工业机器人中的减速器作用分析

减速器

精密减速器是连接伺服电机和执行机构的中间装置，通过齿轮啮合将伺服电机的动力传递到执行机构上，起到匹配转速和传递转矩的作用。 根据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%。 常见的减速器有行星齿轮减速机、RV减速机、谐波减速机等。

RV减速器和谐波减速器是工业机器人最主流的精密减速器。 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，一般放置在机器人机座、大臂、肩部等重负载的位置；谐波减速机具有单极传动比大、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，使其在机器人小臂、腕部、手部等部位具有较大优势。   根据机器人协会统计，全球范围内机器人行业应用的精密减速机可分为RV 减速机、谐波减速机和SPINEA减速机，三者的市场销售数量占比约为 40%、40%、20%。

减速器的价格一般与其体积有关，一般直径越大的减速器价格越高。由于机器人的自由度较高，全身的减速器数量也较多，因此在总成本中，减速器的占比也要略高于工业机器人。   对于高精度机器人减速器，日本具备绝对领先优势，目前全球机器人行业75%的精密减速机被日本的哈默纳科和纳博特斯克两家垄断，包括ABB、发那科、库卡等国际主流机器人本体厂商的减速器均由上述两家公司提供。

从产品类型来看，国产谐波减速器替代相对明显，目前已有如绿的谐波、来福等优质厂商，2021年仅绿的谐波已达到国内25%的市场份额。RV减速器有较高的技术和投资门槛，国内市场，减速器龙头厂商纳博特斯克占据一半以上市场份额，剩余竞争格局较为分散，如双环传动、南通振康、中大力德等开始出现，其中双环传动占比最高，2021年RV减速器市占率达14%。

从目前工业机器人市场来看，一台六轴机器人总共使用6个减速器，其中底座、肩部一般使用RV减速器，其余部分一般使用谐波减速器（约4个）。   单台工业机器人所需精密减速器中，RV减速器占比约为 60%-80%。RV 减速器结构复杂，兼具行星减速器和摆线针轮减速器优势。多关节机器人负载较大，驱动精确性要求高，通常在对应关节处需要配套1个伺服电机+1个的减速器实现驱动，单个机器人RV减速器需求量为4-5个。   人形机器人关节数量远超普通工业机器人，人体共有78个已命名关节，其中适用谐波减速器的肘关节、腕关节、指关节、趾关节共有60 个，因此人形机器人若要实现接近人体的活动自由度，则减速器用量将数量级增长。   根据产业链调研，人形机器人的减速器一般不少于40个。具体数量主要取决于手指数量、手腕弯曲度、腿部弯曲度等。一般，指关节可以通过拉线、编码器来完成，一根手指最多需要一个减速器，每只手5个手指则需要4-5个减速器。因此，一般两只手臂、一个脊、每只手5个手指的机器人其减速器数量大约在45-50个。

长期看谐波减速市场规模有望持续增长，预计2025年市场过有望超过30 亿。

根据MIR 数据，2021年国内RV减速机市场规模42.95亿元，预计2025年中国RV减速器市场规模达65.53亿元。  伺服系统 伺服系统是能精确控制执行机构的自动控制系统，主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成，编码器通常嵌入于伺服电机。   伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。

工业机器人的伺服系统体积较大，有部分机器人伺服系统外置，因此其集成度不比人形机器人。另外，工业机器人通常使用交流伺服电机，对精度要求更高、体积更大，而人形使用的是直流无框力矩电机，可以在较小体积下输出较大的力，而且没有外框，只有一个转子、定子。   伺服系统的设计一般根据机器人应用场景而定，例如机器人的身高、体重、负载等。   从组成上看，人形机器人的伺服电机、驱动器、编码器、减速器等集成在一起，整体组成一个“空心杯”形状的集合

对于颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节来说，可采用标准的电机组合形式。对于手部关节，空间狭小、要求较高，可选方案较多： 1）双手28个关节均采用微机电系统； 2）双手10根手指均采用微型电缸控制，电缸可放在手掌空间； 3）无名指、小指、中指联动，采用微型电缸控制。

伺服电机产业链涉及稀土磁材、电子原器件、伺服系统制造、机器人等。上游来看，伺服电机行业的上游主要是稀土磁材和电子零部件等其他材料，稀土磁材是伺服电机制造过程中必需的重要原材料。

据统计，2017-2021年中国伺服系统由97亿元上升至224亿元，CAGR为23.3%，增速较快，预计未来两年伺服系统市场规模将近300亿元。 我国伺服系统主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营。近年来，国内厂商通过引进、消化吸收国际先进技术，逐渐在国内市场中取得一定的份额。据数据，2020年我国伺服市场中，日韩品牌占据约51%的市场份额，国产品牌占据约30%份额，欧美品牌占据约19%份额；其中，安川、三菱和松下分别以 11.3%、10.5%、9.9%的市场份额位列前三。国内伺服企业汇川、禾川技术和埃斯顿2020年国内市场份额分别为9.8%/3.0%/2.0%。

编辑：黄飞