人形机器人深度研究系列八：谐波减速器-差齿传动，持续进化

摘要数据来源：东吴证券研究所◆减速器的技术壁垒高度集中于齿形设计、材料制备、精密加工及设备：谐波减速器对使用寿命、传动精度、传动效率、刚度、升温、噪声等性能指标要求高，海外哈默纳克各方面性能领先于国内厂商。齿形设计方面，哈默纳科IH齿形专利形成垄断，国内厂商通过P齿形、LS齿形等自主方案实现突破，但啮合效率与寿命仍存差距；材料端，柔轮需采用40Cr合金钢等具备高疲劳强度与纯净度的特种材料，杂质控制水平将影响寿命；工艺设备端，谐波减速器属于精密加工，主流采用滚齿或插齿工艺，设备依赖于进口。◆人形机器人驱动爆发增长，2027年谐波减速器或现供需拐点：传统工业领域（工业机器人占83%）2024年需求约200万台，年增速8-10%，相对稳定；人形机器人单机谐波用量平均10个+，在特斯拉、Figure AI等引领下，2027年全球人形销量或超50万台，对应谐波需求600万台，叠加传统需求总量达880万台。供给端，2025年全球有效产能500万台（哈默纳科220万+绿的50万），产能利用率不足50%，但2027年需求激增或致供给缺口超20%，且远期谐波全球空间近2千亿。◆竞争格局加速重构，国产替代主导人形增量需求，率先绑定海外客户弹性大：2024年哈默纳科全球份额58%（收入口径），国内形成明显梯队，绿的全球份额为15%，为第一梯队；来福、大族、同川、中技克美处于第二梯队，全球份额1-5%；而中大力德、瑞迪、国茂、昊志机电处于第三梯队，在传统领域，已形成销售规模。近年新进入者蜂拥而至，聚焦人形领域，积极拓展客户，看好具备优秀制造基因、技术基础、客户优势的厂商。主流型号谐波价格1-2k/台，价格呈小幅下降趋势，未来仍有明显下降空间，但降本空间大，谐波制造成本占比超50%，规模化后，可维持25-35%。由于海外人形公司谐波用量多，率先进入海外供应链厂商，业绩弹性大。◆投资建议：人形机器人产业爆发确定性强，2027年谐波减速器或供不应求，看好率先绑定龙头客户，特别是海外大客户企业，并看好技术和工程化能力强的新进入，未来可在行业获一席之地。推荐标的绿的谐波（国内谐波龙一，海外客户对接进展快）、科达利（工程化能力强、且具备客户基础）、斯菱股份（工艺协同）、双环传动（协同、客户优势）、中大力德（多种减速器协同），并建议关注中鼎股份、美湖股份、大族激光、汉宇集团、瑞迪智驱、隆盛科技、国茂股份、翔楼新材、昊志机电、丰光精密、丰立智能等。◆风险提示：人形机器人销量不及预期，竞争加剧，价格下降 2 3PART1设计、材料、工艺、设备造就谐波减速器高壁垒PART2人形机器人带来谐波需求爆发，产业方兴未艾PART3深度绑定海外人形客户，成长空间广PART4投资建议&风险提示 PART1设计、材料、工艺、设备造就谐波减速器高壁垒 ◆减速器是旋转执行器的核心部件，分为谐波减速器、行星减速器、RV减速器，人形多使用前二者。减速器是一种机械传动装置，其主要功能是降低转速并增加扭矩。减速器可分为谐波减速器、行星减速器和RV减速器，其中人形机器人主要使用谐波减速器和行星减速器。其中，谐波减速器体积小、重量轻、精度高，但软轮抗冲能力差、寿命有限、成本较高。行星减速器虽精度有限，但承载力和抗冲击力好于谐波。◆RV减速器优化后未来有望用于人形部分关节。RV减速器主要用于工业机械臂，摆线减速器为RV一种，摆线轮与针齿啮合的原理，天生具备大扭矩和抗冲击性，目前已经过厂商优化，大幅缩小体积、提高精度。数据来源：绿的谐波招股说明书，哈默纳克官网、东吴证券研究所谐波减速器：人形机器人旋转执行器的核心部件图：谐波减速器VS行星减速器VSRV减速器谐波减速器行星减速器体积小重量轻传动比中（单级70-500）传动效率低（75-90%）精度高（0.1-1弧秒）承载力低价格（1000元-1500元）体积小重量轻传动比低（单级10以内）传动效率高（95%）精度低（3弧分以内）承载力中价格（300元-500元）人形机器人关节机器狗、人形机器人关节 5RV减速器体积大重量高传动比高（50-1000）传动效率中（85-90%）精度中（1弧分以内）承载力高价格（3000元-5000元）工业机器人 ◆谐波减速器构成相对简单，由柔轮、刚轮和波发生器组成，传动原理为柔轮和刚轮间的错齿运动。