減速器類(lèi)似于工業(yè)機(jī)械的“肌腱”，對(duì)于每一個(gè)以軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器“關(guān)節(jié)”，減速器 可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度。從原理上來(lái)看，關(guān)節(jié)處利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，但電機(jī)功率有限，轉(zhuǎn)速很高，這帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：電機(jī)直接輸出的扭矩較小，無(wú)法承受負(fù)載;機(jī)器人關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)不需要電機(jī)那樣的高轉(zhuǎn)速。因此，通常需要在電機(jī)的輸出端安裝減速器，從而降 低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。同時(shí)在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精度受限的情況下，通過(guò)角速度的調(diào)節(jié)也實(shí)現(xiàn)了精 準(zhǔn)控制角度的需求。 減速器可按照控制精度分為一般傳動(dòng)減速器和精密減速器。減速器是連接動(dòng)力源和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速、傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。其中一般傳動(dòng)減速器控制精度相對(duì) 較低，僅僅能夠滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備基本的動(dòng)力傳動(dòng)需求。而精密減速器具有回程間隙小、精度較高、使用壽命長(zhǎng)，更加可靠穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)從工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域滲透到機(jī)器人、 數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域。精密減速器種類(lèi)較多，包括諧波減速器、RV 減速器、擺線(xiàn)針輪 行星減速器、精密行星減速器等，一般應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的精密減速器特指諧波減速器 和 RV 減速器。
相比 RV，諧波減速器應(yīng)用領(lǐng)域更精細(xì)。由于傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)等技術(shù)特點(diǎn)差異，使得諧 波減速器與 RV 減速器在下游產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域方面各有所側(cè)重、相輔相成，應(yīng)用于不同 場(chǎng)景和終端行業(yè)。精密減速器中，相對(duì)于 RV 減速器，諧波減速器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，質(zhì)量和 體積更小，單級(jí)傳動(dòng)比和精密度更高，在機(jī)器人領(lǐng)域具有無(wú)可替代的地位。
諧波減速器采用從波發(fā)生器到可以形變的柔輪，再到真正輸出功率的剛輪的傳導(dǎo)方式。 而從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，諧波齒輪減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，通 過(guò)其與剛輪的相互作用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)裝置，其構(gòu)造主要由帶有內(nèi)齒圈的 剛性齒輪(剛輪)、帶有外齒圈的柔性齒輪(柔輪)、波發(fā)生器三個(gè)基本構(gòu)件組成。
高價(jià)值量與高滲透奠定產(chǎn)業(yè)鏈中重要地位
諧波減速器位于行業(yè)上游，廣泛滲透于從加工制造到終端應(yīng)用場(chǎng)景的整個(gè)工業(yè)體系。目 前國(guó)內(nèi)諧波減速器下游最大的應(yīng)用場(chǎng)景就是工業(yè)機(jī)器人。此外非機(jī)器人領(lǐng)域也為諧波減 速器帶來(lái)新的需求增量，比如數(shù)控機(jī)床、光伏設(shè)備、航天器以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
機(jī)器人核心零部件主要包括精密減速機(jī)、交流伺服電機(jī)、控制器。精密減速器是連接動(dòng) 力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系 統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。機(jī) 器人每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)均需靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)。控制器是工業(yè)機(jī)器人 的大腦，對(duì)機(jī)器人的性能起著決定性的影響。工業(yè)機(jī)器人控制器主要控制機(jī)器人在工作 空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。 核心零部件占據(jù)整機(jī) 70%左右的成本，諧波減速器技術(shù)難度與盈利能力均處于產(chǎn)業(yè)鏈 上游水平。三大零部件是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘較高、成本占比較大的環(huán)節(jié)。從技術(shù)上來(lái)看， 三大核心零部件的技術(shù)門(mén)檻由高至低依次為減速器、伺服電機(jī)和控制器;從成本上來(lái)看， 減速器占整機(jī)成本超過(guò)三分之一(約 35%)，伺服約占整機(jī)成本約 23%，控制器約占整 機(jī)約 12%。從盈利水平看，諧波減速器的毛利率也相對(duì)較高，基本能夠維持在 50%以 上，高于伺服系統(tǒng)、控制器、機(jī)器人本體及系統(tǒng)集成毛利率。
龍頭壟斷：初探諧波減速器格局成因
