有重要意义。
发展工业机器人，要重点打造六种标志性产品，五种关键零部件，四种基本能力。本期中发智造为大家介绍五种关键零部件——高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器。
一、高精密减速器
精密减速器，在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置，通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮，啮合输出轴上的大齿轮，从而达到降低转速，增加转矩的目的。
没有减速器，机器人关节臂就不能正常运转。
精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度；根据用途可分为军用和民用；根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。
目前国际上具备大规模生产能力且产品性能可靠的RV减速器制造企业较少，全球绝大多数市场份额已被日本企业占据。国产减速器价格虽然便宜，供货期短，但产品性能与国外产品存在较大差距。因此，国产减速器大多只能供给中、低端机器人使用，无法满足高端机器人市场需求。
为此，《机器人发展规划》明确，通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性，探索寿命检测技术以及新型传动机理，发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。
二、高性能机器人专用伺服电机和驱动器
伺服电机作为控制系统中的执行元件，是影响机器人工作性能的主要因素之一。机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。
目前，高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。国产伺服电机在以下方面仍需突破：
一是外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。
二是信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向优化，方便安装、调试、更换。
三是另一项核心技术——高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。
四是缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术等等。
五是伺服系统各部分产业协同不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以发挥。
伺服电机不仅直接关乎国内机器人企业的市场竞争力，长远来看，对于整个中国机器人产业的发展具有战略意义。为此《机器人发展规划》特别强调，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，降低功率损失，实现高功率密度。发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机。
三、高速高性能控制器
指挥机器人工作的是人类吗？不，是控制器。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。
控制器是发布命令的“决策机构”，是自动化工厂的大脑。掌握控制器的主导权，相当于控制了机器人的性能。在中国，四大家族的控制器市场占比为53%，其中，发那科占比16%，库卡占比14%，ABB机器人占比12%。而国产品牌控制器市场占比不及16%，可见在中国控制器领域，国产程度较低。
目前国产控制器市场主要存在以下问题：
1、国产控制器可控制的机器人类型齐全，但在操作精度、稳定性、响应速度、易用性等方面还有很大的进步空间。
2、机器人本体和零部件绑定效应强，一般成熟的机器人企业都能实现本体和核心零部件的自主研发和掌控，因此，国产单纯做控制器的企业难以突围。
3、国产控制器性价比高，这个既是优势也是劣势，优势是可占领对机器人精度要求不高的中低端市场和新兴领域；劣势主要表现在对于高端市场，道阻且长。
为此，《机器人发展规划》特别强调，通过高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术的发展，提高高速变负载应用过程中的运动精度，改善动态性能。发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术，提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。
