什么是諧波減速器?
減速器類似于工業(yè)機械的“肌腱”，對于每一個以軸為中心轉(zhuǎn)動的機器“關(guān)節(jié)”，減速器 可以精準調(diào)節(jié)機器轉(zhuǎn)動角度。從原理上來看，關(guān)節(jié)處利用電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，但電機功率有限，轉(zhuǎn)速很高，這帶來兩個問題：電機直接輸出的扭矩較小，無法承受負載;機器人關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動不需要電機那樣的高轉(zhuǎn)速。因此，通常需要在電機的輸出端安裝減速器，從而降 低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。同時在電機轉(zhuǎn)動精度受限的情況下，通過角速度的調(diào)節(jié)也實現(xiàn)了精 準控制角度的需求。 減速器可按照控制精度分為一般傳動減速器和精密減速器。減速器是連接動力源和執(zhí)行 機構(gòu)的中間機構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速、傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。其中一般傳動減速器控制精度相對 較低，僅僅能夠滿足機械設(shè)備基本的動力傳動需求。而精密減速器具有回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定的優(yōu)點，并且已經(jīng)從工業(yè)機器人領(lǐng)域滲透到機器人、 數(shù)控機床等高端領(lǐng)域。精密減速器種類較多，包括諧波減速器、RV 減速器、擺線針輪 行星減速器、精密行星減速器等，一般應(yīng)用于機器人領(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。由于傳動原理和結(jié)構(gòu)等技術(shù)特點差異，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 場景和終端行業(yè)。精密減速器中，相對于 RV 減速器，諧波減速器結(jié)構(gòu)更簡單，質(zhì)量和 體積更小，單級傳動比和精密度更高，在機器人領(lǐng)域具有無可替代的地位。
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 過其與剛輪的相互作用，實現(xiàn)運動和動力傳遞的傳動裝置，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)生器三個基本構(gòu)件組成。
高價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)用場景的整個工業(yè)體系。目 前國內(nèi)諧波減速器下游最大的應(yīng)用場景就是工業(yè)機器人。此外非機器人領(lǐng)域也為諧波減 速器帶來新的需求增量，比如數(shù)控機床、光伏設(shè)備、航天器以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
機器人核心零部件主要包括精密減速機、交流伺服電機、控制器。精密減速器是連接動 力源和執(zhí)行機構(gòu)的中間機構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。伺服電機在自動控制系 統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。機 器人每個關(guān)節(jié)運動均需靠伺服電機驅(qū)動，以實現(xiàn)多自由度的運動?？刂破魇枪I(yè)機器人 的大腦，對機器人的性能起著決定性的影響。工業(yè)機器人控制器主要控制機器人在工作 空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動作的時間等。 核心零部件占據(jù)整機 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)上來看， 三大核心零部件的技術(shù)門檻由高至低依次為減速器、伺服電機和控制器;從成本上來看， 減速器占整機成本超過三分之一(約 35%)，伺服約占整機成本約 23%，控制器約占整 機約 12%。從盈利水平看，諧波減速器的毛利率也相對較高，基本能夠維持在 50%以 上，高于伺服系統(tǒng)、控制器、機器人本體及系統(tǒng)集成毛利率。
龍頭壟斷：初探諧波減速器格局成因
從競爭格局來看，全球諧波減速器市場呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)，在全球諧波減速器市場格局 中，哈默納科全球市場占有率在 82%左右，綠的諧波占比 7%，其他廠商占比約 11%。 總體上，日本在諧波減速器領(lǐng)域具備領(lǐng)先優(yōu)勢，包括 ABB、發(fā)那科、庫卡等國際主流機 器人本體廠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值量的產(chǎn)業(yè)鏈 地位下，我們認為壁壘高筑和先發(fā)優(yōu)勢是形成高度壟斷市場格局的根本原因。
歷史復(fù)盤：從無心插柳到問鼎全球
獨創(chuàng)金屬柔性元件，開啟驅(qū)動領(lǐng)域新賽道。20 世紀 50 年代中期，美國發(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技術(shù)。
1960 年美國 USM 公司首次將諧波傳動減速器成功投入運用，1964 年，長谷川齒輪株 式會社從美國 USM 公司引進全套技術(shù)，獲得了 USM 的生產(chǎn)許可。1970 年 10 月，長 谷川與 USM 各出資 50%，在東京成立了 Harmonic Drive Systems Inc.，漢譯哈默納 科，專門從事諧波減速器的生產(chǎn)。最初諧波驅(qū)動僅應(yīng)用于航空航天和國防領(lǐng)域，伴隨著 工業(yè)機器執(zhí)行器由液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?，諧波減速機應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬。 20 世紀 80 年代開始日本機器人開始快速發(fā)展，日本從機器人需求大國發(fā)展為生產(chǎn)制造 強國，而諧波減速器獨有的結(jié)構(gòu)特征使其具有回差小、運動精度高、傳動比大、體積小、 重量輕等優(yōu)點，因此諧波減速機產(chǎn)品在日本國內(nèi)需求迅速增長，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)機器人、機床、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)機器人仍然是哈默納科最主要的下游領(lǐng)域。