從競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，全球諧波減速器市場(chǎng)呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)，在全球諧波減速器市場(chǎng)格局 中，哈默納科全球市場(chǎng)占有率在 82%左右，綠的諧波占比 7%，其他廠(chǎng)商占比約 11%。 總體上，日本在諧波減速器領(lǐng)域具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，包括 ABB、發(fā)那科、庫(kù)卡等國(guó)際主流機(jī) 器人本體廠(chǎng)商的諧波減速器均主要由哈默納科提供。在如此高毛利和高價(jià)值量的產(chǎn)業(yè)鏈 地位下，我們認(rèn)為壁壘高筑和先發(fā)優(yōu)勢(shì)是形成高度壟斷市場(chǎng)格局的根本原因。
歷史復(fù)盤(pán)：從無(wú)心插柳到問(wèn)鼎全球
獨(dú)創(chuàng)金屬柔性元件，開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域新賽道。20 世紀(jì) 50 年代中期，美國(guó)發(fā)明家馬瑟在薄 殼彈性變形理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用金屬的撓性、彈性力學(xué)等原理提出一種新型諧波傳動(dòng)技術(shù)。
1960 年美國(guó) USM 公司首次將諧波傳動(dòng)減速器成功投入運(yùn)用，1964 年，長(zhǎng)谷川齒輪株 式會(huì)社從美國(guó) USM 公司引進(jìn)全套技術(shù)，獲得了 USM 的生產(chǎn)許可。1970 年 10 月，長(zhǎng) 谷川與 USM 各出資 50%，在東京成立了 Harmonic Drive Systems Inc.，漢譯哈默納 科，專(zhuān)門(mén)從事諧波減速器的生產(chǎn)。最初諧波驅(qū)動(dòng)僅應(yīng)用于航空航天和國(guó)防領(lǐng)域，伴隨著 工業(yè)機(jī)器執(zhí)行器由液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)，諧波減速機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬。 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始日本機(jī)器人開(kāi)始快速發(fā)展，日本從機(jī)器人需求大國(guó)發(fā)展為生產(chǎn)制造 強(qiáng)國(guó)，而諧波減速器獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特征使其具有回差小、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、體積小、 重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此諧波減速機(jī)產(chǎn)品在日本國(guó)內(nèi)需求迅速增長(zhǎng)，諧波減速器的應(yīng)用領(lǐng)域 也伴隨著哈默納科等公司的發(fā)展逐步拓展至工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床、半導(dǎo)體等行業(yè)，后續(xù)又 滲透向醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域。目前為止，工業(yè)機(jī)器人仍然是哈默納科最主要的下游領(lǐng)域。
先發(fā)優(yōu)勢(shì)，技術(shù)升級(jí)造就高壁壘寡頭。哈默納科在公司創(chuàng)立的 50 年時(shí)間里，在產(chǎn)品、 技術(shù)方面持續(xù)投入和積累，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的不斷突破，并鑄造了行業(yè)高壁壘。1970 年至 今，哈默納科在持續(xù)推出新產(chǎn)品系列的同時(shí)不斷提升產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，使其最大化滿(mǎn)足 下游客戶(hù)的需求，拓寬使用場(chǎng)景，提供使用便利。從哈默納科產(chǎn)品線(xiàn)的發(fā)展歷程來(lái)看， 諧波減速機(jī)的強(qiáng)度、剛度、精度、小型化、輕量化等產(chǎn)品基礎(chǔ)性能以及結(jié)構(gòu)中空化、機(jī) 電一體化等產(chǎn)品易用性是改進(jìn)的重點(diǎn)。 哈默納科積極通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)步，包括與客戶(hù)的長(zhǎng)期互相指導(dǎo)、通過(guò)產(chǎn) 官學(xué)三結(jié)合進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)及公司內(nèi)部營(yíng)業(yè)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn) 3 部門(mén)團(tuán)結(jié)一致發(fā)展新技術(shù)。通 過(guò)替換柔輪制作材料，公司諧波減速機(jī)的柔輪疲勞強(qiáng)度得到增強(qiáng)。從漸開(kāi)線(xiàn)齒形到 IH 齒 形的改進(jìn)使諧波減速機(jī)成功突破了扭矩容量和扭轉(zhuǎn)剛度的局限，是哈默納科產(chǎn)品里程碑 式的一次升級(jí)。哈默納科 1986 年所開(kāi)發(fā)柔輪杯部向外敞開(kāi)的 SH 型中空結(jié)構(gòu)諧波減速 機(jī)，是哈默納科產(chǎn)品系列的又一大進(jìn)步。通過(guò)改進(jìn)加工設(shè)備、加入支撐軸承結(jié)構(gòu)，哈默 納科有效減少了加工誤差及變形誤差，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高精度和統(tǒng)一化，提高角度傳遞精 度，產(chǎn)品將應(yīng)用于需要高定位精度或具備微小角度定位的各類(lèi)裝置。
專(zhuān)利視角：從跟跑到并跑，“設(shè)計(jì)-材料-加工”為主