谐波减速器的核心是柔轮的弹性变形和齿轮啮合的错齿运动，传动过程为通过波发生器让柔轮变形，柔轮外齿与刚轮内齿依次啮合来实现减速。◆最常见为双波传动，即柔轮比刚轮少两个齿，如刚轮200齿，柔轮198齿，电机带动波发生器转动一圈，柔轮旋转2/200圈，反方向错位2个齿，此时减速比达到100。通过调整柔轮和刚轮的相对齿数，可以获得不同的减速比，单极传动可达70-500，某些装置可达1000，多级传动可达30000以上。数据来源：来福谐波官网，哈默纳克官网，电子元件技术网，东吴证券研究所结构：由柔轮、刚轮和波发生器组成，为错齿运动图：谐波减速器结构组成图柔轮波发生器刚轮图：谐波减速器的运动原理波发生器：由椭圆形的凸轮和滚动轴承组成，通过自身的旋转使柔轮产生可控的弹性变形柔轮：是一个薄壁圆筒形的外齿轮，能够产生较大的弹性变形刚轮：是一个内齿圈，通常固定在机壳上，齿数比柔轮多2个齿运动原理：由通过波发生器让柔轮变形，然后与刚轮啮合来实现减速。一般为固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮长轴两端的外齿与刚轮内齿啮合而短齿外齿脱开，转动过程中，椭圆凸轮迫使柔轮不断变形，使得柔轮外齿同刚轮内齿依次啮合。 6 ◆谐波减速器关键性能指标为使用寿命、传动精度、传动效率、刚度、升温、噪声等。哈默纳科性能行业最优，使用寿命可达10年以上，传动平稳性高，噪音和震动较小，抗冲击能力强，而国内厂商多数使用寿命在2-3年，高温高转速下存在噪音、漏油等问题。哈默纳科在材料热处理、齿形设计(IH齿形专利)、精密加工、润滑技术等方面领先，在全球市占率约50-60%，在高端市场占比超70%。数据来源：哈默纳克官网，绿的谐波官网，来福谐波官网，东吴证券研究所性能要求：长寿命、高精度、稳定运行，HD性能领先表：谐波减速器关键性能及厂商差异指标哈默纳克绿的谐波常用减速比高减速比：重载低速场景（关节机器人）低减速比：告诉轻载场景30:1~320:130:1~200:1直径小直径与大直径生产难度大最小外直径6mm最小外直径6-8mm最小外直径8-10mm传动精度输出轴实际位置与理论的偏差，单位角分（arcmin）≤1arcmin（高端可小于0.3）1-3arcmin传动效率影响能耗与发热80-90%75-85%扭矩刚度抵抗扭矩变形的能力，刚度越高，振动越小10-50Nm/arcmin8-40Nm/arcmin5-30Nm/arcmin回差输入轴固定时，输出轴可自由旋转的角度，回差大，影响重复定位精度≤1arcmin≤3arcmin寿命额定负载下的寿命1-2万小时（高端更高）0.8-1.5万小时温升温升过高会影响润滑性能和寿命≤30℃≤40℃噪声影响工作环境≤60dB≤65dB 7二线厂商30:1~160:13-5arcmin70-80%≤5arcmin0.5-1万小时≤50℃≤70dB ◆谐波减速器具备较高的技术壁垒，核心难点在于材料制备、齿形设计和生产工艺。◆1）材料制备：柔性轴承需用超纯净钢冶炼技术。柔轮+柔性轴承需要承受周期性的变形，对材料的疲劳强度和纯净度要求极高。柔轮和柔性轴承材料目前多为40Cr合金钢，但国内提纯技术不足，导致材料杂质较多，影响产品的疲劳寿命。◆2）齿形设计：新进齿形专利限制。齿形的精度直接影响传动效率和寿命，传统齿形设计如渐开线齿形和双圆弧齿形存在一定的局限性，而先进的齿形设计（如哈默纳科的“IH”齿形）被国外企业垄断，新进入者难以绕开专利限制。◆3）生产工艺：齿形磨削工艺达到微米级。