机械设备行业深度报告：对比Atlas看人形机器人商业化可能性关注精密减速器赛道正式版.docx

证券研究报告I行业深度I机械设备机械1殳备报告日期：2022年10月27日投资要点对比Atlas看人形机器人商业化可能性，关注精密减速器赛道一一行业深度报告行业评级：看好(维持)分析师：程兵执业证书号：S 123052202(X)02ChengbingoI SlOC分析卿：邱世梁执业证书号：S 123052(X)5(X)01qiushiliang研究助理：田子砚tianziyan相关报告1特斯拉人形机器人发布，运 控亮点突出，Al能力未来可期 2022.10.042从CyberOne看人形机器人行业发展，产业链迎来重大发展机 遇2022.08.24 波士顿动力机器人AtIas展现接近人类的运动性能，为未来商用人形机器人树立标杆。对标Atlas的算法、感知和动力系统，我们认为电驱未来完全有望实现Atlas电液驱动的运动表现，并且其成本优势可驱动产品打开消费市场。我们认为在未来35年内，随着他服电机、精密减速器的迭代，Al算法及环境感知技术的升级，人形机器人有望满足消费端市场需求，迎来行业爆发。建议重点关注运动控制系统核心零部件的谐波减速器、RV成速器，以及环境感知模块的激光雷达，围绕细分赛道寻找优质投资标的。 MPC为AtlaS步态算法核心，液驱以更高力密度促成AtIaS优异运动性能(1)波士顿动力MPC步态算法可实现枕迹优化和离线设计，保证AuaS实现实时行为反馈。(2)波士顿动力在液驱方面进行广而深的专利布局以降低液压系统的能耗，使得动力系统取得更高效率。液驱依靠流体动力，其力密度为电驱的十倍，使得AHaS具有超越人的运动性晶：(3)特斯拉OPtimUS算法结构与AtlaS类似，随着更具可用性的就迹优化行为库的数据积累，及在线动作调整的算法迭代，OPtimUS有望实现更多灵活行为。(4)电驱由于易于维护、低成本和零件规整的特点被商业化选择。目前电机普遍通过增大转矩和转速、加入稀土元素等途径满足更高功率需求，提升响应性能，并通过精密减速器实现更优动力输出。 谐波减速器：体积小精度高，满足人形机器人小关节要求(1)利用少齿差减速原理，谐波减速器可实现高精度运劫控制，且结构紧凑，体积更小，满足人形机器人关节设计的要求；(2)材料、齿形、轴承等决定减速器性能，国内厂商加速技术进步，在齿形设计、加工工艺等方面不断缩小和国外的差距；(3)对标日本哈默纳科发展，看好国内厂商在技术、产能等方面奋起追赶； 综合行星和接线传动优势，RV减速器承担大关节角色(1)RV减速器多级传动，具备大负载、工作平稳等优势；(2)RV减速器结构复杂，技术壁垒较高，关注国内创新打破垄断；(3)日系主导RV减速器市场，国内自研叠加全球机器换人创造发展机遇； 建议围绕环境感知模块和精密减速器赛道寻找优质投资标的(1)精密减速器：绿的谐波(谐波减速器)，双环传动(RV减速器)：(2)环境感知：参考智能驾驶领域行业进展挖掘投资机遇 风险提示人形机器人量产进度及出货量不及预期；伺服电机技术迭代不及预期；精密减速器产品迭代不及预期；正文目录1.1 高或轨迹优化和在线模型颈测控制为Atlas步履算法核心41.2 液驱以更存力密度促成AtlaS优异性能，电驱为未来商业化趋势选择61.3 电驱方案确定性强，精密减速器成为人形机器人核心零部件102谐波减速器：体积小精度高，满足人形机器人小关节要求112.1 利用少齿差减速原理，谐波减速器可实现高精度运动控制112.2 材料、皆形、轴承等决定减速器性能，国内厂商加速技术进步122.2.1 粉殊运动模式决定谐波减速器材料轿殊，柔轮材料要求高于刚轮122.2.2 宙形设计决定啮合效果和僦荷能力，国内具备自主专利打破壁垒142.2.3 交叉滚子轴承成为主流选择，多方向载荷能力优势显著152.3 对标日本哈默纳科发展，看好国内厂商在技术、产能等方面奋起追赶163综合行星和摆线传动优势，RV减速器承担大关节角色183.1 RV减速器多级传动，具备大负载、工作平稳等优势183.2 RV减速器结构复杂，技术壁垒较高，关注国内创新打破垄断203.3 日系主导RV减速器市场，国内自研受加全球机器换人创造发展机遇214关注人形机器人环境感知和运动模块投资机会224.1 