諧波減速器技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利的申請(qǐng)經(jīng)歷了萌芽期(1955-1976 年)、發(fā)展期(1977-2010 年) 和快速成長(zhǎng)期(2011 年-至今)，1976 年以前，專(zhuān)利申請(qǐng)國(guó)主要是美國(guó)等，但申請(qǐng)數(shù)量較少。在發(fā)展期，諧波減速器技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，各國(guó)對(duì)諧波減速器的 產(chǎn)業(yè)布局也逐漸清晰。在快速成長(zhǎng)期，諧波減速器的市場(chǎng)需求伴隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 快速擴(kuò)大，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)型高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
諧波減速器技術(shù)按基本構(gòu)成可分為：總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪、加工制造、剛輪、凸 輪、齒形、柔性軸承、交叉滾子軸承和試驗(yàn)方法等 10 個(gè)部分。其中研發(fā)重點(diǎn)主要在于 總體結(jié)構(gòu)、發(fā)生器、柔輪和加工制造等幾個(gè)環(huán)節(jié)。 從專(zhuān)利壁壘的角度看，全球龍頭哈默納科的優(yōu)勢(shì)明顯。1955-2019 年，哈默納科無(wú)論是 專(zhuān)利申請(qǐng)累計(jì)總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其余諧波減速器廠(chǎng)商。這更進(jìn)一步說(shuō)明，諧波減速器是技術(shù) 密集型行業(yè)，短期內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局很難發(fā)生較大變化，國(guó)產(chǎn)替代是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。
抽絲剝繭：技術(shù)壁壘高筑，先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯
齒形設(shè)計(jì)、柔輪強(qiáng)度、組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加工制造等要素構(gòu)成諧波減速器的核心技術(shù)壁壘。 總體來(lái)看：諧波減速器技術(shù)壁壘較高，要達(dá)到較高的使用精度和壽命，需要在齒形設(shè)計(jì)、 柔輪強(qiáng)度、組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加工制造等方面積累深厚，要求生產(chǎn)企業(yè)在基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)、 加工、設(shè)備等方面均具有較深護(hù)城河，諧波減速器作為技術(shù)密集型行業(yè)，先進(jìn)入者依靠 其工藝技術(shù)和加工經(jīng)驗(yàn)等具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)。 在諧波齒輪傳動(dòng)的過(guò)程中，齒形設(shè)計(jì)占據(jù)著柔輪和剛輪零部件的關(guān)鍵位置。諧波傳動(dòng)技 術(shù)發(fā)明者馬瑟于 20 世紀(jì) 50 年代提出的齒形為直線(xiàn)三角齒形，壓力角 α=28.6°，由于其 忽略了因柔輪變形引起的曲率變化所導(dǎo)致的齒形偏轉(zhuǎn)這一因素，因而不是其真實(shí)的齒形， 同時(shí)在實(shí)踐中也給加工制造和刀具設(shè)計(jì)等帶來(lái)很大的麻煩。隨后出現(xiàn)了經(jīng)典的 30°壓 力角漸開(kāi)線(xiàn)齒形，雖然該齒形優(yōu)于直線(xiàn)齒形，但由于在空載時(shí)，柔輪齒形包絡(luò)在一個(gè)不 大的區(qū)域，在負(fù)載時(shí)容易出現(xiàn)尖點(diǎn)嚙合與邊緣接觸。
漸開(kāi)線(xiàn)齒形的齒底彎曲應(yīng)力比較集中，同時(shí)嚙合齒數(shù)僅為總齒數(shù)的 10%左右，導(dǎo)致諧波 減速器的強(qiáng)度極限不高。哈默納科進(jìn)一步改良后的齒形稱(chēng)為 IH 齒形，可大幅增加嚙合 齒數(shù)，同時(shí)嚙合齒數(shù)增大到總齒數(shù)的約 30%，并且齒底應(yīng)力緩沖的效果也一致，大大提 高了諧波減速器的齒底疲勞極限。另外，由于同時(shí)嚙合齒數(shù)大幅度增加，拉伸剛性也改 善了約 2 倍。
齒形、柔輪材料等影響柔輪強(qiáng)度，尤其柔輪材料晶粒不均勻會(huì)造成局部微裂紋以及失效。由于減 速器本身各零件的加工精度、裝配間隙、扭轉(zhuǎn)剛度等因素的影響，因此至今還沒(méi)有統(tǒng)一 的柔輪強(qiáng)度計(jì)算方法。在材料方面，傳統(tǒng)的柔輪材料一般為合金鋼，因而容易產(chǎn)生噪聲 與振動(dòng)，當(dāng)速度越高時(shí)，噪聲與振動(dòng)越明顯。哈默納科在柔輪材料上使用疲勞強(qiáng)度大的 特殊鋼，并且同時(shí)嚙合齒數(shù)比例達(dá)到 30%，材料和齒形的雙優(yōu)化使得每個(gè)齒輪所承受的 壓力變小、轉(zhuǎn)矩容量變高。從柔輪材料的光學(xué)顯微鏡照片可以觀察到，日本哈默納科的 柔輪材料細(xì)化程度與穩(wěn)定性方面仍然優(yōu)于國(guó)產(chǎn)。
波發(fā)生器也是諧波減速器中的關(guān)鍵部件之一，其主要元件包括柔性薄壁軸承和波發(fā)生器 凸輪。柔性軸承是波發(fā)生器的核心部件，在工作中，柔性軸承通過(guò)其彈性變形使減速機(jī) 達(dá)到高減速比的性能要求，在循環(huán)交變載荷作用下極易發(fā)生疲勞失效，其疲勞壽命決定 著波發(fā)生器的壽命，進(jìn)而決定著整個(gè)減速器的使用壽命。影響零部件疲勞性能的主要因 素包括尺寸、表面形狀、平均應(yīng)力等，通常可通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的優(yōu)化以及表面強(qiáng) 化處理、表面防護(hù)措施、加工方式的改進(jìn)等方法進(jìn)行改良。 在結(jié)構(gòu)方面，哈默納科對(duì)殼體和波發(fā)生器采用了鋁等輕質(zhì)合金，并且減少了剛輪的外緣 尺寸，同時(shí)對(duì)連接部件進(jìn)行優(yōu)化，使得整機(jī)得以輕量化，在航空航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)綠的諧波生產(chǎn)的超扁平系列諧波減速器，柔輪的長(zhǎng)徑比可達(dá) 1 /3，體積小、質(zhì)量輕， 非常適合于對(duì)減速器有苛刻厚度要求的場(chǎng)合使用。