四、传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将其按一定规律转换成电信号或者其他可供测量的信号输出，以满足信息传输、处理、储存、显示、记录、控制等要求。
工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的准确认识，这种认识正是通过传感器实现的。
由于行业起步晚、竞争压力大，我国传感器发展依然面临三大困境。
首先是关键技术尚未突破。传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识，突破起来十分困难，目前，在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下，我国还没有突破传感器一些共性关键技术。
其次是产业化能力不足。国内传感器产品不配套且不成系列，重复生产、恶性竞争多发，使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重，只能长期依赖国外进口。
再次是资源不集中。目前我国传感器企业有1600余家，但大都以小微企业为主，盈利能力不强，缺乏技术引领的龙头企业，最终导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面都变现出分散的状态，资源得不到有效集中，产业发展也迟迟无法走向成熟。
为此，《机器人发展规划》特别强调重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉等传感器，满足机器人产业的应用需求。
五、末端执行器
末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘（关节）具有一定功能的工具。这可能包含机器人抓手，机器人工具快换装置，机器人碰撞传感器，机器人旋转连接器，机器人压力工具，顺从装置，机器人喷涂枪，机器人毛刺清理工具，机器人弧焊焊枪，机器人电焊焊枪等等。机器人末端执行器通常被认为是机器人的外围设备，机器人的附件，机器人工具，手臂末端工具（EOA）。
随着工业机器人快速发展，末端执行器也获得了庞大的应用与发展空间。为此，《机器人发展规划》特别强调，要重点开发抓取与操作功能的多指灵巧手和具有快换功能的夹持器等末端执行器，满足机器人产业的应用需求。
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工业机器人RV减速机的机械原理
第1减速部…正齿轮减速机构
输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速。这是第一减速部。
第2减速部…差动齿轮减速机构
直齿轮与曲柄轴相连接，变为第二减速部的输入。在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮。另外，在外壳内侧仅比RV齿轮数多一个的针齿，以同等的齿距排列。
如果固定外壳转动直齿轮，则RV齿轮由于曲柄轴的偏心运动也进行偏心运动。此时如果曲柄轴转动一周，则RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿。这个转动被输出到第2减速部的轴。将轴固定时，外壳侧成为输出侧。
纳博特斯克RV-110E减速机
二、RV减速机对工业机器人的重要性
工业机器人第一关节到第四关节全部使用RV减速机，轻载工业机器人第五关节和第六关节有可能使用谐波减速机。重载工业机器人所有关节都需要使用RV减速机。平均而言，每台工业机器人使用4.5台RV减速器。2013年世界工业机器人销量18万台，需使用减速机90万台。
工业机器人的动力源一般为交流伺服电机，因为由脉冲信号驱动，其伺服电机本身就可以实现调速，为什么工业机器人还需要减速器呢？工业机器人通常执行重复的动作，以完成相同的工序；为保证工业机器人在生产中能够可靠地完成工序任务，并确保工艺质量，对工业机器人的定位精度和重复定位精度要求很高。因此，提高和确保工业机器人的精度就需要采用RV减速器或谐波减速器。精密减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动，对于长时间和周期性工作的工业机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。
精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比，工业机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。
