【中郵機械丨深度】人形機器人系列專題（七）：諧波減速器—機器人輕負載關節的核心傳動部件

摘要諧波減速器是機器人領域傳動的核心。減速器是機械行業中應用極為廣泛的元件，連接并調和動力源與執行機構，其核心指標包含減速比、傳動效率、精度、壽命等。諧波減速器相較傳統減速器結構簡單，使得其體積小、傳動比大，適用于機器人的小關節場景。諧波減速器的核心原理在于剛輪與柔輪之間的錯齒運動。一般情況下，柔輪會比剛輪少兩個齒，通過調整柔輪和剛輪的相對齒數，可以獲得不同的傳動比。諧波減速器具有體積小、重量輕、承載能力大、傳動精度高、反向傳動無間隙、單級傳動比大、高扭矩等優點。下游工業機器人領域的應用中，以諧波與RV減速器為主流，諧波相較來說在小臂、腕部、手部等部位更具優勢。人形機器人中輕負載的關節主要會需求諧波減速器，每臺人形機器人上需要配備14臺諧波減速器。行業市場規模穩健成長，國產替代正當時。中國諧波減速器整體市場規模有望突破30億，下游應用主要為工業機器人和數控機床等。海外龍頭哈莫納科市場份額最大，但國產品牌正加緊實現國產替代。下游工業機器人市場的應用需求穩步增長。人形機器人規模化量產應用，有望打開諧波減速器巨大增量市場。作為技術密集產業，原材料及制造工藝尚需突破。諧波減速器行業技術壁壘較高，柔輪材料、齒形及軸承工藝是決定產品性能的核心點。針對行業技術壁壘，國產品牌正在不斷追趕并有所收獲。人形機器人開始規模化量產落地，諧波減速器作為核心標品部件將迎來較大成長機遇。如諧波減速器之類技術含量較高的標品部件，就會形成有效的市場化競爭，最終跑出行業新龍頭。重點關注標的：綠的諧波、昊志機電、豐立智能、國茂股份。相關標的還有雙環傳動和中大力德，都是精密減速器領域中的領先企業，不過這兩家公司的產品以RV減速器為主。

l風險提示：

人形機器人規模化不及預期風險；諧波減速器降本不達預期風險；人形機器人產業競爭加劇風險；產品技術突破受阻風險。

正文

1 諧波減速器：人形機器人關節傳動的核心

減速器是機械行業中應用極為廣泛的元件，連接并調和動力源與執行機構，其核心指標包含減速比、傳動效率、精度、壽命等。工業場景中一般負載較大但需求精度不高，多應用圓柱齒輪減速器、三環減速器、蝸輪蝸桿和擺線針輪減速器；我們所關注的人形機器人應用場景精度要求極高，現階段實現規模應用的高精度場景主要包括工業機器人、數控機床、航空航天等領域，一般會應用精密齒輪減速器、諧波減速器或RV減速器。針對于精度要求高的場景，部分主流減速器的對比情況如下圖所示：

諧波減速器相較傳統減速器結構簡單，使得其體積小、傳動比大，適用于機器人的小關節場景。諧波減速器的結構主要包含波發生器、柔輪和剛輪三部分，波發生器內圈固定在橢圓形凸輪上，外圈是柔性軸承與輸入軸相連，通過滾珠發生彈性形變；柔輪采用柔性金屬材料制成，一端開口部外圈有齒，另一端大部分封閉形成薄杯狀；剛輪使用剛性材料制成，內圈有齒。三部分可以任意固定其一，剩下一主動一從動，從而實現減速，也可以兩輸入一輸出形成差動傳動。實際使用當中一般是固定剛輪，利用電機帶動波發生器，柔輪長軸兩端的外齒與剛輪內齒嚙合而短軸外齒脫開，轉動過程中橢圓凸輪迫使柔輪不斷變形，使得柔輪外齒同剛輪內齒依次嚙合。

諧波減速器的核心原理在于剛輪與柔輪之間的錯齒運動。一般情況下，柔輪會比剛輪少兩個齒，即最常見的雙波傳動。剛輪和柔輪的齒數差應為機械波數的整數倍，根據齒數差不同，也有單波及三波的分類。以常見的雙波傳動為例子，假設剛輪有200個齒，柔輪有198個齒，電機帶動波發生器順時針轉動一圈，柔輪便旋轉2/200圈，即逆時針錯位2個齒，此時減速比為100。通過調整柔輪和剛輪的相對齒數，可以獲得不同的傳動比。

