一文熟悉人形机器人成本占比最高的零部件：减速器
一文熟悉人形机器人成本占比最高的零部件：减速器
人形机器人减速器是机器人机械系统中的关键组件，占机器人成本30%，主要负责在原动机（如电机）和工作机构（如机器人的关节）之间起到匹配转速和传递转矩。减速器由多个齿轮组成，通过不同大小齿轮的啮合传递动力，从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。
按照精度划分，减速器目前主要可分为一般传动减速器和精密减速器两大类。其中，一般传动减速器可进一步划分为通用减速器和专用减速器，精密减速器则主要包括精密行星减速器、谐波减速器和RV减速器等，具备体积小、精度高、重量轻、稳定性强等优点。
精密行星减速器
行星减速器的工作原理基于齿轮传动原理，太阳轮输入转速与行星轮啮合，行星轮在自转的同时围绕中心轮公转，最后由行星架将转速和扭矩传递到输出轴上。结构简单且传动效率高，多安装在伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，精确定位，其常被用于机器人中对精度要求低的部分身体旋转关节。
三大类精密减速器中，行星减速器开发时间最早。19世纪80年代德国出现第一个行星齿轮传导装置的专利，20世纪20年代，首次量产行星齿轮传动装置。我国从20世纪60年代起开始研制应用行星减速器，国内头部企业普遍成立于21世纪初，如科峰智能、中大力德、纽氏达特等。
基本部件构成
- 太阳轮：又称中心轮，作为输入端，与驱动电机相连。
- 行星轮：围绕太阳轮转动的齿轮，通过行星架传递扭矩。
- 内齿圈：与行星轮啮合，固定或旋转以传递运动。
- 行星架：支撑行星轮，将转速和扭矩传递到输出轴。
结构特点
- 体积重量小：通过精密化设计减小了体积和重量。
- 精度高：严格的制造和装配工艺控制，提供优异的性能指标。
- 传动效率高：由于传动结构的对称性，单级传动效率可达97-98%。
- 承载能力强：多个行星轮分担载荷，提高减速器的承载能力。
- 抗冲击和振动性能好：对称结构使得惯力平衡，运动平稳。
- 结构简单：相比谐波和RV减速器，成本较低。
行星减速器劣势
- 单级减速比小：最小为3，最大一般不超过10，多级减速会增加长度和重量。
- 维护需求：需要定期维护和保养，包括更换润滑油和维修传动部件。
- 制造成本：高精度和高效率的要求可能增加制造成本。
技术发展
技术进步和创新正在推动精密行星减速器向更小型化、轻量化发展，以适应现代制造业对空间和重量的严格要求。同时，提高传动效率和降低噪音也是研发的重点方向。
典型企业
企业 | 简介 |
|---|---|
中大力德 | 2006年正式成立，2008年生产出伺服用精密行星减速器，2011年生产出国内第一款伺服用斜齿轮高精度行星减速器。国内唯一同时提供精密减速器(包括精密行星减速器，RV减速器和谐波减速器)、伺服驱动、永磁直流电机和交流减速电机的企业，已有“谐波减速器/RV减速器/精密行星减速器+伺服电机+驱动”的一体化产品。 |
纽氏达特 | 成立于2006年，主营行星齿轮箱，产品性价比高。其产品适配日本安川、松下、三菱、富士、 台湾东元等厂商的伺服马达。 |
科峰智能 | 实控人最早于2004年创立湖北行星进行行星减速器研发，2010年正式创立科峰智能，2016年行星减速器投产。专注于行星齿轮箱、谐波齿轮箱、行星滚珠丝杠、机电一体化产品。 |
丰立智能 | 成立于1995年，小模数齿轮龙头企业，主要产品包括钢齿轮、精密减速器及零部件、精密机械件、粉末冶金制品以及气动工具等产品，生产行星减速器、谐波减速器。 |