大量应用在关节型工业机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型工业机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部；行星减速器一般用在直角坐标工业机器人上。
同时，RV减速机较工业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工业机器人传动多采用RV减速器，因此，该种RV减速器在先进工业机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
三、RV减速机发展编年史
1、1926年德国人劳伦兹·勃朗于创造性地提出RV减速机原理
2、1931年劳伦兹·勃朗在德国慕尼黑创建了“赛古乐”股份有限公司，最先开始了摆线减速器的制造和销售
3、1939年，日本住友公司和“赛古乐”公司签定了技术合作协议，并生产销售；
4、1944年，日本帝人精机成立，这个未来的RV减速机霸主，在飞机制造、纺织机械、机床等多个行业硕果累累；
5、1950年-1960年，摆线磨床的出现，解决了摆线齿形的精度不高的难题，使摆线传动得到了进一步的发展。
6、1956年，日本纳博克公司发售全球第一个自动门，在市场上展露头角。
7、1980年左右，日本帝人精机提出RV传动理论，着手应用于工业机器人行业。
8、1986年，日本帝人精机RV减速机正式大规模生产，取得成功；
9、2003年，帝人精机和纳博克合并组成Nabtesco(纳博特斯克)公司，并取得快速发展，现在已成为RV减速机行业的领头羊，占据了60%以上的市场，特别在中/重负荷工业机器人上，其RV减速机市场占有率高达90%。
四、中国RV减速机行业发展现状
在RV减速机方面，我国从二十世纪五十年代起开始研究行星齿轮传动装置，六十年代从国外引进，尽管在理论和仿制方面取得了一些成果，但与日本的同类最新产品相比，我们研制的摆线针轮减速器从整体性能、使用寿命、传动精度、承载能力到新产品的进一步开发升级都存在着相当多的不足之处。
一台精密减速器ABB、Kuka、安川等国际巨头采购价为3万元~5万元，卖给我国企业约7万元，普通企业约12万元，我国企业采购精密减速机的成本比国际巨头贵一倍还多。
据高工工业机器人产业研究所(GRII)数据统计，国内有353家工业机器人企业，其中研究减速器的只占到13家，研究RV减速器的只有5家。
2010年，南通振康焊接机电有限公司研制开发的可用于高端工业应用领域（工业机器人）传动核心部件RV减速装置以及系列交流伺服电机，投入批量生产，更获得市场广泛认可。2013年产量200多台。
2014年7月20日，武汉市精华减速机制造有限公司总经理余运清透露，自主研发的一种精密减速机刚获得检验通过，有望替代进口，降低工业机器人国产化成本。
2014年7月，秦川发展发布公告称，计划投资1.94亿元进行9万套(一期)工业机器人关节减速器技术改造项目建设。此举将国产工业机器人RV减速器的研发制造推进了人们的视野。
在上市公司中还有巨轮股份跟新松工业机器人都在进行RV减速器的研究，但目前尚未取得实质性的结果。
在经济转型升级和我国人口老龄化进程日益加快的情况下，工业机器人产业的发展迎来一个需求快速发展的阶段。2013年中国市场共销售工业机器人近3.7万台，约占全球销量的1/5，总销量超过了日本，位居全球第一。预计中国有望在2016年成为全球最大的工业机器人市场，保有量将超过15万台。Nabtesco都计划投资近50亿日元在中国新建工厂，自2016年起投产制造工业机器人用的核心零部件-RV减速机，计划每年产量10万台，2020年达20万台。
这么大的市场需求，目前看与中国企业几乎无缘，我们期待着中国企业能够早日突破技术瓶颈，赢得市场。返回搜狐，查看更多
我国工业机器人关键零部件发展情况(一)——减速器
一、减速器的发展现状
减速器是连接工业机器人驱动电动机和连杆运动部件的中间装置，把电动机的高运转速度降低到适合的工作速度，并传递更大的转矩，是机器人关节精度的决定性因素。由于工业机器人在应用上具有长期连续运行的特点，减速器长期运行的可靠性是决定工业机器人可靠性和实际应用效能的关键环节。精密减速器使电动机可以在一个合适的速度下运转，并精确地将电动机转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。目前，成熟并标准化的减速器有：圆柱齿轮减速器、涡轮减速器、行星减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、RV减速器和谐波减速器等。
RV减速器和谐波减速器是最常用的两种，二者区别如下：
备注：a）RV减速器b）谐波减速器；数据来源：中国机器人产业联盟（CRIA）
表：RV减速器与谐波减速器对比；数据来源：绿的谐波招股说明书
