目前，大量應(yīng)用于多關(guān)節(jié)機(jī)器人的減速器主要有兩種：RV減速器和諧波減速器。相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；二者之間適用的場(chǎng)景不同，屬于相輔相成的關(guān)系。而行星減速器一般用在直角坐標(biāo)機(jī)器人上。

RV（Rotary Vector）減速器

在擺線針輪行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，結(jié)構(gòu)主要分為兩級(jí)：第一級(jí)為漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)，第二級(jí)為擺線針輪行星傳動(dòng)，包括轉(zhuǎn)臂曲柄、擺線輪、針齒殼，特點(diǎn)在于承受大負(fù)載的同時(shí)保證高精度。因此，其技術(shù)難點(diǎn)主要在于工藝和裝配方面：1.材料成型技術(shù)。RV減速齒輪需要具有耐磨性和高剛性，對(duì)于材料成型過(guò)程提出了較高要求，尤其是材料化學(xué)元素控制、表面熱處理方面。2.精密加工及裝配技術(shù)。RV減速器的減速比較高，具備無(wú)側(cè)隙、微進(jìn)給的特點(diǎn)，這就需要特殊部件加工和精密裝配技術(shù)。

▲RV減速器結(jié)構(gòu)拆分

工作原理：1.第一減速部：伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞至正齒輪，按二者的齒數(shù)比進(jìn)行減速；曲軸直接與正齒輪相連，以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。2.曲軸部：曲軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)偏心部的RV齒輪進(jìn)行偏心運(yùn)動(dòng)。3.第二減速部：另一方面，針齒數(shù)目比RV齒輪的齒數(shù)多1個(gè)；如果曲軸旋轉(zhuǎn)1圈，RV齒輪與針齒接觸的同時(shí)進(jìn)行1圈的偏心運(yùn)動(dòng)，使得RV齒輪沿著相反方向旋轉(zhuǎn)1個(gè)齒數(shù)的距離，并通過(guò)曲軸傳遞至輸出軸，實(shí)現(xiàn)減速。而總體減速比為第一、第二減速部的減速比之積。

▲RV減速器工作原理

諧波減速器

基于行星齒輪傳動(dòng)發(fā)展起來(lái)，由波發(fā)生器、柔輪、剛輪和軸承組成。其工作原理在于依靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，而柔輪比鋼輪少N個(gè)齒輪位。因此，當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)一圈，柔輪移動(dòng)N個(gè)齒輪位，產(chǎn)生了所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。諧波減速器是通過(guò)柔輪的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)是傳動(dòng)比大、零部件數(shù)目少；其缺點(diǎn)是彈性變形回差大，這就不可避免地會(huì)影響機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性抗沖擊能力等。

▲諧波減速器結(jié)構(gòu)拆分

從國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，國(guó)外產(chǎn)品信息相對(duì)完善，每種規(guī)格對(duì)應(yīng)的各技術(shù)指標(biāo)都有精確的數(shù)值呈現(xiàn)。而國(guó)內(nèi)在這方面略顯欠缺，表明國(guó)內(nèi)企業(yè)在檢測(cè)能力方面的不足，缺少嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系。目前，國(guó)產(chǎn)減速器還存在兩方面的問(wèn)題：1.產(chǎn)品系列不健全。日本納博具備全系列產(chǎn)品，基本上可以應(yīng)用于所有領(lǐng)域。根據(jù)納博官網(wǎng)的披露，其RV-N系列產(chǎn)品還處于專利保護(hù)期，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品系列相對(duì)殘缺；2.一致性問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)減速器在實(shí)際使用環(huán)境下的性能，與實(shí)驗(yàn)室性能無(wú)法完全匹配，個(gè)別產(chǎn)品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國(guó)產(chǎn)減速器進(jìn)軍高端市場(chǎng)的原因之一。

從RV減速器的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，對(duì)比納博RV-E系列和南通振康的產(chǎn)品，可以看到在同一輸出轉(zhuǎn)速和輸入功率下，二者的輸出扭矩范圍相當(dāng)，說(shuō)明國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在傳動(dòng)效率上已經(jīng)可以與國(guó)外媲美。然而工藝水平是限制RV減速器發(fā)展的主要原因，例如非標(biāo)特殊軸承是RV減速器的精密機(jī)構(gòu)，其間隙需根據(jù)零部件加工尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整。為了結(jié)構(gòu)緊湊，薄壁角接觸球軸承精度要求較高，加預(yù)緊力后軸承的游隙為零。因此，今后需要在傳動(dòng)精度、扭轉(zhuǎn)剛度等方面加強(qiáng)研究。