諧波減速器具有體積小、重量輕、承載能力大、傳動精度高、反向傳動無間隙、單級傳動比大、高扭矩等優點。

下游工業機器人領域的應用中，以諧波與RV減速器為主流，諧波相較來說在小臂、腕部、手部等部位更具優勢。RV減速器傳動比范圍大、精度較為穩定、疲勞強度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力，一般放置在機器人機座、大臂、肩部等重負載的位置。諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優點，使其在機器人小臂、腕部、手部等部位具有較大優勢。少數情況會使用到行星減速器，一般是在直角坐標機器人中，主要是行星減速器性價比高、耐磨性強，且部分場景下減速比和精度的要求較低。

人形機器人中輕負載的關節主要會需求諧波減速器，每臺人形機器人上需要配備14臺諧波減速器。以特斯拉Optimus為例，全身共計28個執行器和12個手部空心杯關節，其中手部的空心杯電機一般會搭配精密行星減速齒輪箱，而其余的28個執行器被劃分為3種規格的旋轉執行器和3種規格的線性執行器，旋轉執行器共計14個（左右肩Pitch+Roll+Yaw關節共3×2個、雙臂手腕Yaw關節共1×2個、髖部Roll+Yaw關節共2×2個、腰部Roll+Yaw關節共2個），根據特斯拉分享出的執行器動態拆解圖可知，每個旋轉執行器中包含一個諧波減速器，而線性執行器中則是直接使用行星滾柱絲杠，因此我們可以大致認為，人形機器人對于諧波減速器的需求量是每臺14個，未來隨著降本需求，在一些精確度或減速比需求不高的關節，也有可能替換為行星減速器以節約成本。

2 諧波減速器行業情況

2.1 市場規模穩健成長，國產替代正當時

中國諧波減速器整體市場規模有望突破30億，下游應用主要為工業機器人和數控機床等。諧波減速器下游適用場景最主要是機器人上，如工業機器人關節、電液驅動關節、移動機器人旋轉關節等，其次則是機床數控轉臺。根據中商產業研究院發布的《2023全球與中國市場主減速器深度研究報告》顯示，2022年我國諧波減速器市場規模約21億元，預測2025年中國諧波減速器市場規模有望超過30億元。

海外龍頭哈莫納科市場份額最大，但國產品牌正加緊實現國產替代。2022年我國諧波減速器市場競爭格局中，哈默納科市場份額最大，占比38%，其次是綠的諧波市場份額為26%。目前，我國國產品牌在市場占有率不斷提升，國產諧波減速器已基本可以實現國產替代，在減速比、輸出轉速、傳動精度等方面和海外品牌差距明顯縮小。

2.2 下游工業機器人持續向好，人形機器人打開新增量

下游工業機器人市場的應用需求穩步增長。工業機器人作為現代工業發展的重要基礎，已經成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志。近年來，在國內密集出臺的政策和不斷成熟的市場等多重因素的驅動下，我國工業機器人產量總體保持穩定增長態勢。根據中商產業研究院發布的《2023-2028年中國工業機器人行業深度調查及投融資戰略研究報告》顯示，2022年中國工業機器人市場規模達到585.17億元，2019-2022年的年均復合增長率達16.5%，預測2024年中國工業機器人市場規模將增至726.42億元。2022年全國規模以上工業企業的工業機器人累計完成產量44.31萬套，2018-2022年間年均復合增長率為31.61%，預測2024年中國工業機器人產量將達到48.92萬套。

人形機器人規模化量產應用，有望打開諧波減速器巨大增量市場。原本工業機器人領域，每臺六軸多關節機器人需要搭配6臺精密減速器，其中負載10kg以下機器人主要使用諧波減速器；10-20kg及更高負載的機器人小臂、手腕關節可以采用諧波減速器；負載30kg以上的，在其輕負荷的末端關節上也能夠使用諧波減速器。SCARA機器人一般使用2-3臺諧波減速器，DELTA機器人則需使用3臺諧波減速器，協作機器人全部關節使用諧波減速器，一般使用6-7個。