鼎智科技 | 国内高端微电机隐形冠军。主营业务为医疗及工业自动化用线性执行器、编码器、驱控器 及其组件。公司精密齿轮箱等产品处于国内领先地位，可应用于人形机器人 |
RV减速器
RV减速器是一种精密的机械传动装置，是旋转矢量（Rotary Vector）减速器的简称，最早由日本发明，用于实现高扭矩输出和高精度的旋转运动，通常适用于机器人基座、大臂、肩部等重负载的位置。
1926年德国的Lorenz Blanc提出针摆行星传动，后经住友引进、摆线磨床的研制成功， 1980年日本帝人精机提出RV传动理论，1986年RV减速器正式大规模生产。1960年代针摆传动引入我国，80年代末我国开始RV理论研究，2010年以后随着双环传动、中大力德等厂商开始介入起逐步打破海外品牌垄断。由于RV减速器结构复杂且零部件较多，生产制造过程中约束条件较多，目前国产RV减速器市场份额相对不高，发展相对较慢。日本纳博特斯克是全球最大的RV减速器生产商，国产品牌主要有双环传动、珠海飞马、中大力德等。
基本原理
RV减速器通常由两级减速机构组成，第一级为正齿轮减速机构，第二级为差动齿轮减速机构。其工作原理涉及正齿轮变速和差动齿轮变速，通过行星轮和太阳轮实现的齿轮变速，以及RV齿轮和针轮之间的啮合来达到减速效果。
结构特点
- 传动比范围大：RV减速器可以提供较大的传动比，满足不同应用需求。
- 寿命长、精度保持稳定：由于同时啮合齿轮数较多，RV减速器具备高刚性、耐超载的特性，且传动精度稳定。
- 效率高、传动平稳：由于结构的对称性和设计的精密性，RV减速器具有较高的传动效率和良好的振动控制。
RV减速器劣势
- 体积较大：为了实现较大的扭矩传递能力，RV减速器齿轮的齿数相对较多且其附加的轴承、润滑系统和密封件等附属部件较多，这些导致RV减速器体积较大。
- 成本较高：RV减速器的制造过程相对复杂，需要高精度的加工工艺和特殊的制造设备。这使得生产和装配过程更加复杂和耗时，增加了制造成本。
挑战与趋势
RV减速器的设计和制造涉及复杂的齿轮啮合原理和动态力学分析，要求精度保持性、产品一致性高，并且需要与机器人算法紧密结合。这些技术要求对制造工艺和材料选择提出了挑战。高精度机器人传动越来越多地采用RV减速器，它在某些应用中甚至有逐渐取代谐波减速器的趋势。
典型企业
企业 | 简介 |
|---|---|
纳博特斯克 | RV减速器龙头企业，在此领域中已有20年以上的实绩。其产品具有高精度、高刚性同时兼备小型、轻量的特点。 |
住友 | 住友传动技术作为住友重机械工业(株)的核心业务单元，已在全球50个国家设立250多个办事机构，是全球动力传输和控制系统的佼佼者。 |
双环传动 | 成立于1980年，专注于齿轮及其组件产品的生产销售，为国内齿轮销售的龙头企业。2013年开始组建高精密减速器团队，2016年批量上市销售。双环利用齿轮技术积累持续开发拓展RV减速器和谐波减速器，已形成工业机器人用全系列 RV减速器产品，谐波减速器多个型号产品也已开始批量供货。 |
南通振康 | 长期专注于焊接送丝装置、RV减速器等高精度工业机器人及精密自动化产品。2010年开发RV减速器，2015年 RV减速器首批生产。 |
中大力德 | 2006年正式成立，2008年生产出伺服用精密行星减速器，2011年生产出国内第一款伺服用斜齿轮高精度行星减速器。国内唯一同时提供精密减速器(包括精密行星减速器，RV减速器和谐波减速器)、伺服驱动、永磁直流电机和交流减速电机的企业，已有“谐波减速器/RV减速器/精密行星减速器+伺服电机+驱动”的一体化产品。 |