從諧波減速器的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，國(guó)內(nèi)的蘇州綠的和中技克美的減速比范圍與日本哈默納科水平相當(dāng)，產(chǎn)品性能基本滿足要求，目前已經(jīng)大量應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人。而國(guó)外產(chǎn)品在輸出扭矩、平均壽命和一致性等技術(shù)指標(biāo)上依然占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

（2）國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程：國(guó)內(nèi)企業(yè)訂單頻傳，加速進(jìn)口替代

國(guó)產(chǎn)企業(yè)布局積極，有望率先突破。減速器是制約降低國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人成本最重要的因素，盡管目前國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人減速器研發(fā)困難重重，但是整體產(chǎn)品的質(zhì)量在逐步提高，在一些核心指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，其高性價(jià)比已經(jīng)得到了部分國(guó)內(nèi)企業(yè)的認(rèn)可，例如新松機(jī)器人、埃夫特等企業(yè)均開(kāi)始使用南通振康的RV減速機(jī)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)開(kāi)始積極布局精密減速機(jī)業(yè)務(wù)，主要上市公司包括雙環(huán)傳動(dòng)(002472)、秦川機(jī)床(000837)、上海機(jī)電(600835)和巨輪股份等，非上市公司包括南通振康、中技克美、北京諧波等。

國(guó)內(nèi)企業(yè)減速機(jī)業(yè)務(wù)推進(jìn)順利，訂單頻傳。2017年以來(lái)，減速器國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程顯著加快，根據(jù)中大力德公告的披露，公司將于2019年底之前向伯朗特供貨RV減速器不低于30000套；根據(jù)公告的披露，埃夫特將采購(gòu)雙環(huán)傳動(dòng)的RV減速器一萬(wàn)套；根據(jù)公司官網(wǎng)的披露，南通振康將分別向上海歡顏、埃夫特批量提供減速器。根據(jù)上海機(jī)電年報(bào)的數(shù)據(jù)，旗下的納博精機(jī)于2015年10月投產(chǎn)，目前已經(jīng)達(dá)到10萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)能，并于2017年5月開(kāi)始實(shí)現(xiàn)單月盈利，目標(biāo)早日達(dá)到20萬(wàn)臺(tái)的產(chǎn)能。除此之外，中技克美成為國(guó)內(nèi)第一家上市的諧波減速器企業(yè)，產(chǎn)能2萬(wàn)套，其中50%-60%用于軍工領(lǐng)域。秦川機(jī)床、中大力德、來(lái)福諧波也分別開(kāi)發(fā)了系列產(chǎn)品，進(jìn)入量產(chǎn)階段。

▲2017年中國(guó)大陸地區(qū)減速器出貨量統(tǒng)計(jì)（臺(tái)）

（3）需求測(cè)算：未來(lái)減速器業(yè)務(wù)有多大的空間？

減速器市場(chǎng)測(cè)算邏輯：根據(jù)IFR的預(yù)測(cè)，按照類型劃分未來(lái)工業(yè)機(jī)器人需求量，進(jìn)一步按每種類型的機(jī)器人所需的RV和諧波減速器數(shù)量，來(lái)預(yù)測(cè)總體市場(chǎng)需求和空間。

2016年中國(guó)機(jī)器人銷量已接近全球市場(chǎng)份額的30%，連續(xù)四年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)IFR的預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年中國(guó)機(jī)器人行業(yè)銷量有望維持25%-30%左右的增速。我們以IFR預(yù)測(cè)下限25%的增速，以2017年14萬(wàn)臺(tái)為基數(shù)進(jìn)行測(cè)算。到2020年，我國(guó)工作機(jī)器人銷量有望達(dá)到27萬(wàn)臺(tái)。

另外，根據(jù)MIR公布的2017年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額，按類型來(lái)劃分，六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、關(guān)節(jié)型手臂、協(xié)作機(jī)器人和DELTA機(jī)器人的占比分別為67.8%、21.2%、6.05%、2.89%、2.05%。我們按照各種類型工業(yè)機(jī)器人所需減速器類型和數(shù)量進(jìn)行劃分。一般情況下，六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要4套R(shí)V減速器和2套諧波減速器；SCARA機(jī)器人包含4個(gè)諧波減速器；關(guān)節(jié)型手臂和協(xié)作機(jī)器人類型較多，我們按照4軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人計(jì)算，大約每套需要3個(gè)RV減速器和1個(gè)諧波減速器；而DELTA機(jī)器人的電機(jī)安裝在固定基座上，我們按照其需要1個(gè)諧波減速器計(jì)算。

由此，我們可以得出以下減速器需求量測(cè)算公式：

RV減速器數(shù)量=六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人*4+（關(guān)節(jié)型手臂+協(xié)作機(jī)器人）*3；