目前全球能够提供规模化且性能可靠的高精密减速器的生产企业不多，全球绝大多数市场份额被日本企业占据。2021年全球精密减速器市场格局集中度高，纳博特斯克为市场绝对龙头，市占率高达60%，哈默纳科、住友和SPINEA为其有力竞争对手，同样占据了一定的市场份额。高精密减速器是目前我国工业机器人关键零部件中最薄弱的环节。近五年，国产减速器厂商进步明显，国内入局者持续增多。高工机器人产业研究所（GGII）统计数据显示，目前中国市场超100家本土企业涉足精密减速器的生产，其中，RV减速器企业近50家，谐波减速器企业超50家。
数据来源：《工业机器人精密减速器的应用及现状》熊嘉豪等
高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2021年中国工业机器人减速器总需求量为93.11万台，同比增长78.06%，其中增量需求82.41万台，同比增长95.05%；存量替换量为10.70万台，同比增长6.57%。我国工业机器人使用量占全球比重逐年上升，且在2013年以后成为最大使用国。2010年开始，受益于在汽车行业的大量投资，我国成为世界上最大的汽车市场和汽车生产国，同时我国是电子设备、电池、半导体等主要生产国，促进了我国工业机器人的快速发展。在智能制造转型升级的大环境背景下，在政策刺激、社会人口结构老龄化、人力成本上升等多种因素的影响下，制造企业对工业机器人的需求是长期趋势，目前正处于“十四五”开局之际，对于以机器人为代表的智能制造设备的支持是确定的，工业机器人行业的需求迎来大幅增长，存量替换需求同步提升，并推动了大部分减速器厂商业绩的增长。随着数字化进程的加快推进，机器换人将受益其中，预计未来几年减速器市场增长的确定性进一步增强，到2026年市场总需求量有望超过270万台。
单位：万台
数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）
（一）RV减速器的发展现状
RV减速器是在摆线针轮减速器基础上发展起来的，具有二级减速和中心圆盘支承结构的纯机械精密部件，材料、热处理工艺和高精度机床加工缺一不可。由于RV减速器具有独特的刚性盘输出机构，同时采用两级传动，扩大了传动比范围，特别适用于大载荷、高刚度的机械传动场合。
目前，全球RV减速器龙头企业有3家：日本纳博特斯克（Nabtesco）株式会社、日本住友重机械工业（Sumitomo）株式会社、斯洛伐克Spinea公司。近年来，全球RV减速器市场需求旺盛，这4家RV减速器生产企业都处于供不应求状态。
1、亚洲RV减速器公司领先全球，日本纳博特斯克公司为绝对龙头
亚洲减速器公司领先全球，主要为两家公司：日本纳博特斯克（Nabtesco）株式会社、日本住友重机械工业（Sumitomo）株式会社。
（1）日本纳博特斯克公司为全球RV减速器市场龙头，其RV减速器做得好的关键因素之一在于专业化社会分工。纳博特斯克公司只做最核心的曲轴、摆线轮，其他工序全部外包，热处理加工、轴承等都选择其国内最好的企业合作，合作关系历经30年，这个严密的协作网络是纳博特斯克的核心竞争力，在把产品做到极致的同时，成本也容易控制。
（2）日本住友重机械工业株式会社的减速器包含各种型号，如大型斜齿轮减速器、行星齿轮减速器、斜齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器等，特点是减速比大、效率高。
2、欧洲批量生产RV减速器的公司仅有斯洛伐克Spinea公司一家
斯洛伐克Spinea公司是全球同类产品中唯一的欧洲生产商，其高品质产品和技术独特性的背后是顶级的生产设备、高品质原材料与高素质人员的结合。该公司的减速器传动比高、运动精度高、转矩容量高、刚性高，设计紧凑，体积小巧。
3、我国RV减速器研制企业多，但大批量产业化企业少
我国目前从事RV减速器研制的企业有100多家，大多处于研发、试制、小批量验证等阶段，大批量产业化的企业为数不多，典型企业主要有南通振康焊接机电有限公司、陕西秦川机床工具集团股份公司、武汉市精华减速机制造有限公司、广州数控设备有限公司、浙江恒丰泰减速机制造有限公司、芜湖奥一精机有限公司、上海力克精密机械有限公司等。
（1）南通振康已攻克了高精密RV减速器的设计原理、结构设计、材料优化、加工与装配工艺、热处理、过程检测与质量控制、综合性能测试等关键技术，自主研发出了RV-E系列和RV-C系列产品。目前，南通振康的流水线批量装配车间已经投入运行，RV减速器年产能接近2万台。
（2）秦川机床目前已研制完成BX20E、BX40E、BX80E、BX110E、BX160E、BX320E、BX450E和BX50C、BX120C、BX200C、BX320C（A）、BX400C、BX500C、BX700F等规格减速器产品，其中每种规格减速器都包含5种以上不同的减速比供用户选型。后续，秦川机床将根据产品发展趋势和市场需求情况，陆续开发其他型号的减速器产品。根据秦川机床2022年3月30日的投资者问答，2021年公司的RV减速器产销量超过3万台，约占到国产RV品牌市场份额的20%-25%，是国内唯一提供全系列产品（5Kg-800Kg）的厂商。