国绕谐波和RV减速器国产化替代寻找优质投资标的224.1.1 绿的谐波，国产谐波成速器龙头，有望受益人形机器人带来的广阈增量空间224.1.2 双环传动，国内精密吉轮行业龙头，布局RV减速受益国产替代进程234.2 人形机器人感知模块，参考智能若驶发展寻找投资机会235.24图表目录图1：AtIaS感知渲染4图2:轿斯拉饨视觉系统示意图5图3:AtlaS跳舞和跑酷的算法框架6图4：粒斯拉人形机器人轨迹优化示意图6图5:AtlaS理想足部运动轨迹7图6:具有高中压油路和低压返回油路的液压系统示意图7图7:AUaS理想足部运动轨迹7图8:具有商中压油路和低压返回油路的液压系虢示意图7图9：MOOGE024伺服阀8图10:电驱方案下运动控制示意图8图11:波士顿动力机器狗液压驱动结构示意图9图12:谐波减速器结构11图13:谐波减速器工作原理11图14:谐波减速器相关技术专利统计12图15:ADl材料石丛球直径更小，分布密度更高13图16:谐波减速器柔轮失效主要形式13图17:柔轮材料不均匀导致微裂蚊及柔轮失效14图18:哈默纳科S型齿形设计增大接触面积，优化啮合效果14图19：绿的谐波拥有自主知识产权的齿形专利15图20:来福谐波自研齿形设计提升寿命和样矩容量15图21:交叉滚子轴承内部构造15图22:2021哈默纳科各类产品收入结构16图23:2021年哈默纳科产品下游应用行业占比16图24:RV减速器与谐波减速器适用位量18图25:RV减速器与谐波减速器适用位置18图26:RV减速器行星轮与偏心轴结构19图27:RV减速器摆线针轮差动齿轮变速原理19图28:2021年国内RV减速器市场格局21衰1：人形机器人关节设计对减速器的要求梳理10表2:交叉滚子轴承特点及优势16表3:哈默纳科谐波减速器产能扩张计划(单位：台/月)17表4:国内谐波减速器厂商产能建设情况17<5:RV减速器与谐波减速器主要技术指标对比19表6:RV减速器主要性能指标2()表7:RV减速器轴承工艺要求高20表8：双弧线齿轮椅点梳理21表9：国内谐波减速器厂商产能速设情况22表10:绿的谐波产品概况23表11:不同传感器技术存点对比241分析波士顿动力AtlaS高成本来源看人形机器人商业化可能性波士顿动力AtIaS机器人出色的运动性能为未来商用艰务型人形机器人树立标杆。波士顿动力AUaS展现了全球最前沿的人形机器人科研进度，可以跑酷、后空翻、跳舞、便用工具。其研发目标是“超越人”。Alias机器人以复杂的AI算法、多模态视觉感知和高性能电液驱动系统实现优异运动性能，但百万美金的高昂成本限制了商业化进程。挣斯拉以电驱替代液驱，旨在实现人彩机器人的产品标准化、低成本和可量产。特斯拉人形机器人使用电驱作为动力系统，优化关节数目降低静坐和快走的功耗，将FSD、DOjO芯片、纯视觉系统等自动驾驶技术迁移至人形机器人，优先运动控制算法研究。电驱有望替代液驱实现高运控性能，低成本优势驱动打开消费市场。电液驱动在惯量比、响应速度、力密度等方面具备显著优势，而伺服电机系统通过电机性能迭代、精密减速器优化等途径，未来有望在各项指标上实现突破，且目前国内外厂商及科研院所在各环节均发力突破。考虑到电驱在成本、维护、体积重量等方面均优于液驱，未来将是商用人形机器人的不二选择。人形机器人将持埃迭代，符斯拉OPtimUS商业前景可期，我们预计35年内可以提升电驱系貌至AHaS当前水平，人形机器人商用有望迎来爆发式成长。人形机器人运控模块的迭代升级也将打开视觉感知、精密减速器市场空间，建议重点关注谐波减速器、RV减速器和激光雷达方向。1.1离线轨迹优化和在线模型预测控制为Atlas步态算法核心人形机器人的步态及平衡控制具有较揖技术难度。人形机器人在移动时只受自身重力和地面作用力两方面外力，但机器人只能通过控制关节驱动力来控制步态，带来了研发的极大难度。环境感知：AtIaS通过TOF深度相机（15帧/秒）生成环境点云，集合测量数据。使用多平面切割算法在环境点云中提取表面，并将输出的数据揄入到地图系统建立模型。资料来源：AIIA,浙商证券研究所TOF（TimeOfFIight）深度相机，增加了像素Z轴的景深信息，也被称为3DTOF。