秦川机床 | 机床工具企业。公司着眼高端减速器市场，截至2021年末 RV 减速器产销量超过3万台，占国产RV 减速器20%-25% 份额。截至2023年5月，其关节减速器产能6-9万套，谐波减速器处于加速研发及试制阶段。 |
谐波减速器
谐波减速器是一种高精度的机械传动装置，利用特殊的波形发生器、挠性花键（柔轮）和刚性花键（刚轮）三个关键部件实现运动和动力的传递。这种减速器体积小、重量轻，结构简单紧凑，以其高减速比、零齿隙、高扭矩密度、准确性和可靠性而著称，适用于机器人小臂、腕部、手部等部件，这些部位对体积和灵活度有较高要求。
1955年美国发明家C.W.Musser发明谐波传动，1964年日本引入谐波齿轮传动技术，1970年开始谐波传动技术正式商业化。1961年谐波传动引入我国，1962年我国第一台谐波减速器研制成功，2003年以绿的谐波为首的国产谐波减速器企业开始研发，后逐步实现产业化。全球谐波减速器市场目前呈现高度集中状态，主要由日本的哈默纳科占主导地位，国内比较典型的企业是绿的谐波。
工作原理
波形发生器（椭圆形）作为输入端连接到电机轴上，通过其椭圆形轮毂和特殊薄壁轴承产生可控的弹性变形波。这些变形波传递到柔轮，柔轮与刚轮相互作用，实现减速和增加扭矩的效果。刚轮的齿数略大于柔轮的齿数，这种少齿差啮合的设计使得谐波减速器能够在较小的体积和重量下实现大的传动比。
谐波减速器的优势
在于其紧凑的设计、高减速比、高传动精度，但其承载能力和使用寿命相比RV减速器较低。另外，谐波减速器的成本相对精密行星减速器高，但低于 RV 减速器。
发展展望
谐波减速器在人形机器人领域的应用预计将持续增长，特别是在轻负载和高精密要求的应用中。同时，谐波减速器在齿形设计、材料选择、加工精度等方面都有所进步，随着技术的不断进步和成本的降低，谐波减速器有望在更广泛的机器人应用中替代传统的减速器。国内厂商如绿的谐波已经开发出了具有自主知识产权的齿形设计，并在某些性能参数上达到或超过了国际先进水平。此外，国产谐波减速器在成本控制方面具有显著优势，这使得国产产品在市场上的竞争力不断增强。
典型企业
公司 | 公司介绍 |
|---|---|
哈默纳科 | 日本品牌，1970年成立，全球谐波减速器领军品牌，其谐波减速器具有小型、传动效率高、精度高的优点，在精度、质量、尺寸、温升、扭矩都多个领域产品都处于国际第一梯队，还提供谐波减速器的伺服执行元件及驱动器的机电一体化产品 |
日本新宝 | 日本电产旗下品牌。成立于2003年，2015年进入中国市场。公司主营包括谐波减速部在内的各种类型减速器，国际领先品牌。 |
绿的谐波 | 2011年开始研发，聚焦工业机器人领域谐波减速器技术。2012-2019年：公司正式成立，相继推出系列产品并实现批量化生产，在国内市场逐步实现进口替代。2020年至今：科创板上市，产能逐步释放，成长为国产谐波减速器龙头。 |
中大力德 | 2006年正式成立，2008年生产出伺服用精密行星减速器，2011年生产出国内第一款伺服用斜齿轮高精度行星减速器。国内唯一同时提供精密减速器(包括精密行星减速器，RV减速器和谐波减速器)、伺服驱动、永磁直流电机和交流减速电机的企业，已有“谐波减速器/RV减速器/精密行星减速器+伺服电机+驱动”的一体化产品。 |
来福诺波 | 2014年开始推出谐波减速器，产品定位是替代进口产品。产品在外部尺寸和连接方式上跟进口产品一致 |
大族传动 | 大族激光子公司，2016年成立工业机器人工程实验室。自主研发300余款谐波减速器，全新升级到高扭矩系列。 |