（二）谐波减速器发展现状
1、谐波减速器发展受益于工业机器人小型化，协作机器人为增量市场
谐波减速器由固定的内齿刚轮、柔轮以及使柔轮发生径向变形的波发生器组成，谐波减速器是齿轮减速器中的一种新型传动结构。从机械结构来看，谐波减速器由三部分组成：谐波发生器、柔轮和刚轮，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合来传递动力，并达到减速的目的，其按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式等。谐波减速器传动比大、外形轮廓小、零件数目少且传动效率高，除了应用在工业机器人外，还广泛应用于数控机床、半导体设备、面板设备、医疗设备等领域。
根据中信证券发布的研报《绿的谐波——重研发&扩产能，国产谐波减速器龙头腾飞》，谐波减速器是轻型多关节机器人、坐标机器人、SCARA机器人、并联机器人不可或缺的传动部件，其需求量分别为3.5、1、3、1个/台。随着工业机器人向小型化发展，谐波减速器市场空间广阔。另外，一台协作机器人需要6-7个谐波减速器，2020年国内协作机器人市场规模突破1万台，将成为谐波减速器的增量市场。
2、日企主导谐波减速器市场，哈默纳科公司“一超多强”
全球主要的工业机器人用谐波减速器的生产几乎都集中在日本哈默纳科公司（HarmonicDrive）。2020年，哈默纳科来自工业机器人和其他业务的谐波减速器收入分别为6.65、5.13亿人民币。哈默纳科德国分公司（HarmonicDriveAG）负责欧洲、中东、非洲及南美地区的销售，哈默纳科美国分公司（HarmonicDriveL.L.C）负责北美地区的销售，全球其余市场由日本的HarmonicDriveSystems公司负责销售。哈默纳科公司拥有40多年谐波传动研究经验，同发那科、ABB、库卡等国际知名机器人企业都保持着长期合作关系，其生产的谐波减速器产品具有轻量、小型、传动效率高、减速范围广、精度高等特点，被广泛应用于各种传动系统中。
3、国产谐波减速逐步突破日企垄断，实现国产替代
我国谐波减速器生产企业主要有苏州绿的谐波传动科技有限公司、陕西渭河工模具有限公司、北京中技克美谐波传动股份有限公司、北京谐波传动技术研究所、浙江来福谐波传动股份有限公司等。
（1）绿的谐波
苏州绿的针对国内机器人产业发展需求，在谐波减速器设计、材料、制造、测试、实验评价等技术方面进行攻关，成功突破了传统谐波齿形啮合设计理论，开发出全系列高精度谐波减速器，并在3家全球顶级机器人生产商的检测中完成了2万小时精度寿命测试（国际机器人精度寿命的及格线为6000小时），在精度、寿命、稳定性、噪声等方面，均达到国际先进水平，不仅在国内已有大规模的应用，2017年，苏州绿的的精密谐波减速器销量达到11万台。此外，苏州绿的还积极与机器人整机企业开展协同设计，根据用户的要求对谐波减速器改型，实现谐波减速器的定制化生产。
绿的谐波于2013年成为埃夫特的供应商，并陆续开拓了埃斯顿、新松机器人等国产工业机器人大客户，且目前已进入ABB的供应体系。其于2016年成为了协作机器人龙头UniversalRobots的供应商，在协作机器人市场上也突破了日企垄断。2020年，公司在国产品牌工业机器人谐波减速器市场的市占率已超过60%。据中信证券测算，其在全球工业机器人谐波减速器市场中市占率已超过8%。
（2）中技克美
北京中技克美谐波传动股份有限公司成立于1994年12月9日，是国家科技部批准的“国家谐波传动技术研究推广中心”和“谐波传动国家重点工业性试验基地”，是我国专业从事谐波传动减速器技术设计、开发、生产、销售、服务的高新技术实业公司。
公司已通过ISO9001质量管理体系认证，产品已应用于航天、航空、信息、能源、电子、仪表、石化、印刷、包装、机器人、机械、医疗等领域，并主持完成了我国多项谐波传动科技成果，获得了国家及部委多项奖励；通过与合作单位联合攻关，研制成功固体润滑谐波传动减速器，并成功地应用在我国“神舟号”、“天宫”系列载人飞船及卫星等航天飞行器中。
公司的XBS谐波传动减速器、XBD谐波传动减速器、XBHS中空型谐波传动减速器等系列常用于工业机器人领域，年产达五万台套。
二、减速器发展的制约因素
机器人关键部件自主化的难点涉及研发设计、原材料、核心元器件、制造和装配工艺、试验检测等多方面。
智同科技首席科学家张跃明教授提到，RV减速器设计制造涉及齿轮啮合原理、动态力学分析，精度保持性、产品一致性、减速器与机器人算法结合是三项最核心的技术要求，需要长达10年的基础理论和经验数据积累。而国内厂商最大的弱势便是起步晚、基础制造能力受限。