给目标发送连续光脉冲，通过传感器接收物体反射光，计算发射和反射时间差或相位差，来换算目标距离以及深度信息，再结合传统相机拍摄，以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现目标的三维轮廓。特斯拉人形机器人感知视觉技术为自动驾驶纯视觉系统的迁移，发展相对成熟，具商业化规模成本优势。特斯拉视觉模块采用处理原始信息的神经网络，即纯视觉系统。借鉴GoogIeTranSfOrmer模型，搭建HydraNeI神经网络模型，优化视觉算法。它获取密集的视频数据，将其压缩到3D向量空间。实时处理摄像头传输的图像，转换为向量信息。形成所需要的全部三维空间信息，包括我条、边壕、路沿、交通指示、交通灯、位置、方向、深度、速度等。图2：特斯拉比视觉系统示意图资料来源：特斯拉AlDay,浙商证券研究所人形机器人步态算法种类繁多，以波士顿动力的MPC（ModelPredictiveControl）算法最为先进模型预测控制（MPC）最早应用于自动驾驶。Atlas团队负责人ScottKuindersma表示，Atlas的MPC算法有离线和线上两部分。首先根据CentroidalDynamics（能够将人形机器人欠驱动的自由度和关节速度映射成质心速度的模型）通过离线算法进行轨迹优化，优化出LibraryOfTemPIateBehaViOrS（行为模板库），在线上算法部分采用高效MPC使用机器人动力学模型来跟踪相应步态，输出作用力、落脚位置和时间等参数。轨迹优化离线设计模板是AtlaS行为执行的来源。研究人员更新行为库里的枕迹和功能，捕捉重要发力点。跳马和后空翻是AtlaS全身复杂行为优化设计的很好例证。MPC可以实现实时反馈。MPC可以在线调整行为时间，通常用于保持平衡、调整触地时间等。对于舞蹈动作，可以使用该模型来跟踪所需的BPM（每分钟拍子数）并与音乐合拍。图3:AUaS跳舞和跑酷的算法框架现鼻专农仿A模仿资料来源：SCOnKUinderSma主逾演讲，淅商证券研究所构斯拉OPtimUS步态算法中规中矩，与Atlas步态算法结构类似，目前可以保持平衡。特斯拉将捕捉的动作可视化处理，形成“关键帧”。并对人形机器人的躯干、手和腿等部位 的位置做详细的关键帧分析，将数据映射回机器人身上，实现枕迹优化。预计随时间推移特斯拉将搜集更多数据建立更具可用性的轨迹优化行为屋，并通过 在线动作调整实现Optimus更多灵活行为。图4：特斯拉人形机器人轨迹优化示意图资料来源：将斯拉Al Day,浙商证券研究所1.2液驱以更高力密度促成Atlas优异性能，电驱为未来商业化趋势选择AtIaS包含28个液压驱动器来提供动力。驱动器为充满加压流体的气缸，以很大的力 驱动活塞。定制伺服阀优化设计演变的更小、更轻。Atlas内部由流体管线连接液压驱动 器。如果管线断裂，红色液压流体会流出。液驱历史悠久，波士顿动力在液驱方面专利布局广而深。AUaS进行一系列研发降低 液压系统的能耗，使得动力系统取得更高效率。1）规划人形机器人理想双足运动轨迹。波士顿动力机器狗由于能量多次转换和多环 节传递产生能耗高的问题，AuaS设计足式机器人前行中理想足部轨迹，以降低液 压驱动能耗。图5: Atlas理想足部运动轨迹2）通过切换控制器和设计不同压力油路的液压系筑供给不同功率。为AUaS在不同场 合供给不同功率以降低功耗。波士顿动力在专利US201（X）090638Al中根据传感器 检测力，通过控制器控制阀进行开关，按照不同情景切换高低功率模式。并于专 利US20120291873A1中设计了具有高、中压油路和低压返回油路的液压系统。资料来源：将液压，浙商证券研究所3）采用以液压驱动为主的电液一体化方式提供动力AUaS背着蓄电池和微型液压动力站，通过判断关节承受的负载类型和大小选择合适的液压或电动制动器，使得机器人的功率消耗最低。液压驱动为离散力，电驱动为连埃力，两种方式互补册成期望力，达到最佳驱动败率。AUaS做后空翻等动作时，采用液压驱动更加安全，避免过大冲击引发电机爆炸。4）波士顿动力还布局了液压系统的稳定供压能力提升、不同压力组合、分阶段提供液压、延长液压零部件工作寿命、加快阀的响应速度等方面的专利。这些专利都有助于液压系统运行更加高效，减少功耗。