在加工精度方面，在諧波傳動(dòng)裝置中，柔輪與波發(fā)生器最為復(fù)雜，主要是這兩個(gè)元件的 加工相對(duì)困難。傳統(tǒng)的擺線(xiàn)齒形可以使用帶直邊切削刃的插刀進(jìn)行加工，目前大部分的 廠(chǎng)商，例如哈默納科、同川科技、來(lái)福諧波等，采用特殊的刀具機(jī)加工齒形，而綠的諧 波則采用線(xiàn)切割的方式加工齒形，兩種加工方式各有優(yōu)劣。目前對(duì)于柔輪、剛輪齒型的 加工方法除了傳統(tǒng)的滾齒和插齒外，高速滾插齒和精密慢走絲等新的加工方法也被采用。
多元需求驅(qū)動(dòng)，諧波減速器市場(chǎng)擴(kuò)容
核心部件：工業(yè)機(jī)器人行業(yè)長(zhǎng)期向好
在全球市場(chǎng)，機(jī)器人為諧波減速器主要下游行業(yè)。由于哈默納科在全球諧波減速器市場(chǎng) 占據(jù)主導(dǎo)地位，因此其產(chǎn)品下游基本可代表全球諧波減速器的應(yīng)用情況。從哈默納科2021 財(cái)年?duì)I收數(shù)據(jù)來(lái)看，其產(chǎn)品下游 51.7%是機(jī)器人領(lǐng)域，另有 48.3%下游為非機(jī)器 人領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體設(shè)備(15.0%)、車(chē)載(6.5%)、電機(jī)齒輪箱(5.4%)和機(jī)床(3.9%) 等領(lǐng)域。
在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，工業(yè)機(jī)器人同樣是諧波機(jī)器人最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)綠的諧波招股說(shuō)明 書(shū)，其產(chǎn)品在 2017-2019 年的下游應(yīng)用中，機(jī)器人(包括多關(guān)節(jié)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、 SCARA、DELTA、服務(wù)機(jī)器人、AGV 及巡檢機(jī)器人)應(yīng)用占比達(dá) 79.4%，高端數(shù)控機(jī) 床應(yīng)用占比7.5%。2021年綠的諧波在機(jī)器人行業(yè)的營(yíng)業(yè)收入占總營(yíng)收的比例為81.0%。 總體上，綠的諧波產(chǎn)品主要集中在以工業(yè)機(jī)器人為主的自動(dòng)化領(lǐng)域，且機(jī)器人與機(jī)床的 應(yīng)用占比高于哈默納科，這與國(guó)內(nèi)近年來(lái)的自動(dòng)化趨勢(shì)息息相關(guān)。
隨著人口老齡化程度持續(xù)加深，企業(yè)招工越來(lái)越困難、制造業(yè)工人工資逐年增長(zhǎng)，導(dǎo)致 勞動(dòng)力短缺和勞動(dòng)力成本上升，催生機(jī)器換人的需求。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2021 年全球工 業(yè)機(jī)器人密度(工業(yè)機(jī)器人保有量/制造業(yè)就業(yè)人數(shù))約為 141 臺(tái)/萬(wàn)人，且處于持續(xù)上 升狀態(tài)，其中排名第一的韓國(guó)已達(dá) 1000 臺(tái)/萬(wàn)人。經(jīng)驗(yàn)證，IFR 公布的中國(guó)工業(yè)機(jī)器人 密度明顯高于實(shí)際情況，或因未考慮私營(yíng)企業(yè)和個(gè)體制造業(yè)人數(shù)，導(dǎo)致用于計(jì)算的制造 業(yè)就業(yè)人數(shù)偏低，經(jīng)過(guò)矯正，2021 年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人密度約為 121 臺(tái)/萬(wàn)人，較韓國(guó)、 新加坡、日本、德國(guó)等國(guó)仍有不小差距，說(shuō)明我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展空間較大。
《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出要重點(diǎn)解決關(guān)鍵零部件“卡脖子”問(wèn)題，并不 斷提升高端供給能力，對(duì)比來(lái)看“十三五”期間總體發(fā)展目標(biāo)是形成較為完善的機(jī)器人 產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)展側(cè)重點(diǎn)上升了一個(gè)階段。《規(guī)劃》提出要推動(dòng)用產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，提升機(jī) 器人關(guān)鍵零部件的功能、性能和可靠性，這將繼續(xù)支撐中國(guó)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域關(guān)鍵零部件 “卡脖子”技術(shù)的研發(fā)，提升高端供給能力。《規(guī)劃》提出到 2025 年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)收 入年均增速超過(guò) 20%，制造業(yè)機(jī)器人密度實(shí)現(xiàn)翻番，將為工業(yè)機(jī)器人帶來(lái)更廣闊的市場(chǎng) 空間。
中國(guó)是全球工業(yè)機(jī)器人密度增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)。我國(guó)已經(jīng)連續(xù) 9 年成為全球最大的工 業(yè)機(jī)器人消費(fèi)國(guó)，根據(jù)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2022 年)，2021 年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人 市場(chǎng)規(guī)模約 75 億美元(約 484 億元人民幣)，占全球市場(chǎng)規(guī)模的 43%。2017-2021 年 國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售額 CAGR 約為 13%。報(bào)告預(yù)測(cè)到 2024 年，全球、中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模 可達(dá) 230、115 億美元。 銷(xiāo)量方面，根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，中國(guó)市場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量占全球比例逐年升高，由 2011 年 的 13.6%提升至 2021 年的 51.8%。2021 年中國(guó)市場(chǎng)、全球市場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)量分別 為 26.8 萬(wàn)臺(tái)、51.7 萬(wàn)臺(tái)。
