减速器
精密减速器是连接伺服电机和执行机构的中间装置,通过齿轮啮合将伺服电机的动力传递到执行机构上,起到匹配转速和传递转矩的作用。 根据GGII 数据显示,2021年中国工业机器人减速器总需求量为93.11万台,同比增长 78.06%。其中增量需求82.41万台,同比增长95.05%;存量替换量为 10.70 万台,同比增长6.57%。 常见的减速器有行星齿轮减速机、RV减速机、谐波减速机等。
RV减速器和谐波减速器是工业机器人最主流的精密减速器。 RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高,并具有更高的刚性和扭矩承载能力,一般放置在机器人机座、大臂、肩部等重负载的位置;谐波减速机具有单极传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点,使其在机器人小臂、腕部、手部等部位具有较大优势。 根据机器人协会统计,全球范围内机器人行业应用的精密减速机可分为RV 减速机、谐波减速机和SPINEA减速机,三者的市场销售数量占比约为 40%、40%、20%。
减速器的价格一般与其体积有关,一般直径越大的减速器价格越高。由于机器人的自由度较高,全身的减速器数量也较多,因此在总成本中,减速器的占比也要略高于工业机器人。 对于高精度机器人减速器,日本具备绝对领先优势,目前全球机器人行业75%的精密减速机被日本的哈默纳科和纳博特斯克两家垄断,包括ABB、发那科、库卡等国际主流机器人本体厂商的减速器均由上述两家公司提供。
从产品类型来看,国产谐波减速器替代相对明显,目前已有如绿的谐波、来福等优质厂商,2021年仅绿的谐波已达到国内25%的市场份额。RV减速器有较高的技术和投资门槛,国内市场,减速器龙头厂商纳博特斯克占据一半以上市场份额,剩余竞争格局较为分散,如双环传动、南通振康、中大力德等开始出现,其中双环传动占比最高,2021年RV减速器市占率达14%。
从目前工业机器人市场来看,一台六轴机器人总共使用6个减速器,其中底座、肩部一般使用RV减速器,其余部分一般使用谐波减速器(约4个)。 单台工业机器人所需精密减速器中,RV减速器占比约为 60%-80%。RV 减速器结构复杂,兼具行星减速器和摆线针轮减速器优势。多关节机器人负载较大,驱动精确性要求高,通常在对应关节处需要配套1个伺服电机+1个的减速器实现驱动,单个机器人RV减速器需求量为4-5个。 人形机器人关节数量远超普通工业机器人,人体共有78个已命名关节,其中适用谐波减速器的肘关节、腕关节、指关节、趾关节共有60 个,因此人形机器人若要实现接近人体的活动自由度,则减速器用量将数量级增长。 根据产业链调研,人形机器人的减速器一般不少于40个。具体数量主要取决于手指数量、手腕弯曲度、腿部弯曲度等。一般,指关节可以通过拉线、编码器来完成,一根手指最多需要一个减速器,每只手5个手指则需要4-5个减速器。因此,一般两只手臂、一个脊、每只手5个手指的机器人其减速器数量大约在45-50个。
长期看谐波减速市场规模有望持续增长,预计2025年市场过有望超过30 亿。
根据MIR 数据,2021年国内RV减速机市场规模42.95亿元,预计2025年中国RV减速器市场规模达65.53亿元。 伺服系统 伺服系统是能精确控制执行机构的自动控制系统,主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成,编码器通常嵌入于伺服电机。 伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动,同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器,伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度、转矩等输出变量。
工业机器人的伺服系统体积较大,有部分机器人伺服系统外置,因此其集成度不比人形机器人。另外,工业机器人通常使用交流伺服电机,对精度要求更高、体积更大,而人形使用的是直流无框力矩电机,可以在较小体积下输出较大的力,而且没有外框,只有一个转子、定子。 伺服系统的设计一般根据机器人应用场景而定,例如机器人的身高、体重、负载等。 从组成上看,人形机器人的伺服电机、驱动器、编码器、减速器等集成在一起,整体组成一个“空心杯”形状的集合
对于颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节来说,可采用标准的电机组合形式。对于手部关节,空间狭小、要求较高,可选方案较多: 1)双手28个关节均采用微机电系统; 2)双手10根手指均采用微型电缸控制,电缸可放在手掌空间; 3)无名指、小指、中指联动,采用微型电缸控制。
伺服电机产业链涉及稀土磁材、电子原器件、伺服系统制造、机器人等。上游来看,伺服电机行业的上游主要是稀土磁材和电子零部件等其他材料,稀土磁材是伺服电机制造过程中必需的重要原材料。
据统计,2017-2021年中国伺服系统由97亿元上升至224亿元,CAGR为23.3%,增速较快,预计未来两年伺服系统市场规模将近300亿元。 我国伺服系统主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营。近年来,国内厂商通过引进、消化吸收国际先进技术,逐渐在国内市场中取得一定的份额。据数据,2020年我国伺服市场中,日韩品牌占据约51%的市场份额,国产品牌占据约30%份额,欧美品牌占据约19%份额;其中,安川、三菱和松下分别以 11.3%、10.5%、9.9%的市场份额位列前三。国内伺服企业汇川、禾川技术和埃斯顿2020年国内市场份额分别为9.8%/3.0%/2.0%。