图7: AUaS理想足部运动轨迹图8：具有高中压油路和低压返回油路的液压系统示意图»»»»' ¼u*d Io( ”仙 BMK l.kcVK AjCtMMXNI liMai cllMM>*资料来源：静液压，浙商证券研究所资料来源：静液压，浙商证券研究所电驱对比液驱主要劣势在于力密度，电驱目前在人形机器人倾城无法完全取代液驱。与AUaS不同的是，特斯拉人形机器人采用电驱。液驱依靠流体动力，可以在狭小空间实现密集解决方案。电力驱动通过电磁场产生电磁力，其单位质量作用力（力密度）目前只有液压驱动器的十分之一。德国力士乐电液驱动器驱动力可达200-250吨，体积相似的电驱只能达29吨。更大的力密度带来人形机器人更优质的运动性能。液压驱动力密度更大，响应速度更快，爆发力和控制力更好，运动更加平稳。波士顿动力副总裁AerOnSaUnderS表示AUaS用电驱可以跳3英尺（约0.9米），用液驱可以跳6英尺（约1.8米）。AtIaS采用液压驱动方案，其响应速度很大程度上取决于电液伺服阀的频率响应指标。AtIaS采用MOOG公司的航空伺服阀作为主控制阀，频响接近100OHz,即Atlas可在接近Ims的时间内对运动指令做出响应。伺服电机的频率响应功能反映在速度环周期和瞬态响应曲线这两个指标上，核心指标为伺服电机的频带宽度，目前日本安川的高性能伺服电机频带宽度可达到IkHz,即电机响应时间达1ms,与液压驱动非常接近。图9:MoOGEO24伺服阀资料来源：HyQRobOi,浙商证券研究所液压驱动器更大的惯量使得人形机器人运动更加平稳。液压驱动的惯量比电驱要大，能够承受跑步、跳跃等运动过程中的瞬时大负载，伺服电机自身惯量较小，受到外部大惯量榆入时容易对电机工作造成反作用，影响工作平稳性。电驱由于易于维护、低成本、零件规整更加有利于商业化。以Bigdog为例拆解液压系统：波士顿动力机器狗采用水冷二冲程内燃发动机作为动力源，通过发动机驱动液压泵，提供约11.19kW的功率。高压液压油通过过滤器、歧管、蓄能器和其他管路被输送到腿部执行器。热交换器用于冷却液压油，散热器用来冷却发动机以便持续运行，液驱系统还包括检测油压、油温和流量等传感器。目前人形机器人电驱方案主要采用伺服电机、伺服驱动器和编码器共用构成伺服系统。伺服系统用于准确控制输出的机械位移转角、位移速度和加速度等，满足机器人各部位各种运动方式的需求，且电机驱动的成本要低得多。图10：电驱方案下运动控制示意图资料来源：公开资料整理，浙商证券研究所图11:波士顿动力机器狗液压驱动结构示意图资料来源：BostonDynamics,浙商证券研究所由于力的限制，目前电机普遍通过增大转矩和转速来满足更高功率/求，加入稀土元素减少惯量以提升响应性能。功率=转矩X速度=力X半径X角速度。可以通过增加电动机的半径来增加转矩，或提升转速来满足功率的需求。根据盖世汽车研究院，目前18,OOOrpm的电机已逐渐量产，未来将进一步朝20,0(X)rpm以上发展。新南威尔士大学研发的高速电机每分钟超10万转，峰值功率密度可达7kWKg°加入稀土元素，可4倍提高材料磁饱和强度，减小转子惯量，提升电机响应性能。电驱在工业机骞人和军事领域逐步取代液驱。工业机器人领域，FANUC电驱超重负载机器人，负载为1700kg,重复精度+/-0.27mm。军事领域，俄罗斯苏-57战斗机使用电驱系统代替液压系统，用电缆代替液压管道，避免使用易燃有毒液体；提升战斗机生存性，电缆易于备份，防止一处损坏导致全驱动系统崩溃。我们认为未来35年内，版青电驱系然功率密度和响应速度的不断提升，将斯拉使用电驱在性能上可以媲美液压驱动。功率密度方面，特斯拉目前国产电机供应商为台湾富田电机，其低惯量交流感应伺服电机系列产品额定转速为1000-3000rpm,功率为37-190kW°随着直流空心杯电机(因为无铁芯转子，体积和质量较普通电机减少1/3-1/2)和高速电机的发展，更高转速和更小体积的电机预计将被引入人形机器人产业链，Atlas液压动力单元HPU的功率密度为5kW5Kgo新南威尔士高速电机研究员表示高速电机(7kWKg)推广到特斯拉电动车需要6-12个月，预估如果特斯拉想采用高速和高精度微特电机，3年内可以适配到人形机器人产业链。