近年來(lái)工業(yè)機(jī)器人下游行業(yè)中新能源相關(guān)行業(yè)發(fā)展旺盛，20-22 年鋰電池行業(yè)復(fù)合增速 達(dá) 78.40%，已成為第二大下游行業(yè);光伏行業(yè)復(fù)合增長(zhǎng) 38.87%;同時(shí)新興工業(yè)市場(chǎng)需 求大幅增長(zhǎng)，汽車(chē)電子、半導(dǎo)體、醫(yī)療用品行業(yè)復(fù)合增速分別達(dá) 61.14%、52.52%、 40.74%。隨著新能源行業(yè)趨勢(shì)向好，鋰電、光伏需求仍將保持高速增長(zhǎng)，以及一般工業(yè) 應(yīng)用領(lǐng)域不斷深入、非工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，工業(yè)機(jī)器人各下游行業(yè)會(huì)持續(xù)發(fā)展。
在機(jī)器人細(xì)分品類(lèi)中，輕型機(jī)器人增速較快，小型化趨勢(shì)明顯。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，自 由度是衡量工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平的主要指標(biāo)之一，通常每個(gè)自由度需要一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng)以及一個(gè)配套減速器來(lái)傳動(dòng)，以完成精確驅(qū)動(dòng)的要求。工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)根據(jù)其 用途與功能要求而不同，比如一般通用工業(yè)機(jī)器人有 4-6 個(gè)自由度，即每臺(tái)通用工業(yè) 機(jī)器人需要配套 4-6 個(gè)減速器，小關(guān)節(jié)數(shù)量越多，所需的諧波減速器數(shù)量就越大。歷史 上，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)對(duì)于機(jī)器人的需求占比最高，其需求載荷較高，普遍在 30kg 以上;近幾年對(duì)于機(jī)器人的需求特征為輕負(fù)載、高精度，輕型化需求較為明顯。2018-2022 年，Delta 增速最慢，但協(xié)作機(jī)器人的復(fù)合增速達(dá) 56.1%，一定程度上驅(qū)動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)二次爆發(fā)。 協(xié)作機(jī)器人是一種新型工業(yè)機(jī)器人，旨在與人類(lèi)共享工作空間，為全手動(dòng)和全自動(dòng)的生 產(chǎn)模式之間搭建了橋梁，能夠協(xié)助生產(chǎn)人員完成危險(xiǎn)、繁重的工作，提升生產(chǎn)效率，相 比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人更小型化和輕量化。此前，工廠(chǎng)中的工業(yè)機(jī)器人都有安全圍欄，將它 們與人工操作隔開(kāi)，但由于空間和安裝成本的要求，中小企業(yè)很難安裝工業(yè)機(jī)器人。協(xié) 作機(jī)器人得益于其較高的靈活性、安全性和易用性等技術(shù)特點(diǎn)，近年來(lái)呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài) 勢(shì)。此外，協(xié)作機(jī)器人價(jià)格下行加速，用戶(hù)導(dǎo)入門(mén)檻進(jìn)一步降低，不少企業(yè)推出經(jīng)濟(jì)型 協(xié)作產(chǎn)品，以搶占市場(chǎng)，資本助力協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)，進(jìn)一步拉動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。
小負(fù)載機(jī)器人對(duì)于諧波減速器的需求更高。根據(jù)綠的諧波招股說(shuō)明書(shū)，每臺(tái)六軸多關(guān)節(jié) 機(jī)器人需要搭配 6 臺(tái)精密減速器，其中 10kg 以下負(fù)載的機(jī)器人需要 6 個(gè)諧波減速器， 10-30kg 負(fù)載的機(jī)器人小臂、手腕關(guān)節(jié)可以采用諧波減速器，30kg 負(fù)載以上的機(jī)器人在 其輕負(fù)荷的末端關(guān)節(jié)上也能使用諧波減速器。此外，協(xié)作機(jī)器人單臺(tái)設(shè)備則需使用 6-7 臺(tái)諧波減速器;并聯(lián)機(jī)器人單臺(tái)設(shè)備需使用 3 臺(tái)諧波減速器;SCARA 機(jī)器人單臺(tái)設(shè)備 使用 2-3 臺(tái)諧波減速器。隨著諧波減速器的技術(shù)進(jìn)步以及輕負(fù)載多關(guān)節(jié)機(jī)器人市場(chǎng)占比 提升，平均每臺(tái)設(shè)備使用諧波減速器數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。
2021 年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的諧波減速器需求量為 55.25 萬(wàn)臺(tái)，與 RV 減速器需求比 例為 1.46:1。GGII 數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人減速器總需求量為 93.11 萬(wàn)臺(tái)(含 RV 和諧波)，同比增長(zhǎng) 78.06%。其中增量需求 82.41 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 95.05%;存量替 換量為 10.70 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 6.57%。細(xì)分來(lái)看，2021 年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人諧波減速器 與 RV 減速器需求量分別為 55.25 萬(wàn)臺(tái)與 37.86 萬(wàn)臺(tái)，諧波減速器與 RV 減速器的需求 比例約為 59%：41%。