前文中，我們大致估計單臺人形機器人可能搭載14臺諧波減速器，后續可能隨著人形機器人規模上量，降本需求進一步提升而減少用量，比如先優化掉2個手腕處的需求，再進一步優化掉髖部的4個，或是達到相同目的的其他路徑。結合此前系列報告中對于人形機器人總需求的預測數據，可得人形機器人量產后有望帶給諧波減速器巨大增量空間，2026E/2028E人形機器人產量突破10/100萬臺時，諧波減速器的增量市場規模為15.89/74.58億元。

2.3 技術密集產業，原材料及制造工藝尚需突破

諧波減速器行業技術壁壘較高，柔輪材料、齒形及軸承工藝是決定產品性能的核心點。柔輪在工作過程中會不斷形變，同時承受著屈力和扭轉力，長時間作業容易暴露出柔性材料本身的純度問題，致使部件疲勞斷裂，繼而影響產品的使用壽命；齒形的設計決定了諧波減速器的嚙合效果、傳動平穩性及壽命；柔性軸承的潤滑、溫升、承載極值也影響著減速器的質量。以《諧波減速器服役過程中柔輪斷裂失效原因分析與工藝改進》（穆曉彪，張永奇等）文中的實驗數據為例，斷裂失效的柔輪系國產品牌產品，其原材料為40CrNiMoA，經實驗室分析產品斷口處有夾雜物引起的微孔，可以看出原材料的純度水平尚有差距，但這并不是引起柔輪斷裂的主要原因。最終發現原奧氏體晶粒較粗大是導致柔輪疲勞斷裂的主要原因，而成熟的熱處理工藝能夠有效抑制此種晶粒的生長，達到細化效果。此案例可以幫助我們大致了解到諧波減速器產品發展的技術桎梏。

針對前述行業技術壁壘，國產品牌正在不斷追趕并有所收獲。柔輪材料一般以40Cr合金鋼為主，國外的提純技術水平較高，成品雜質少，不過我國經過多年研發，有效提高了柔輪材料各項性能的穩定性，保證了柔輪疲勞強度的苛刻要求。另外，海外龍頭公司在自主開發的齒輪齒形上申請了大量專利，導致后入者在齒形設計方面必須繞開，難度更加被提高，不過綠的諧波通過多年技術及研發積累，發明了全新的“P型齒”結構，與國外主流齒形技術路線實現了差異化，并大幅提升了諧波減速器的輸出效率和承載扭矩。國產軸承由于原材料純度低且加工工藝積累薄弱導致整體穩定性較差，此方面未來仍需不斷追趕。

3 重點關注標的

人形機器人開始規模化量產落地，諧波減速器作為核心標品部件將迎來較大成長機遇。現階段，特斯拉、傅利葉、Figure等在人形機器人領域走在發展前沿的公司，都已開始布局產品的量產落地過程。可以預見到，人形機器人規模化應用的起點在向我們快速靠近。規模化應用之后將帶來對于各類核心零部件供給能力的考驗，其中一部分非標品或技術含量不高的零部件，其市場中可能會形成一些依附于人形機器人廠商的小供應商，每家供應商的市場份額都不會特別高，而如諧波減速器之類技術含量較高的標品部件，就會形成有效的市場化競爭，最終跑出行業新龍頭。

綠的諧波

公司自主研發突破多項技術專利，市占率僅次于哈默納科，募資投建大力擴充產能。經過多年持續研發投入，公司在國內率先實現了諧波減速器的工業化生產和規模化應用，打破了國際品牌在國內機器人諧波減速器領域的壟斷。同時，公司通過自主創新、自主研發，發展完善了新一代諧波嚙合“P齒形”設計理論體系、新一代三次諧波技術、軸承優化、獨特材料改性技術、齒廓修形優化技術等核心技術。目前，公司已經成長為國內企業中諧波減速器行業龍頭，在全球及中國市場上僅次于哈默納科，且在國內市場的市占率逐年攀升。另外，公司通過上市募資投建的年產50萬臺精密諧波減速器項目，已經建成并投入使用，其產能足以應對未來人形機器人的規模化量產潮流。

截至2024年2月25日，根據Wind一致預期數據，2023-2025E公司營業收入為3.57/5.65/8.48億元，同比-19.90%/+58.31%/+50.04%；歸母凈利潤為0.84/1.72/2.51億元，同比-45.80%/+104.03%/+45.92%。對應當前股價的PE分別為307.58x/129.44x/88.71x。