响应速度方面，目前特斯拉电动车Model3两个电机的扭矩切换相应时间只需要10ms,目前市场上已经存在响应速度(Ims)接近液压驱动的安川伺服电机。同时随着转子材料的进化，电机的响应性能将进一步提升。平稳性方面，伺服电机增强平稳性的核心解决方法是通过减速器减小外部输入，实现对原动机的减速增矩。1.3电驱方案确定性强，精密减速器成为人形机器人核心零部件减速器连接动力源和执行机构，具有匹配楮速和传递转矩的重要作用。设备由于不适宜用原动机直接驱动，减速器可将传动设备在高速运转时的动力，通过齿轮比传动（输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮）或是差齿传动（由于输入端和输出端齿轮数量差异产生减速），达到降低转速和增大扭矩的目的。人形机器人关节数量多，结构复杂，对减速器的精度、体积重量、减速性能等均提出很需要求.考虑人形机器人要模拟人类的运动模式，需要具备高精度、高稳定性的特点，且由于整机重量过大会增大机器人动力负担，减速器也必须尽可能轻量化。因此我们认为，在人形机器人的膝关节、藕关节等大关节处，RV减速器具备良好的应用前景：而在小关节处，谐波减速器是最优解决方案。表1:人形机器人关节设计对减速器的要求梳理要素具体分析重量选用较质材料或结构简单的减速器，以减轻整机重量。尺寸大小模拟人类关节，减速器要求结构紧凑，总体尺寸不大于IOCn输出扭笼参考成年男性动力学数据，关节输出扭矩应不小于30Nm；传动精度人形机器人需实现精密运动控制，传动误差不能大于10身分资料来源：局域准力矩业机驱动的仿人机器人系统设计，高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究，浙商证券研究所整理2谐波减速器：体积小精度高，满足人形机器人小关节要求2.1 利用少齿差减速原理，谐波减速器可实现高精度运动控制谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大部分构成。相比于传统的减速器，谐波减速器以独特的三元件结构，在紧凑轻便的结构中实现高减速比，并具备零背隙、高扭矩和高定位精度的优点。谐波减速器三个基本部件分别为波发生器(WaveGenerator)、柔轮(FleXSpline)和刚轮(CircularSpline):波发生器：由一个专门设计的薄滚珠轴承组成，该轴承安装在椭圆轮较上，通常用作输入并连接到伺服电机。柔轮：由合金钢制成，呈薄圆柱形杯状，开口端有外齿，径向具备较大的弹性，工作过程中柔轮呈椭圆形。刚轮：带有内齿的刚性环，工作过程中与柔轮外齿相啮合。图12:谐波减速器结构资料来源：维科网，浙商证券研究所谐波减速器利用新型传动理论，利用少齿差原理实现精密减速控制。柔轮直径略小，且齿数比刚轮少两个。波发生器的椭圆形状使柔性齿轮的齿在椭圆长轴上的两个相对区域与刚轮啮合。波发生器每旋转18()度，柔轮由于齿数的差异，会相对刚轮反方向前进一个齿。因此波形发生器每带动柔轮工作一周，柔轮将相对刚轮从其原始位置旋转两个齿的角度，从而实现减速，减速比为刚轮齿数与刚轮和柔轮齿数差的比值。图13：谐波减速器工作原理资料来源：维科网，浙商证券研究所谐波减速器具备高精度、结构简单等优势，应用范围广泛.谐波减速器的各项优势，使其在医疗器械、光伏设备、半导体设备等领域均有应用前景。（1）传动精度商：谐波减速器工作过程中齿轮传动装置多齿在180度对称位置同时啮合，啮合医数占比可达30%,因此齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。（2）减速比大，传动效率而：谐波减速器齿轮传动的基本戒速比为30-320,额定负载输出时的传动效率可达65%96%,显著优于普通齿轮传动装置,（3）结构简单，寿命长：谐波减速器的体积和重量约为普通齿轮传动装置的1/3,且在工作过程中啮合齿数多，轮齿单位面积应力载荷小，运动冲击小，轮齿磨损小，使用寿命更长。（4）轮齿间隙小，传动平稳，安装方便：谐波减速器通过特殊的齿形设计使得柔轮和刚轮的啮合过程实现连续性的渐进和渐出，消除齿面滑移速度突变，保证传动的平稳性和低噪声。同时谐波减速器可根据使用需求，选择波发生器、柔轮和刚轮中作为输入和输出的环节，获得不同的减速和加速比。