谐波减速器的加工精度高，误差需控制在1微米以内，多依赖于进口高精度设备，设备成本高昂，工艺需长期的经验积累；此外，谐波减速器的装配工艺复杂，其中柔轮和钢轮装配中无法完全自动化，还需根据总装技术要求进行精细调整和校正，新进入者难以在短时间内培养出足够经验丰富的技工。数据来源：《谐波减速器现状及问题研究》，东吴证券研究所难点：核心为材料制备、齿形设计和生产工艺环节难点材料制备柔轮和柔性轴承对材料的疲劳强度和纯净度要求极高。齿形设计齿形的精度直接影响传动效率和寿命。生产工艺多依赖于进口高精度设备，柔轮和钢轮装配中无法完全自动化。表：谐波减速器制造设计难点表：谐波减速器人形机器人应用难点问题棘轮现象当施加过大的扭矩时，可能导致钢轮和柔轮齿无法正确啮合，这种现象会导致过度振动、加速磨损，甚至可能损坏驱动器的其他部件。共振现象谐波减速器中的主要振动源来自于柔轮的连续变形，人形机器人双手需同时运动，若产生共振现象，会导致两手抖动，影响机器人的运动精度。减重任务尽管相较于行星和RV减速机，谐波减速器的重量已经非常轻，但对于人形机器人来讲，仍然负担沉重，未来如何减重（潜在方案主要系更换轻量化材料）成为重要课题。 8具体过程 ◆谐波减速器的材料对其性能和寿命至关重要，其中柔轮+柔性轴承材料要求最高，国内仍主要依赖于进口。波发生器使用高强度合金钢，柔轮采用40Cr合金钢，刚轮采用球墨铸铁或碳素钢。◆柔轮+柔性轴承材料最为关键，柔轮筒体壁厚较薄，承受椭圆周期性形变，材料要求良好的韧性和优良的切削性能，柔性轴承承受椭圆周期性应力发生弹性形变，材料更易发生疲劳失效，国内提纯技术与日本相比仍有差距，国产材料中存在夹杂物如TiN和Al2O3，夹杂物易在组织内产生应力集中，进而降低疲劳性能，目前国内仍依赖进口为主，未来有望实现国产化。◆此外，谐波减速器材料非标准化，配方成为性能差异化的关键，如哈默纳克和斯菱股份在刚轮中使用球墨铸铁，相比碳素钢材料，其具备成本低，寿命长、切削性好、导热快、减少噪音等优点。数据来源:《谐波减速器刚轮用材质摩擦磨损性能分析》，《机器人用谐波减速器关键部件柔轮的材料及制备研究》，东吴证券研究所材料：稳定性和寿命的关键，其中柔轮要求最高图：谐波减速器部件材料情况波发生器柔轮刚轮常用材料：采用高强度合金钢，如40Cr合金钢材料要求：需要具有高强度和刚度，以保证其在驱动柔轮变形时的稳定性和寿命常用材料：40Cr合金钢，如40CrMoNiA和40CrA等材料要求：需要具有高强度、高韧性以及良好的切削性能，保证其在周期性变形下的耐磨性和传动精度常用材料：球墨铸铁或碳素钢材料要求：需要具有足够的强度和耐磨性，以保证其在与柔轮啮合过程中的传动精度和寿命 9 ◆PEEK材料在谐波减速器可大幅减重、降低温升，更适合用于人形：PEEK材料在谐波减速器中主要用于替代刚轮/柔轮，其优势在于轻量化（可减重70%+）、自润滑（降低温升和噪音）以及耐腐蚀。然而，PEEK的刚性较低（需碳纤维增强）、长期高负载下可能蠕变（寿命下降20%），且材料成本高昂（约金属的5倍+）。◆头部厂商已有专利布局，新进入者已发布相关产品：哈默纳科、绿的谐波等头部厂商已有相关专利和技术储备，科达利子公司25年4月发布多款Peek材料谐波减速器，钢轮和外壳采用Peek材料注塑，计划用于人形机器人上半身关节。Peek谐波与传统谐波工艺有所不同，PEEK部件依赖注塑或3D打印，降本还需大规模生产。数据来源：菲尔森官网，《PEEK基复合材料短筒谐波减速器的设计关键问题研究》，公司公告，东吴证券研究所材料：轻量化是趋势，Peek材料可应用于钢轮图：Peek谐波减速器特点金属钢轮Peek柔轮重量重（密度7.8g/cm³）轻（Peek密度7.8g/cm³）寿命高（1-2万次）低20%刚度高低21%耐腐蚀性需要表面处理高摩擦系数高低温升较高低温度稳定性高受限（≤250℃）金属钢轮Peek柔轮工艺锻造/机加工注塑成型成本合金钢价格0.5万/吨Peek价格40万/吨，Peek谐波价格较普通预计高1倍 10Peek谐波布局哈默纳克专利JP2020185231A（Peek复合材料柔轮，体积碳纤维增强方案）专利US2