昊志機電

國內電主軸龍頭，基于數控機床產品線不斷外延向機器人領域。公司于2014年開始進行諧波減速器的研發，目前已經形成了6大系列（DHSG、DCSG、DHS、DCS、DHD、DCD）、9種規格（11、14、17、20、25、32、40、45、50）、6大減速比（30、50、80、100、120、160）的雙波、三波產品系列，產品的精度及壽命能夠與世界一流品牌競爭。同時，公司還開發了專業的諧波減速器測試平臺，并建立了諧波減速器測試標準及檢測體系，從而助力公司產品的市場推廣。技術積累方面，公司不斷推進境內研發團隊與瑞士Infranor集團研發人員的交流、學習和合作，為國內市場引進助力。公司諧波減速器目前已經形成完整的產品族譜，可應用于汽車制造、金屬制品、食品飲料、3C、醫藥、物流和美業等領域，且已形成批量銷售。

豐立智能

專精特新小巨人企業，從精密齒輪相關延展至諧波減速器。公司做精密齒輪相關起家，目標向部件、系統集成不斷延展，長期與博世建立良好的合作關系，易于獲取訂單或技術方面的支持。同時，公司募投項目重點放在新能源傳動齒輪、座艙智能驅動和諧波減速器三塊領域。截至目前，諧波減速器所采購的海外設備已到位，去年下旬產線達成，常規型號全部研發完成。公司對諧波減速器新廠區空間預留四條產線，每條產線年產約3.5萬臺設置，目前已完成一條線的建設，進入小批量生產中，與人形機器人、協作及工業機器人等部分客戶合作并產生小量營業額，后續公司會根據市場需求再逐步擴產。

國茂股份

深耕通用減速機行業，前瞻布局精密減速器業務。公司具備敏銳的市場洞察力，研判認為我國諧波減速器行業主要受國家產業政策以及主要下游行業的驅動，將迎來快速發展時期。公司把握機器人行業快速發展機遇，提前進行產業布局，于2021年通過新成立的子公司國茂精密收購某標的公司資產，積極布局諧波減速器等精密傳動業務。國茂精密目前具備諧波減速器月產約2500臺的生產能力，諧波產品廣泛應用于工業機器人、服務機器人、數控機床、醫療器械等行業。未來隨著移動機器人有望進入消費級、商業級應用場景，諧波減速器行業成長空間將進一步打開。國茂精密還將制造基地從外省搬遷至常州總部工廠，同時新購置一批進口滾齒機、高精度慢走絲設備以及表面處理設備，為未來發展蓄能。

截至2024年2月25日，根據Wind一致預期數據，2023E-2025E公司營業收入為28.36/34.14/40.36億元，同比+5.15%/+20.41%/+18.19%；歸母凈利潤為4.24/5.42/6.55億元，同比+2.36%/+27.88%/+20.98%。對應當前股價的PE分別為21.03x/16.45x/13.59x。

相關標的還有雙環傳動和中大力德，都是精密減速器領域中的領先企業，不過這兩家公司的產品以RV減速器為主。雙環傳動是國內RV減速器的龍頭企業，成功打破日本對于RV減速器的壟斷，同時也有涉足諧波減速器，并在2020年成立子公司環動科技，專門從事機器人關節高精密減速機的研發及產業化，目前產品廣泛應用于國內各機器人頭部企業；中大力德始終聚焦于精密傳動領域，具備行星/諧波/RV減速器的產品技術能力，目前其RV減速器也在逐步實現進口替代。

4 風險提示

人形機器人規模化不及預期風險；諧波減速器降本不達預期風險；人形機器人產業競爭加劇風險；產品技術突破受阻風險。

本文主要觀點摘自《【中郵機械丨深度】人形機器人系列專題（七）：諧波減速器—機器人輕負載關節的核心傳動部件》丨發布時間2024年2月26日丨發布報告機構：中郵證券研究所丨報告作者：劉卓，分析師，S1340522110001；傅昌鑫，聯系人，S1340123050006

研究團隊簡介

劉卓，機械行業首席分析師。對外經濟貿易大學金融學碩士，5年證券研究經驗。曾任職于信達證券，2022年10月加入中郵證券，負責機械行業研究。理工+金融復合學歷背景，擅長從產業和公司基本面變化趨勢把握投資機會。

陳基赟，機械行業研究員。同濟大學本碩，主要負責能源設備、工程機械、檢測與儀器板塊。

傅昌鑫，機械行業研究員。倫敦國王學院碩士，中南大學本科，主要負責機床、刀具、自動化、激光設備和半導體設備板塊。

法律聲明

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