根據(jù) GGII 預(yù)測(cè)，到 2026 年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)減速器總需求量有望超過(guò) 270 萬(wàn)臺(tái)， 2021-2026 年 CAGR 為 23.73%。假設(shè)在諧波減速器和 RV 減速器的需求占比維持 2021 年不變的情況下，2026 年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的諧波減速器需求量約為 160 萬(wàn)臺(tái)。
場(chǎng)景延拓：橫向滲透數(shù)控機(jī)床
除了工業(yè)機(jī)器人的基本盤(pán)，行業(yè)延拓也將帶來(lái)諧波減速器的增量空間，向機(jī)床滲透是近 年來(lái)新興趨勢(shì)。在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)來(lái)自于伺服電機(jī)，隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步， 電機(jī)一直在朝著精密、高效、控制簡(jiǎn)單等方向創(chuàng)新，但因機(jī)床本身加工，負(fù)載進(jìn)給系統(tǒng) 條件差異頗大，需要額外附加減速器來(lái)增加扭矩，提高負(fù)載端慣量匹配。基于諧波減速 器體積小、精度高、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，高檔數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和制造過(guò)程中開(kāi)始逐漸使 用諧波減速器替代一些電驅(qū)零部件，以減輕數(shù)控機(jī)床伺服馬達(dá)負(fù)荷、降低機(jī)械故障率、 提高精密度，進(jìn)而增加機(jī)械壽命。 機(jī)床數(shù)控化是機(jī)床行業(yè)的升級(jí)趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，我國(guó) 2021 年新生產(chǎn)金屬切 削機(jī)床的數(shù)控化率僅為 40.5%，而德美日數(shù)控化率在 70%以上，我國(guó)機(jī)床行業(yè)數(shù)控化水 平與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差距。
此前，行星減速器較為普遍被用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，與之相比，諧波減速器體積更小、質(zhì) 量更小、精度更高，未來(lái)隨著數(shù)控機(jī)床的精密操作要求越來(lái)越高，諧波減速器在機(jī)床數(shù) 控系統(tǒng)中的需求有望持續(xù)提升。
根據(jù)綠的諧波招股說(shuō)明書(shū)，單臺(tái)加工中心及數(shù)控銑床可使用 4 臺(tái)以上精密減速器，數(shù)控 車(chē)床及車(chē)削中心、數(shù)字磨床及放電加工機(jī)等可使用 3 臺(tái)以上精密減速器。目前，高精度 數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)和加工中心的四或五軸需要使用 1-2 臺(tái)諧波減速器，雕刻機(jī)的分度回轉(zhuǎn)裝置 以及義齒加工機(jī)等也需要使用諧波減速器。總體上，以機(jī)床為代表的非機(jī)器人領(lǐng)域在國(guó) 內(nèi)諧波減速器市場(chǎng)的應(yīng)用占比呈升高趨勢(shì)，將逐漸趨近全球諧波減速器需求結(jié)構(gòu)。 隨著工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等下游行業(yè)的不斷發(fā)展，減速器的市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。除上 述新增市場(chǎng)外，作為精密傳動(dòng)件和承重部件，諧波減速器的磨損、損傷、故障不可避免， 存量工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等也將創(chuàng)造可觀的零配件配套及維修需求。
催化放量：人形機(jī)器人打開(kāi)想象空間
2021 年 8 月 20 日，馬斯克在首屆特斯拉人工智能日(AI DAY)上首次發(fā)布特斯拉人 形機(jī)器人(Tesla Bot)計(jì)劃，正式宣布進(jìn)軍機(jī)器人領(lǐng)域。2022 年 10 月 1 日，特斯拉 AI Day 上，人形機(jī)器人的第一批生產(chǎn)打算用于那些危險(xiǎn)、無(wú)聊、重復(fù)以及人們不情愿去做 的工作，比如在特斯拉工廠(chǎng)周?chē)苿?dòng)部件，或用扳手給汽車(chē)安裝螺栓。并且表示，起碼 在兩年內(nèi)可以生產(chǎn)出有實(shí)際用途的產(chǎn)品，且價(jià)格預(yù)計(jì)比制造一輛車(chē)的價(jià)格更便宜。按照 馬斯克的設(shè)想，未來(lái)機(jī)器人還可以用于家庭、做飯、修剪草坪和照顧老人，乃至成為人 類(lèi)的“伙伴”或伴侶。
特斯拉 Optimus 主要由機(jī)械部分和電子部分組成，機(jī)械部分包含 28 個(gè)執(zhí)行器和雙手; 電子部分包含大腦和軀干(冷卻系統(tǒng)、電池包)。Optimus 全身的執(zhí)行器一共有 6 種設(shè) 計(jì)，其中包含 3 種不同負(fù)載的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和 3 種不同負(fù)載的直線(xiàn)執(zhí)行器，其中的旋轉(zhuǎn)執(zhí) 行器采用諧波減速器的結(jié)構(gòu)。由于人形機(jī)器人關(guān)節(jié)較多，且更加小型化、精密化，因此 預(yù)計(jì)其對(duì)諧波減速器的需求量較大。根據(jù)馬斯克訪(fǎng)談，人形機(jī)器人有望于 23 年底交付， 若成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，有望帶動(dòng)諧波減速器需求放量增長(zhǎng)。
當(dāng)前時(shí)點(diǎn)為何看好國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商?