2.2 材料、齿形、轴承等决定减速器性能，国内厂商加速技术进步谐波减速器作为技术密集型行业，技术壁垒高。从谐波减速器相关技术的专利申请看，可以分为总体结构、柔轮、刚轮、柔性轴承、齿形等IO个分支，其中近年来国内外厂商在减速器结构、波发生器、柔轮和加工工艺这几个方面加大研发力度3我们认为，材料、齿形和轴承工艺是决定谐波减速器性能的核心环节，随着国内厂商近年来不断加大自主研发力度，产品性能显著提升，国产化替代正在加速进行中。图14:谐波减速器相关技术专利统计资料来源：谐波减速器技术专利分析研究，浙商证券研究所整理2.2.1 特殊运动模式决定谐波减速器材料特殊，柔轮材料要求商于刚轮作为谐波减速器传动减速的核心部件，柔轮和刚轮的材料要求构殊。其中柔轮由于其特殊的运动模式，对材料提出更加严苛的要求，国内厂商从材料选用、提纯工艺等入手，不断提升谐波减速器性能，缩小与国外头部厂商的差距。削轮材料实现国产替代，国内ADl材料性能超越球&轿铁。刚轮是谐波揄出圆周运动的载体，在与柔轮啮合的过程中具备减磨抗磨特性。刚轮材料的选用上，以日本哈默纳科为代表的国外厂商普遍采用球墨铸铁，球墨铸铁具备切削性能好、自润滑、导热好、比重小等优势，长期以来都是保证减速器寿命的最佳选择。国外对原材料技术严密控制，我国自主研发突破壁垒。国内通过产学研联合研发，对超细密ADI（等温淬火球墨铸铁）材料进行改良，取得谐波减速机专用的自泄滑ADl材料。ADl材料在高硬度切削性能、石墨球直径及分布密度、服役温度区间等方面均优于传统球墨铸铁，为国内谐波减速器原材料选择开拓了一条新的道路。图15：ADI材料石墨球直径更小，分布密度更高资料来源：等温淬大球墨势铁（ADD理论、生产技术及应用，浙商证券研究所整理柔轮工作模式将殊，材料需求特殊，对杂质成分要求严苛。谐波减速器工作过程中，柔轮不断变形，并且要同时承受弯曲和扭转两种应力，长时间运转容易导致柔轮疲劳断裂,从而造成谐波减速器失效，影响使用寿命。谐波减速器柔轮疲劳断裂主要经过生核、扩展与断裂三个阶段。裂纹一般都在表面形成，然后向内部扩展，选择的材料最好使其既不易生核又要使裂纹扩展速率最低，使裂纹扩展到更大范围时才进行最后断裂。在实际应用过程中，柔轮筒体的疲劳断裂和齿面磨损较为普遍，因此柔轮材料需要满足扭转刚度高、耐磨性好等特点。图16:谐波减速器柔轮失效主要形式资料来源：谐波减速等柔轮疲劳断裂失效分析，浙商证券研究所整理柔轮材料以40Cr合金钢为主，国外提他技术南杂质少，国内通过技术革新缩小差距。目前，国内外的谐波减速器柔轮材料基本为40Cr合金钢，其中40CrMoNiA与40CrA最常用，但由于原材料中含有的杂质会导致微小裂纹进而影响使用寿命，因此对原始胚料的纯度要求极高。目前国外提纯技术较高，因而材料相比国内的杂质少，我国经过多年研发，通过对原材料进行高精密的电渣重熔提纯，反复旋压等技术手段，提高了柔轮材料各项性能指标的稳定性，保证了柔轮疲劳强度的苛刻要求。图17:柔轮材料不均匀导致微裂纹及柔轮失效资料来源：谐波减速器挣殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析，浙商证卷研究所整理2.2.2 齿彩设计决定啮合效果和载荷能力，国内具备自主专利打破壁垒齿形设计决定谐波减速器啮合效果、传动平稳性和工作寿命。一方面，谐波减速器工作过程中，柔轮轮齿在啮合过程中受到扭转应力，增大同时啮合的齿数比例可以降低齿面应力，提升柔轮扭转刚度从而延长使用寿命。另一方面，特殊的齿形设计可延长轮齿啮合区域，优化减速器工作过程中的啮合效果，减小轮齿背隙，进而实现平稳的传动效果。日本哈默纳科自主开发S型齿轮齿形，优化齿轮啮合效果。它具有S齿形独有的特殊曲面，可与齿形连续接触。通过根据齿轮齿厚加宽齿槽宽度和扩大底部半径来缓解应力集中，减少刚轮与柔轮切齿的摩擦系数：工作过程中有30%齿数同时啮合，有效均化传动误差，提高传动精度。此外，齿根半径的增大提升了轮齿强度，降低启动力矩的同时减少温升效能，可实现谐波减速器高扭矩、高扭转刚度、长寿命和平稳我特。图18:哈默纳科S型齿形设计增大接触面积，优化啮合效果资料来源：谐波减速器研究现状及问超研究，浙商证券研究所堂理国外厂商在齿形设计方面先发优势显著，专利锌就深厚护城河。