原誉桐的《谐波减速器技术专利分析研究》提到，谐波减速器技术包括总体结构、齿形、交叉滚子轴承、加工制造、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、波发生器、试验方法等10项关键技术，而后进者的难点在于：（1）对谐波理论深刻理解基础上的设计创新；（2）关键零部件的自制能力；（3）精加工能力。简而言之，谐波减速器所形成的高技术壁垒来自于两方面：理论、模型、齿轮齿形设计等谐波传动技术；材料、部件、加工设备等生产加工技术。
总结下来，制约我国工业机器人关键部件自主化的核心因素有以下四点。
（一）技术积累时间尚短，产业间融合不足
机器人关键部件是高技术含量产品，其发展离不开长期的技术积累，是在机器人整机应用过程中不断改进的产物。例如，垄断全球机器人RV减速器市场的日本纳博特斯克（Nabtesco），是由帝人精机（TeijinSeiki，1944年成立）和纳博克（Nabco，1956年生产了日本第一个自动门）这两家日本公司强强联合组成。纳博特斯克虽然有30年的经验积累，但是新产品开发出来还需要经过长达1年的测试调整才能上市。
虽然目前我国十分重视关键部件的自主研发，但由于发展时间尚短，企业技术基础普遍较为薄弱，难以同具有几十年发展历史的外资品牌同台竞争。除了技术积累不足之外，我国减速器等关键部件现有技术在转化成实际产品方面也遭遇困境。哈尔滨工业大学机器人研究所所长赵杰指出，我国各科研主体间研究过于独立封闭，研发力量分散，未能形成合力，产学研各自为战，无统一标准，存在很多低水平重复研究。
（二）部分材料及核心元器件较难满足部件性能需求
材料及核心元器件是制约我国机器人关键部件自主化的一个重要因素。一些工业机器人减速器针齿壳铸件材料存在不耐磨、有石墨析出、使用后润滑脂发黑等问题，影响产品使用寿命。例如，轴承是RV减速器核心零部件之一，据智同科技首席科学家张跃明称，国产轴承与进口产品在精度和寿命上均存在差异，欧洲轴承价格昂贵，而日本RV减速器轴承基本对我国禁售。因此，国产减速器多使用国产轴承，而性能和寿命仍有待确认。
（三）加工设备及工艺落后
减速器的生产设备主要包括：数控专用机床、数控磨床、数控滚齿机等，有所欠缺加工设备及工艺落后是我国机器人关键部件发展的又一制约因素。我国机床数控化率显著低于发达国家，根据东兴证券发布的《机床刀具行业系列报告之一：工业母机之利齿，国内企业向上突围》提出，日本机床数控化率超过90%，美国超过80%，德国超过75%，而我国2021年仅为41.11%。减速器作为精密机械产品，必须要保证批量化生产过程中的产品精度稳定性和尺寸一致性，但由于零件的特殊性，传统机床无法满足加工要求，进口设备又十分昂贵。据智同科技首席科学家张跃明表示，国产RV减速器设备如加工核心零件的针齿壳和摆线轮设备大多数从欧洲进口，单台均价1千万以上，我国机床整体制造水平偏低，叠加对RV减速器零件加工工艺缺乏经验，造成我国目前国产机床还满足不了RV减速器零件的制造要求。
图：减速器生产流程；数据来源：绿的谐波招股说明书
（四）试验检测能力亟待提升
由于发展时间短、资金实力弱，我国机器人行业试验检测体系尚未完全建立，关键部件企业在试验、检测能力建设上普遍投入不足，减速器等机器人零部件的功能、性能、可靠性测试条件欠缺，直接影响了产品质量及一致性等。
三、减速器的发展趋势：看好长期前景，有望打破日本垄断
（一）定制化、轻量化与模块化将是减速器的发展方向
关键零部件是工业机器人的重要组成部分，工业机器人的发展离不开关键零部件，关键零部件的发展必须紧随工业机器人的发展步伐。随着机器人技术在世界范围内的发展，工业机器人正在向智能化、模块化、系统化方向发展。工业机器人的关键零部件也必须符合相应发展的要求。减速器将朝着高效率、小体积、轻重量、低成本、定制化和模块化方向发展。
目前减速器定制化和标准化模式均存在，而定制化是趋势。例如智同科技贯彻了标准化与定制化“两条腿走路”的战略，有CRV、CRDS两大系列标准化减速机产品以及CMI、CHR、HYP等系列多款定制化产品。而在绿的谐波年报中提到，“随着机器人行业多年的快速发展，机器人产品的成熟与供需逐渐趋向平衡，下游客户对精密减速器企业的技术服务能力和响应速度提出了更高的要求。一方面，机器人厂商在为下游客户提供系统解决方案时，越来越需要上游核心零部件厂商的技术支持，需要精密减速器企业发挥技术、产品、服务等整体优势，加快响应速度，提升将行业空间转化为订单的能力；另一方面，随着机器人的应用场景越来越多，不同场景的个性化、定制化需求随之增加，如何通过及时的技术服务能力取得客户信任，并随后通过快速的产品设计、制造、供货满足客户需求，是精密减速器企业核心竞争力的重要体现。”
随着智能制造的逐步推进，新一代协作机器人成为当前工业机器人发展的一个重要方向。与传统工业机器人相比，新一代协作机器人更趋于小型化、轻量化，这使减速器的需求将发生改变。由哈默纳科谐波驱动产品变迁（下图）可看出，其谐波产品的体积不断在缩小，允许扭矩/体积不断增大。