從當(dāng)前市場(chǎng)格局來(lái)看，全球絕大部分市場(chǎng)份額仍被日本企業(yè)占據(jù)。但需要說(shuō)明的是，我 國(guó)諧波減速器行業(yè)發(fā)展較日本推遲近 50 年，當(dāng)前市場(chǎng)格局是由過(guò)去因發(fā)展較晚帶來(lái)的 一系列例如技術(shù)壁壘、品牌壁壘等問(wèn)題所導(dǎo)致的，并不表征未來(lái)發(fā)展方向。要判斷在未 來(lái)的增量市場(chǎng)里國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商如何參與分成，仍需立足當(dāng)下研判當(dāng)前國(guó)內(nèi)外企業(yè)博弈形勢(shì)及 行業(yè)環(huán)境的邊際變化。
在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，中國(guó)品牌諧波減速器的市場(chǎng)份額正在提升。國(guó)內(nèi)龍頭綠的諧波在 2021 年 的銷(xiāo)量市占率為 24.7%，較 2020 年 21.0%的市占率有所增長(zhǎng)，并且市占率僅次于全球 龍頭哈默納科，同時(shí)其他國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商如來(lái)福、同川、大族等的市場(chǎng)份額也在提升。此外， 日系企業(yè)哈默納科、新寶的市場(chǎng)份額正在縮減，二者合計(jì)市占率由 2020 年的 46.0%降 至 2021 年的 42.9%。
市場(chǎng)機(jī)遇：產(chǎn)能缺口增大，疊加工業(yè)機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化提速
需求端陡增，全球龍頭將面臨較大產(chǎn)能缺口。日本企業(yè)普遍擴(kuò)產(chǎn)較為謹(jǐn)慎，且哈默納科 存在大量外協(xié)，難以協(xié)調(diào)各工廠(chǎng)迅速擴(kuò)產(chǎn)，疊加需求端放量增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)哈默納科現(xiàn)有產(chǎn) 能及擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃難以補(bǔ)足下游需求缺口。根據(jù)前文，即使在不考慮人形機(jī)器人的需求情況 下，至 2026 年僅國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的諧波減速器需求量便可達(dá) 160 萬(wàn)臺(tái)左右，假設(shè) 2026年國(guó)內(nèi)非工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的諧波減速器需求占比為18%，則國(guó)內(nèi)總需求量約為195 萬(wàn)臺(tái)，幾乎等于哈默納科擴(kuò)產(chǎn)后的全部年產(chǎn)能(不含車(chē)載)，而哈默納科 2021 財(cái)年來(lái)自 中國(guó)的營(yíng)收占比僅 9.3%，其主要產(chǎn)能仍需用于日本本土。顯然，在現(xiàn)有擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃下， 哈默納科產(chǎn)能將無(wú)法支撐全球需求量，意味著國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商將面臨更多的補(bǔ)缺機(jī)會(huì)。
政策支持：有望充分受益于國(guó)產(chǎn)化率提升與供應(yīng)鏈安全要求。“十四五”與“二十大”再 次強(qiáng)調(diào)供應(yīng)鏈安全問(wèn)題與國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，對(duì)于諧波減速器行業(yè)的影響渠道有二，1)下游 產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率提升，使得國(guó)內(nèi)諧波減速器的需求總量提升;2)要求供應(yīng)鏈安全，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件自主可控，使得國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)品的單體國(guó)產(chǎn)減速器用量增多，共同使得國(guó)內(nèi)廠(chǎng) 商面臨的市場(chǎng)空間增大。
需要注意的是，哈默納科與機(jī)器人四大家族深度綁定，其產(chǎn)能也將優(yōu)先滿(mǎn)足四大家族的 供貨。一方面，2022 年四大家族在中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)市占率為 39.6%，換言之，在 四大家族之外的 60.4%中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)諧波減速器產(chǎn)能仍有較大發(fā)揮空間; 另一方面，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的份額由 2019 年的 27.9%提升至 2022 年的 33.6%，仍有 較大提升空間，國(guó)產(chǎn)諧波減速器的市占率有望隨著工業(yè)機(jī)器人的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快而提升。