以日本哈默纳科为代表的海外厂商在谐波减速器齿形设计和传动结构方面申请大量专利，导致后进入的厂商在齿形设计方面必须在绕开专利的情况下自研齿形和传动结构，难度极大。国内绿的谐波深耕谐波减速器行业，自研“P”形齿，打破音形设计国外堂断。绿的谐波基于对谐波传动理论的深入理解，跳脱出传统的渐开线齿轮设计理论，率先打破日本哈默纳科垄断，开发出具有自主知识产权的P型齿，通过降低齿高、增大齿宽降低轮齿的断裂风险；P型齿设计使得谐波减速器在工作过程中柔轮变形量较小且更多的轮齿同时参与啮合，降低齿面比压，延长工作寿命。来福谐波自研齿形，可显著提升谐波减速器性能。来福谐波在双圆弧齿形基础上自主研发设计齿形，具有接触应力小、寿命长、啮合性能好、噪音低、工作平稳的特点。公司官网产品性能数据显示，LSG系列产品工作寿命较标准产品的寿命可提升30%以上，转矩容量提升超过30%o图20：来福谐波自研齿形设计提升寿命和转矩容量图19：绿的谐波拥有自主知识产权的齿形专利资料来源：绿的谐波招股说明书，浙商证券研究所顶部曲线2.2.3 交叉濠子轴承成为主流选择，多方向载荷能力优势显著谐波减速器波发生器轴承臬求承受径向和轴向应力，交叉滚子轴承相比传然滚珠轴承优势明显。谐波减速器利用柔性轴承可控的弹性形变传递运动和动力，工作中轴承随柔轮的弹性变形不断的发生变化，不仅承受循环应力载荷，而且承受交变应力载荷。传统滚珠轴承仅能承受一个方向上的应力，且难以满足谐波减速器结构紧凑和高精度的要求，因此交叉滚子轴承成为更优的替代方案。图21：交叉滚子轴承内部构造资料来源：OFweek,浙商证券研究所整理交叉滚子轴承可起到有效支撑及减少摩擦的作用，同时承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等多方向的负荷。交叉滚子轴承的滚动体一般采用圆柱或者圆锥滚子在单一滚道槽里边呈十字交叉相互排列形式，滚子之间通过黄铜保持器或者工程塑料隔离块间隔起来，从而具有较高的旋转精度、较大的承载力、较小的外形尺寸及较高的旋转速度和刚性。表2:交叉滚子轴承特点及优势将点优势交叉滚子轴承中滚子排列特殊，滚子之间装有间隔保持器，防止流子之间旋转新度相互摩擦和倾斜，避免钺死。内外环分离结构使轴承在被施加压力情况下也能进行旋转运动。操作安装交叉潦子轴承外环和内环分隔，装入潦子和保持器后可自然固定，可缩短生产周期。使用场合交叉潦子轴承的内外环尺寸更加小型化，结构紧凑,并且保有高刚度，能大幅节省安装空间，适合在结构紧凑的场合使用。资料来源：OFweek,浙商证券研究所整理材料与热处理成为柔性轴承核心问题，绿的谐波率先打破国外垄断。谐波减速器工作过程中轴承同时承受随球体的压力和高速运动的变形。材料过软易导致沟道受损，过硬则轴承容易断裂。2020年绿的谐波获得交叉混子轴承专利，成为国内第一家具备独立生产能力的减速器企业。2.3 对标日本哈默纳科发展，看好国内厂商在技术、产能等方面奋起追赶哈默.纳科(HarmoIIiCDrive)作为全球谐波减速器行业绝对龙头，业务遍布全球，产品应用场景广泛。哈默纳科目前主营业务可分为精密减速机(谐波减速器、减速器组件和行星减速器)和机电一体化(执行器和控制器)两个板块，产品广泛应用于工业机器人、半导体设备、面板制造设备、机床、光学仪器、检测设备、车载等领域，下游行业工业机器人占比超50%o图22:2021哈默纳科各类产品收入结构图23:2021年哈默纳科产品下游应用行业占比资料来源：公司财报，浙商证添研究所整理资料来源：哈欧纳科官网，浙商证券研究所对标哈默纳科发展历程，近年来以绿的谐波为代表的国内厂商从产能速设、产品升级和多样化、机电一体化三个方面不断迭代，看好谐波减速器国产化替代加速进程。(1)产能建设，哈默纳科多年积累优势显著，国内厂商发力布局加速追赶。哈默纳科起步于日本市场，经过多年发展逐渐向欧美及亚洲其它国家布局，在全球需求增长的背景下16/25请务必阅读正文之后的免责条款部分持续提升产能，迅速抢占市场份额。截至2022年3月，哈默纳科在谐波减速器领域的产能已经达到每月18.5万台，同时产能还在持续提升中，公司官网数据显示，预计到2023年3月谐波减速器产能将达到每月25.5万台。