未来，机器人本体厂商在新产品设计时，对关节的整体重量、尺寸和散热等将有越来越高的要求。减速器势必在机器人设计之初，就要融入整体结构的规划之中，和壳体、电动机等进行整合，尽量去除多余的部分。未来的工业机器人中，减速器也可能不会单独出现，它将会成为标准关节模块的一个核心组件。例如哈默纳科的机电一体化产品结合了减速器、电机、传感器、驱动器、控制器和其他系统元件实现运动控制，目前其机电一体化产品收入占比近20%。
数据来源：广发证券《以史为鉴，复盘哈默纳科的成长路径》；备注：参数以CS-2为参照
（二）复盘全球龙头发展历程，技术升级是关键
回观全球减速器两大龙头，纳博特斯克及哈默纳科二者的发展历程。二者均起步早，具有先发优势的同时也从未减少研发支出，且形成了“产、学、研、用”紧密结合的协同创新格局，技术成果转化率高。
广发证券的《以史为鉴，复盘哈默纳科的成长路径》中提到，哈默纳科基本保持5%以上的研发费率，研发人员占比也保持在10%以上，不断追求研究开发的基础技术，并积极开展新原理和新机构的研究，例如通过替换柔轮制作材料增强柔轮疲劳强度、IH齿形改进突破扭矩容量和扭转刚度的局限、通过改进加工设备和加入支撑轴承结构以减少加工误差和变形误差等。哈默纳科与国际知名机器人企业的长期合作为公司的技术进步提供了支持。当前其已与发那科、ABB、库卡等知名的机器人企业通过长期相互扶持、相互进步积累了丰富的经验，形成了从产品生产前的技术指导、结构设计、选型、售后的技术升级改造、产品维护为一体的服务体系。同时，公司与产业界及政府加深交流，与企业、大学、公共研究机构分别承担的课题交换意见，积极推动与大学、公共研究机构的合作，通过接触尖端技术来确立新的技术，以提供更具创新性的运动控制产品。
图：哈默纳科与纳博特斯克发展历程；数据来源：各公司官网
（三）国产减速器突破量产工艺
中国已经是全球第一大机器人市场。国产机器人本体发展迅速，外资巨头深耕中国市场，加速本土化，全球新的产能规划大部分都在中国，带来机器人供应链转的本地优势。
图：2020-2021年中国机器人用RV减速器市场占比情况；数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）
图：2020-2021年中国机器人用谐波减速器市场占比情况；数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）
RV减速器的研发并不需要从0开始的理论研究突破（纳博特斯克、哈默纳克的减速器专利均已经公开），而是沿着巨头脚步，在工艺层面的积累和采购先进机床加工设备，这两点都是可以用时间较快弥补差距。中大力德、双环传动等国产企业大批采购先进机床设备和检测设备，经过5-8年以上的摸索积累，已经取得重大突破，于2018年初步量产。
2018年国产RV减速器突破信任壁垒，已小批次放量。其中南通振康的RV减速器已批量供货埃夫特、欢颜等本体企业，中大力德2018年和伯朗特签订8万台订单，双环传动2018年和埃夫特签订1万台订单。
表：国产RV减速器核心企业已突破量产；数据来源：《机器人产业系列一：中国优势、梯队崛起》新时代证券、各公司公告；备注：上海机电与中大力德为21年年报数据，双环传动为20年年报数据
（四）国产减速器在技术上加速追赶
1、关键零部件实现自制
绿的谐波从2003年开始谐波理论的研究和投入，技术积累深厚，推出了“P型齿”、Y系列等新品，并已实现柔性轴承和交叉轴承的自制。
绿的谐波基于对谐波减速齿轮啮合原理的独到认识，建立了独特的齿形设计数学模型，跳出传统上以willis定理为基础的渐开线齿轮设计理论，研发出全新的齿形设计理论，设计出独特的谐波啮合齿形，拥有完全自主知识产权。“P型齿”齿高较低、齿宽较大，可以在大幅提高谐波减速器使用寿命的前提下，提高其输出效率和扭矩承受能力。
传统的谐波减速器电机转一圈，柔轮变形2次，受力的只有对角两个齿，不耐冲击；而三次谐波的Y系列产品，采用全新的结构和齿形，使得电机转一圈，柔轮变形3次，受力变为3个齿，从而提升扭矩刚度和传动精度，从根本上解决振动耦合问题。Y系列产品的目标市场是高端工业自动化和高端协作机器人。
绿的谐波已实现柔性轴承和交叉轴承的自制，且质量不输国外头部竞争对手。2020年10月公司发布新品——DNG无疲劳柔性轴承。该产品针对柔性轴承内圈疲劳失效的机理及特点，调整了轴承材料合金元素配比，采用全新的热处理及强化工艺，制造出最新款无疲劳DNG柔性轴承。经过大量的测试和对比实验，DNG柔性轴承更耐冲击、使用寿命更长，明显优于国外知名品牌谐波减速机柔性轴承。
数据来源：《绿的谐波——谐波减速器龙头：人工替代、国产替代双驱动》浙商证券
2、另辟蹊径，换道超车