國(guó)產(chǎn)突圍：技術(shù)先進(jìn)+高性?xún)r(jià)比+積極擴(kuò)產(chǎn)，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)顯著
技術(shù)突破&齒型設(shè)計(jì)，產(chǎn)品性能迎頭趕上。齒形設(shè)計(jì)是諧波減速器較為關(guān)鍵、技術(shù)壁壘 較高的環(huán)節(jié)，因國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展較晚，研發(fā)時(shí)面臨較多的專(zhuān)利壁壘，長(zhǎng)期以來(lái)整個(gè)行業(yè)幾 乎被日本企業(yè)的 IH 齒形產(chǎn)品所壟斷，但隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商加大研發(fā)投入，目前已有 以綠的諧波 P 齒形為代表的多種國(guó)產(chǎn)齒形設(shè)計(jì)登陸市場(chǎng)，該齒形跳出了以 Willis 定理為 基礎(chǔ)的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪設(shè)計(jì)。 技術(shù)層面來(lái)看，P 齒形與 IH 齒形不存在相互迭代的關(guān)系，二者為兩種不同的設(shè)計(jì)思路， 均為國(guó)際先進(jìn)水平。P 齒形齒高低，可用較淺的咬合距離獲得較大咬合量，輸出扭矩較 大，同時(shí)齒寬大，齒根弧度增大，減少發(fā)生斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)，所需柔輪變形量較小，可使柔輪壽命顯著提升，另外，多達(dá) 20%~30%的齒參與嚙合，齒面比壓較小;但同時(shí)相比 IH 齒形有著精度稍遜的劣勢(shì)。 除齒形外，柔輪、剛輪與交叉滾子軸承同樣壁壘較高。目前國(guó)內(nèi)剛輪采用 ADI 材料，性 能優(yōu)于國(guó)外企業(yè)所使用的球墨鑄鐵;柔輪則在提純工藝上較國(guó)外企業(yè)稍遜。相比柔輪和 剛輪受到國(guó)外出口的嚴(yán)格限制，交叉滾子軸承則相對(duì)受限較少，采用進(jìn)口產(chǎn)品僅需考慮 成本較高的問(wèn)題，同時(shí)目前國(guó)內(nèi)洛陽(yáng)森奧等交叉滾子軸承企業(yè)也可提供成熟的解決方案。
整體來(lái)看，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)在技術(shù)層面的突破，以綠的諧波為代表，其產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)與 國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品同達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平;細(xì)分環(huán)節(jié)來(lái)看，不同環(huán)節(jié)技術(shù)水平國(guó)內(nèi)外互有勝 負(fù)。
國(guó)內(nèi)諧波減速器領(lǐng)先企業(yè)具有顯著成本優(yōu)勢(shì)，綠的諧波毛利率較哈默納科高 10%以上。 由于技術(shù)路線(xiàn)不同及國(guó)內(nèi)外人工費(fèi)用差異，綠的諧波的諧波減速器單位成本遠(yuǎn)低于哈默納科。受益于成本上的巨大優(yōu)勢(shì)，使綠的諧波即使是在產(chǎn)品均價(jià)遠(yuǎn)低于哈默納科、規(guī)模 遠(yuǎn)小于哈默納科的情況下，其毛利率在近三年仍高于哈默納科 10%以上。
國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商相繼布局，積極擴(kuò)產(chǎn)提市占。過(guò)去五年，國(guó)產(chǎn)減速器廠(chǎng)商進(jìn)步明顯，國(guó)內(nèi)入局 者持續(xù)增多。GGII 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)市場(chǎng)超 100 家本土企業(yè)涉足精密減速器的 生產(chǎn)，其中，RV 減速器企業(yè)近 50 家，諧波減速器企業(yè)超 50 家，且技術(shù)在逐步提升， 部分廠(chǎng)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并逐步推向市場(chǎng)，在精密減速器國(guó)產(chǎn)化的道路上進(jìn)步明顯。 總體上，在產(chǎn)能方面，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)以綠的諧波現(xiàn)有產(chǎn)能及擴(kuò)產(chǎn)幅度為最大，其 2021 年底產(chǎn)能已達(dá) 30 萬(wàn)臺(tái)/年，約為哈默納科未擴(kuò)產(chǎn)前產(chǎn)能的 1/3。此外，綠的諧波于 2022 年發(fā)起定增，計(jì)劃新增諧波減速器產(chǎn)能 100 萬(wàn)臺(tái)/年、機(jī)電一體化執(zhí)行器 20 萬(wàn)套/年。國(guó) 內(nèi)其他企業(yè)近年來(lái)均發(fā)力建設(shè)諧波減速器產(chǎn)能，隨著技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)品性能提升，結(jié)合國(guó) 產(chǎn)性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)能快速擴(kuò)張，國(guó)產(chǎn)諧波減速器市占率有望快速提升。