表3：哈默纳科谐波减速器产能扩张计划（单位：台/月）子公司工厂2018.32022.32023.3E日本谐波传动系统有限公司Hotaka梗高工厂560009000090000Ariake有明工厂（车载）100006000060000日本谐波传动系统有限公司新工厂1（车载）30000新工厂240000德国HarmonicDriveSELimburg工厂IO(MX)27027000美国HarmonicBeverly工厂80008000DriveL.L.CPeabody工厂3000合计（不含车栽）69000125000165000合计79000185000255000资料来源：哈默纳科官网，浙商证卷研究所整理国内谐波减速器厂商加速产能建设，有望提升市场份颁。近年来国内谐波减速器厂商扩产速度明显快于国外。绿的谐波年产能已从2020年上市前的9万台增长到2021年底的30万台，并设定了50万台的年产能目标。内资品牌纷纷发力建设产能，随着技术迭代推动产品竞争力提升，有望加速渗透下游市场推进国产化替代进程。表4：国内谐波减速器厂商产能建设情况公司发展情况产能建设绿的谐波成功打破国际品牌在中国市场的垄断地位，目前2021年底，年产能30万台，计划最终是国内谐波减速器龙头企业年产能达到50万台来福谐波产品包含多款技术精益的谐波减速器，公司实行差异化竞争路线，与国内本体企业共同开发产品年产能24万台同川科技汉宇集团控股子公司，2021年实现超过万套产品出货量年产能10万台中大力健国内工业机器人RV减速器第一梯队，于2020年实现谐波减速器小批量生产减速器总年产能为约10万台国茂股份2021年成立控股子公司国茂希密传动，主营包括目前年产能3万台，计划提升至10万谐波减速器，RV减速器等精密减速器。台资料来源：各公司公告，浙商证券研究所整理（2）国产谐波减速再在产品丰富程度上较海外巨头仍有差距，看好厂商提升产品性能与扩克产品矩阵双管齐下，加速国产替代。哈默纳科持续迭代产品和技术，产品向高精度、高转矩容量、小型化和轻量化发展，相较于国产产品更在小型化和精细化的应用场景优势更加显著。质量决定产品竞争力，应用场景决定发展空间。国内谐波减速器厂商要想进入下游厂商供应犍，需要经历约12年的试机过程，耗时较长并且未能通过导致的损失较大。因此厂商必须加大技术研发，提升产品的性能从而得到与更多下游客户的合作机会。除机器人外，哈默纳科的成长还有半导体、面板等下游赛道的放量成长。不同应用场景对谐波减速器产品的使用要求都不一样，包含精度、扭矩、体积、适用环境等维度。因此，面对不断变化的下游市场，需要不断开发新产品，以适应不同的应用场景需求。3综合行星和摆线传动优势，RV减速器承担大关节角色谐波减速器使用存在局限性，RV减速器在人册机器人大负载关节的地位无法取代。谐波减速器无法承载大负荷主要有两个原因：一是瞬时传动比不稳定，由于谐波减速器柔轮在启动/制动阶段轮齿易发生弹性膨变，输入端与输出端的瞬时位移比值不稳定，在大负载的情况下易出现滑齿现象；二是部件共振问题，谐波减速器部件固有振动频率与其材料特性和扭转刚度相关，在大负载情况下减速器更容易产生共振问题，影响工作寿命。RV成速器在工业机器人领域已有成熟应用，看好其在人形机器人场景继续发挥重要作用。RV减速器体积大，负载能力和刚度高，可用于机座、大臂、肩部等重负载位置，而谐波减速器体积小、传动比和精密度高，主要应用于小臂、腕部或手部。图24：RV减速器与谐波减速器适用位置资料来源：2022中国工业机器人市场研究报告，浙商证券研究所整理3.1 RV减速器多级传动，具备大负载、工作平稳等优势RV减速器实现多级传动，具备大负载、工作平稳等优势。RV减速器与摆线针轮减速器同源，主要有摆线针轮和行星支架组成。结构包括输入轴、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针齿轮和行星架，目前RV减速器多采用两级摆线针轮减速机构。图25:RV减速器与谐波减速器适用位置资料来源：2022中国工业机器人市场研究报告，浙商证券研究所整理RV成速器结合行星传动和摆线传动两种形式，是由第一级渐开战圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分烟成，为一封闭是动