减速器是一个技术沉淀极强的行业，目前主流机器人减速器存在三大主要技术路线，即摆线传动、渐开线、谐波技术，而国内减速器厂家主要是沿着RV和谐波的技术路线跟进，与纳博特斯克和哈默纳科技术路线没有本质上的差异。因此对于国内厂商而言，“换道超车”才能带来希望。
表：三大技术路线及劣势；数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）
据高工机器人的文章《减速器换道超车的曙光》中写道，瀚晟传动以解决三大技术路线存在软肋为创新路径。经过近十年的开发和验证，其MRG技术应运而生。该传动原理的核心是实现了内啮合一齿差，基于MRG传动原理既可以生产设计出替代RV的减速器，同时也可以设计并制造出与谐波减速器体积相同但抗冲击性及承载更强的减速器。基于其创新的传动原理，瀚晟对目前机器人关节减速器的软肋进行了“短板”改进。
瀚晟传动MRG传动技术可以做到内啮合一齿差并且不干涉，相较于渐开线，MRG传动技术轴承径向力较小；同时，省去了谐波减速器的柔轮部件，避免了机器人在高速运行过程中因碰撞导致柔轮损坏，从而使机械臂出现抖动、精度变差等情况。
MRG传动结构将使其减速器的摩擦小于RV，在性能方面体现为更长的寿命，也可接受更大的输入功率。MRG传动结构比RV更为简单，其材料成本和加工成本也比RV更低，因此具有更强的竞争力。
在效率提升上，传统渐开线在外啮合上可以做到99%的啮合效率，而摆线达到92%已经是极限，MRG传动技术在效率方面虽然略低于渐开线但是远高于摆线结构。
瀚晟传动已经推出自主研发对标纳博特斯克N系列（相同的尺寸，但不同的结构）和对标谐波减速器体积的产品，其在产品尺寸上能够替代RV的N系列和谐波减速器，在性能要求上同样能够满足RV的应用场景。经过内部及国家减速器测试中心的性能及耐久测试后，瀚晟传动产品达到了同类产品的领先水平，其对标纳博42N的减速器，在其他性能指标同等的情况下，其刚性达到180N以上（是同类产品的1.5倍以上），具有更高的扭矩密度比。目前，瀚晟传动已经开始批量生产其M系列（对标纳博的N系列）和A系列（对标谐波减速器的体积）减速器并提供给各户。
表：瀚晟传动与纳博特斯克产品对比；数据来源：高工机器人产业研究所（GGII），纳博特斯克官网；备注：瀚晟传动数据为测试数据
3、正向设计，原理创新
RV减速器设计制造涉及齿轮啮合原理、动态力学分析，“精度保持性、产品一致性、减速器与机器人算法结合”是三项最核心的技术要求，需要长达10年的基础理论和经验数据积累。
在高工机器人的文章《国产减速器正向设计“新解”》中提到，2015年底，智同科技与北京工业大学合作开展“产、学、研、用”一体化深度合作，成立“北京智同工大智能传动产业技术研究院”，共同研究开发及生产工业机器人RV减速器、新型精密行星减速器，重点布局“理论研究+产品研发+市场试用验证+推广”的科技创新体系。开发重点涉及三个方面，包括RV减速器原理的研究、核心零件制造工艺的开发、材料和热处理技术的研究。目前，研究院已在RV减速器产品设计、数学建模、计算机仿真技术及齿轮啮合理论等方面进行深入研究，完成了RV减速器产品设计、关键零部件制造工艺和测试技术研究，开发多种规格产品并批量生产，解决了精度、寿命等困扰国内企业多年的关键问题。
智同科技采用正向设计方法，全面掌握RV高精密摆线减速器的设计原理，建立减速器力学模型，其独有的摆线齿轮修形技术保证减速器设计合理、运动平稳、磨损小。在制造工艺技术方面，智同科技为保证核心零部件加工，设计了专用工装，优化了精密零件的加工工艺，保证加工精度的同时还能提高效率。在原材料热处理方面，智同科技则采用合作开发的热处理专用设备，解决热处理不稳定和变形等问题，提高了零件的寿命。
专业术语
1、空程：空程误差也叫回程误差，是由于机械装置的间隙造成的。
2、背隙：也叫回程间隙，意思是将输出端固定，输入端顺时针和逆时针方向旋转，使输入端产生额定扭矩+-2%扭矩时，减速机输入端有一个微小的角位移，此角位移就是回程间隙。
参考资料
1、宋晓刚《中国战略性新兴产业研究与发展：工业机器人》
2、《机器人产业系列一：中国优势、梯队崛起》新时代证券
3、《绿的谐波——重研发&扩产能，国产谐波减速器龙头腾飞》中信证券
4、《绿的谐波——谐波减速器龙头：人工替代、国产替代双驱动》浙商证券
5、《绿的谐波——谐波减速器龙头厂商的崛起路径和成长空间探讨》华福证券
6、《以史为鉴，复盘哈默纳科的成长路径》广发证券
7、《2022年工业机器人减速器调研报告》高工机器人产业研究所（GGII）
8、《国产减速器正向设计“新解”》高工机器人产业研究所（GGII）
9、《减速器换道超车的曙光》高工机器人产业研究所（GGII）
10、《“自动化”下的国产替代机遇（一）》中信证券
11、《机床刀具行业系列报告之一：工业母机之利齿，国内企业向上突围》东兴证券
12、《绿的谐波：业绩持续快速增长，看好国产谐波龙头产能加速释放》东吴证券