丰立智能 | 成立于1995年，小模数齿轮龙头企业，主要产品包括钢齿轮、精密减速器及零部件、精密机械件、粉末冶金制品以及气动工具等产品，于2022年上市并小批量试产谐波减速器产品。 |
双环传动 | 成立于1980年，专注于齿轮及其组件产品的生产销售，为国内齿轮销售的龙头企业。2013年开始组建高精密减速器团队，2016年批量上市销售。双环利用齿轮技术积累持续开发拓展RV减速器和谐波减速器，已形成工业机器人用全系列 RV减速器产品，谐波减速器多个型号产品也已开始批量供货。 |
中技克美 | 成立干1994年，是我国第一个专业从事谐波传动减速器技术设计的企业，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”。研制成功具有全球领先水平的固体润滑谐波传动减速器，应用在我国“神舟号” |
昊志机电 | 公司是一家专业从事高精密电主轴及其零配件的研发设计、生产制造、销售与维修服务的企业，也从事谐波减速器业务。公司主要从事高精密电主轴产品研发，在用于生产减速器的资产上有一定积累。 |
小结
在智能制造的浪潮中，精密减速器宛若一颗璀璨的明珠，其光芒照亮了工业自动化的未来，特别是在人形机器人等前沿科技领域，精密减速器的技术进步将为机器人的灵活性和精确性提供更为坚实的保障。
名称 | 行星减速器 | RV减速器 | 谐波减速器 |
|---|---|---|---|
组成 | 主要结构为行星轮、太阳轮、外齿圈 | 主要结构为行星减速器前级、摆线针轮减速器后级 | 主要结构为柔轮、刚轮、波发生器 |
技术特点 | 太阳轮输入转速与行星轮啮合，行星轮在自转的同时围绕中心轮公转，最后由行星架将转速和扭矩传递到输出轴上。 | 通过多级减速实现传动，一般由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成，组成的零部件较多。 | 通过柔轮的弹性变形传递运动,主要由柔轮、刚轮、波发生器组成。与 RV及其他精密减速器相比 ,谐波减速器使用的材料、体积及重量大幅度下降。 |
优缺点 | 优点：扛冲击性好、刚性好、价格低 寿命长 ；缺点：精度差、数比小、较难做到中空结构 | 优点：速比大、精度高缺点：价格贵、体积大 | 优点：质量轻、体积小、遗比大、精 度高：缺点：价格贵、抗冲击性差、寿命少 |
价格区间 | ⁻ | 5000-8000元 | 1000-2000元 |
人形机器人 | 人形机器人精度要求较低的部分身体旋转关节 | 人形机器人基座、大臂、肩部等负载比较重的位置 | 人形机器人小臂、腕部、灵巧手等部件 |
未来，精密减速器行业将呈现出技术创新和产业升级的双重趋势。技术创新将成为行业发展的重要驱动力，企业需要加大研发投入，提升产品性能和精度，以满足市场对高精度、高稳定性产品的需求。产业升级则意味着精密减速器将向着更加智能化、集成化的方向发展，通过与电子、计算机、自动控制等技术的有机结合，实现机电一体化，提高整体机械系统的效率和性能。
同时，随着全球制造业的自动化水平不断提升，精密减速器的市场需求将持续增长。特别是在中国，随着劳动力成本的上升和制造业的转型升级，国产精密减速器正逐步打破国际品牌的市场垄断，展现出巨大的市场潜力和替代空间。国内企业如绿的谐波、双环传动等，正通过技术突破和产品创新，逐渐在国际市场上占据一席之地。
参考资料：
1.一种高性能移动机器人一体化关节模组设计;洪健.蔡华祥.王晟
2.减速器专题研究:人形机器人带来产业深度变局;中泰证券