諧波減速器數(shù)量=六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人*2+（關(guān)節(jié)型手臂+協(xié)作機(jī)器人*1+SCARA機(jī)器人*4+DELTA機(jī)器人*1。

根據(jù)我們的測(cè)算結(jié)果，到2020年RV減速器市場(chǎng)需求81.5萬(wàn)臺(tái)，諧波減速器需求63.3萬(wàn)臺(tái)，總體市場(chǎng)需求量有望達(dá)到144.8萬(wàn)臺(tái)。當(dāng)前，一臺(tái)RV減速器的售價(jià)約5000-6000元左右，而諧波減速器價(jià)格約2000元；而在2015年，RV減速器和諧波減速器的平均價(jià)格分別為8000元、3000元。減速器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，促成了過(guò)去三年國(guó)外品牌的降價(jià)，當(dāng)前價(jià)格雖然還存在下降空間，但已經(jīng)接近其生產(chǎn)成本，未來(lái)價(jià)格壓縮的空間相對(duì)較小，因此我們估計(jì)未來(lái)RV和諧波減速器的價(jià)格分別在4000元和1500元左右。根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程，2018-2020年間，國(guó)內(nèi)減速器市場(chǎng)空間分別有望達(dá)到31.71、36.76、42.63億元。

▲2017年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額（按機(jī)型）

▲國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用減速器需求測(cè)算（萬(wàn)臺(tái)）

2.伺服電機(jī)與控制器，相輔相成的核心零部件

（1）伺服電機(jī)：國(guó)產(chǎn)替代空間最高

伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用領(lǐng)域眾多。在20世紀(jì)70年代，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展和性價(jià)比不斷提高，交流伺服系統(tǒng)逐漸取代直流伺服系統(tǒng)成為主流產(chǎn)品。而國(guó)產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)在核心技術(shù)方面已取得突破，國(guó)內(nèi)外差距已明顯縮小。目前伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于機(jī)床，但近幾年電子制造業(yè)和機(jī)器人行業(yè)的崛起，催生了大量行業(yè)需求。2016年，機(jī)器人占伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用的9%。我們認(rèn)為，隨著未來(lái)機(jī)器人零部件實(shí)現(xiàn)突破，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展期，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也將由機(jī)床向機(jī)器人傾斜。

▲2016年伺服系統(tǒng)的下游應(yīng)用

這里我們需要強(qiáng)調(diào)的是，伺服電機(jī)并不完全等于伺服系統(tǒng)，但后者的運(yùn)用環(huán)節(jié)能很大程度上反映伺服電機(jī)的下游應(yīng)用。完整的伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、伺服編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器三個(gè)部分。

伺服驅(qū)動(dòng)器又被稱為伺服控制器，作用類似于變頻器之于交流馬達(dá)，一般是通過(guò)速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)分別對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。伺服編碼器是安裝在伺服電機(jī)末端用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器，目前自控領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。作為伺服系統(tǒng)的信號(hào)反饋裝置，編碼器很大程度上決定了伺服系統(tǒng)的精度。

伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，作用是將伺服控制器的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移和角速度，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上有兩個(gè)繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵或感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子在由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)伺服電機(jī)，關(guān)節(jié)越多，其柔性和精度就越高，所要求使用的伺服電機(jī)數(shù)量就越多。機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求較高，必須滿足快速響應(yīng)、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大、調(diào)速范圍寬，要適應(yīng)機(jī)器人的形體做到體積小、重量輕、加減速運(yùn)動(dòng)等條件。

伺服電機(jī)可以分為交流（AC）和直流（DC）兩大類。具體來(lái)看，直流電機(jī)又分為有刷和無(wú)刷電機(jī)，前者成本低，但會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。而交流伺服電機(jī)與直流電子相比，主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）無(wú)電刷和換向器；（2）慣量小，快速響應(yīng)；（3）適用于大力矩環(huán)境；（4）定子繞組散熱方便。目前工業(yè)機(jī)器人中使用較多的是交流伺服電機(jī)。

▲伺服編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

▲無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造

交流伺服電機(jī)也稱為無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)。異步電機(jī)負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系，有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。而同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。到目前為止，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，典型生產(chǎn)廠家如德國(guó)倫茨、路斯特、西門子、日本安川等公司。

如今一般伺服電機(jī)都追求高精度、高可靠性、高熱容量、高剛度、輕量化和高響應(yīng)性等性能。國(guó)際上主要伺服電機(jī)廠家的電機(jī)手冊(cè)也一般會(huì)收錄機(jī)械時(shí)間常數(shù)、電器時(shí)間常數(shù)、發(fā)熱時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和過(guò)載運(yùn)動(dòng)能力等參數(shù)，這些都是伺服電機(jī)的主要參考指標(biāo)。