工業(yè)機器人中的減速器作用分析

減速器

精密減速器是連接伺服電機和執(zhí)行機構的中間裝置，通過齒輪嚙合將伺服電機的動力傳遞到執(zhí)行機構上，起到匹配轉速和傳遞轉矩的作用。 根據(jù)GGII 數(shù)據(jù)顯示，2021年中國工業(yè)機器人減速器總需求量為93.11萬臺，同比增長 78.06%。其中增量需求82.41萬臺，同比增長95.05%；存量替換量為 10.70 萬臺，同比增長6.57%。 常見的減速器有行星齒輪減速機、RV減速機、諧波減速機等。

RV減速器和諧波減速器是工業(yè)機器人最主流的精密減速器。 RV 減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)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；諧波減速機具有單極傳動比大、體積小、質(zhì)量小、運動精度高并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作的優(yōu)點，使其在機器人小臂、腕部、手部等部位具有較大優(yōu)勢。 ? 根據(jù)機器人協(xié)會統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)機器人行業(yè)應用的精密減速機可分為RV 減速機、諧波減速機和SPINEA減速機，三者的市場銷售數(shù)量占比約為 40%、40%、20%。

減速器的價格一般與其體積有關，一般直徑越大的減速器價格越高。由于機器人的自由度較高，全身的減速器數(shù)量也較多，因此在總成本中，減速器的占比也要略高于工業(yè)機器人。 ? 對于高精度機器人減速器，日本具備絕對領先優(yōu)勢，目前全球機器人行業(yè)75%的精密減速機被日本的哈默納科和納博特斯克兩家壟斷，包括ABB、發(fā)那科、庫卡等國際主流機器人本體廠商的減速器均由上述兩家公司提供。

從產(chǎn)品類型來看，國產(chǎn)諧波減速器替代相對明顯，目前已有如綠的諧波、來福等優(yōu)質(zhì)廠商，2021年僅綠的諧波已達到國內(nèi)25%的市場份額。RV減速器有較高的技術和投資門檻，國內(nèi)市場，減速器龍頭廠商納博特斯克占據(jù)一半以上市場份額，剩余競爭格局較為分散，如雙環(huán)傳動、南通振康、中大力德等開始出現(xiàn)，其中雙環(huán)傳動占比最高，2021年RV減速器市占率達14%。

從目前工業(yè)機器人市場來看，一臺六軸機器人總共使用6個減速器，其中底座、肩部一般使用RV減速器，其余部分一般使用諧波減速器（約4個）。 ? 單臺工業(yè)機器人所需精密減速器中，RV減速器占比約為 60%-80%。RV 減速器結構復雜，兼具行星減速器和擺線針輪減速器優(yōu)勢。多關節(jié)機器人負載較大，驅動精確性要求高，通常在對應關節(jié)處需要配套1個伺服電機+1個的減速器實現(xiàn)驅動，單個機器人RV減速器需求量為4-5個。 ? 人形機器人關節(jié)數(shù)量遠超普通工業(yè)機器人，人體共有78個已命名關節(jié)，其中適用諧波減速器的肘關節(jié)、腕關節(jié)、指關節(jié)、趾關節(jié)共有60 個，因此人形機器人若要實現(xiàn)接近人體的活動自由度，則減速器用量將數(shù)量級增長。 ? 根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，人形機器人的減速器一般不少于40個。具體數(shù)量主要取決于手指數(shù)量、手腕彎曲度、腿部彎曲度等。一般，指關節(jié)可以通過拉線、編碼器來完成，一根手指最多需要一個減速器，每只手5個手指則需要4-5個減速器。因此，一般兩只手臂、一個脊、每只手5個手指的機器人其減速器數(shù)量大約在45-50個。

長期看諧波減速市場規(guī)模有望持續(xù)增長，預計2025年市場過有望超過30 億。

根據(jù)MIR 數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)RV減速機市場規(guī)模42.95億元，預計2025年中國RV減速器市場規(guī)模達65.53億元。 ?伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是能精確控制執(zhí)行機構的自動控制系統(tǒng)，主要由伺服驅動器、伺服電機和編碼器組成，編碼器通常嵌入于伺服電機。 ? 伺服系統(tǒng)由伺服驅動器發(fā)出信號給伺服電機驅動其轉動，同時編碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅動器，伺服驅動器再對信號進行匯總、分析、修正。整個工作過程通過閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機構的位置、速度、轉矩等輸出變量。

工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)體積較大，有部分機器人伺服系統(tǒng)外置，因此其集成度不比人形機器人。另外，工業(yè)機器人通常使用交流伺服電機，對精度要求更高、體積更大，而人形使用的是直流無框力矩電機，可以在較小體積下輸出較大的力，而且沒有外框，只有一個轉子、定子。 ? 伺服系統(tǒng)的設計一般根據(jù)機器人應用場景而定，例如機器人的身高、體重、負載等。 ? 從組成上看，人形機器人的伺服電機、驅動器、編碼器、減速器等集成在一起，整體組成一個“空心杯”形狀的集合

對于頸關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、腰關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)等大關節(jié)來說，可采用標準的電機組合形式。對于手部關節(jié)，空間狹小、要求較高，可選方案較多： 1）雙手28個關節(jié)均采用微機電系統(tǒng)； 2）雙手10根手指均采用微型電缸控制，電缸可放在手掌空間； 3）無名指、小指、中指聯(lián)動，采用微型電缸控制。

伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈涉及稀土磁材、電子原器件、伺服系統(tǒng)制造、機器人等。上游來看，伺服電機行業(yè)的上游主要是稀土磁材和電子零部件等其他材料，稀土磁材是伺服電機制造過程中必需的重要原材料。

據(jù)統(tǒng)計，2017-2021年中國伺服系統(tǒng)由97億元上升至224億元，CAGR為23.3%，增速較快，預計未來兩年伺服系統(tǒng)市場規(guī)模將近300億元。 我國伺服系統(tǒng)主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產(chǎn)品牌三大陣營。近年來，國內(nèi)廠商通過引進、消化吸收國際先進技術，逐漸在國內(nèi)市場中取得一定的份額。據(jù)數(shù)據(jù)，2020年我國伺服市場中，日韓品牌占據(jù)約51%的市場份額，國產(chǎn)品牌占據(jù)約30%份額，歐美品牌占據(jù)約19%份額；其中，安川、三菱和松下分別以 11.3%、10.5%、9.9%的市場份額位列前三。國內(nèi)伺服企業(yè)匯川、禾川技術和埃斯頓2020年國內(nèi)市場份額分別為9.8%/3.0%/2.0%。

編輯：黃飛

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