先發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)升級造就高壁壘寡頭。哈默納科在公司創(chuàng)立的 50 年時間里，在產(chǎn)品、 技術(shù)方面持續(xù)投入和積累，實現(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)品系列的同時不斷提升產(chǎn)品的各項性能，使其最大化滿足 下游客戶的需求，拓寬使用場景，提供使用便利。從哈默納科產(chǎn)品線的發(fā)展歷程來看， 諧波減速機的強度、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 電一體化等產(chǎn)品易用性是改進的重點。 哈默納科積極通過多種途徑實現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)進步，包括與客戶的長期互相指導(dǎo)、通過產(chǎn) 官學(xué)三結(jié)合進行技術(shù)開發(fā)及公司內(nèi)部營業(yè)、開發(fā)、生產(chǎn) 3 部門團結(jié)一致發(fā)展新技術(shù)。通 過替換柔輪制作材料，公司諧波減速機的柔輪疲勞強度得到增強。從漸開線齒形到 IH 齒 形的改進使諧波減速機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。哈默納科 1986 年所開發(fā)柔輪杯部向外敞開的 SH 型中空結(jié)構(gòu)諧波減速 機，是哈默納科產(chǎn)品系列的又一大進步。通過改進加工設(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裝置。
專利視角：從跟跑到并跑，“設(shè)計-材料-加工”為主
諧波減速器技術(shù)相關(guān)專利的申請經(jīng)歷了萌芽期(1955-1976 年)、發(fā)展期(1977-2010 年) 和快速成長期(2011 年-至今)，1976 年以前，專利申請國主要是美國等，但申請數(shù)量較少。在發(fā)展期，諧波減速器技術(shù)的專利申請數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢，各國對諧波減速器的 產(chǎn)業(yè)布局也逐漸清晰。在快速成長期，諧波減速器的市場需求伴隨著機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 快速擴大，專利申請數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)型高速增長態(tài)勢。
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方法等 10 個部分。其中研發(fā)重點主要在于 總體結(jié)構(gòu)、發(fā)生器、柔輪和加工制造等幾個環(huán)節(jié)。 從專利壁壘的角度看，全球龍頭哈默納科的優(yōu)勢明顯。1955-2019 年，哈默納科無論是 專利申請累計總數(shù)遠遠領(lǐng)先其余諧波減速器廠商。這更進一步說明，諧波減速器是技術(shù) 密集型行業(yè)，短期內(nèi)競爭格局很難發(fā)生較大變化，國產(chǎn)替代是一個長期的過程。
抽絲剝繭：技術(shù)壁壘高筑，先發(fā)優(yōu)勢明顯
齒形設(shè)計、柔輪強度、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。 總體來看：諧波減速器技術(shù)壁壘較高，要達到較高的使用精度和壽命，需要在齒形設(shè)計、 柔輪強度、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、 加工、設(shè)備等方面均具有較深護城河，諧波減速器作為技術(shù)密集型行業(yè)，先進入者依靠 其工藝技術(shù)和加工經(jīng)驗等具備先發(fā)優(yōu)勢。 在諧波齒輪傳動的過程中，齒形設(shè)計占據(jù)著柔輪和剛輪零部件的關(guān)鍵位置。諧波傳動技 術(shù)發(fā)明者馬瑟于 20 世紀 50 年代提出的齒形為直線三角齒形，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，因而不是其真實的齒形， 同時在實踐中也給加工制造和刀具設(shè)計等帶來很大的麻煩。隨后出現(xiàn)了經(jīng)典的 30°壓 力角漸開線齒形，雖然該齒形優(yōu)于直線齒形，但由于在空載時，柔輪齒形包絡(luò)在一個不 大的區(qū)域，在負載時容易出現(xiàn)尖點嚙合與邊緣接觸。
漸開線齒形的齒底彎曲應(yīng)力比較集中，同時嚙合齒數(shù)僅為總齒數(shù)的 10%左右，導(dǎo)致諧波 減速器的強度極限不高。哈默納科進一步改良后的齒形稱為 IH 齒形，可大幅增加嚙合 齒數(shù)，同時嚙合齒數(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度，尤其柔輪材料晶粒不均勻會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，因此至今還沒有統(tǒng)一 的柔輪強度計算方法。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，當(dāng)速度越高時，噪聲與振動越明顯。哈默納科在柔輪材料上使用疲勞強度大的 特殊鋼，并且同時嚙合齒數(shù)比例達到 30%，材料和齒形的雙優(yōu)化使得每個齒輪所承受的 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 柔輪材料細化程度與穩(wěn)定性方面仍然優(yōu)于國產(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，柔性軸承通過其彈性變形使減速機 達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，進而決定著整個減速器的使用壽命。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，通常可通過材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的優(yōu)化以及表面強 化處理、表面防護措施、加工方式的改進等方法進行改良。 在結(jié)構(gòu)方面，哈默納科對殼體和波發(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，同時對連接部件進行優(yōu)化，使得整機得以輕量化，在航空航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。 國內(nèi)綠的諧波生產(chǎn)的超扁平系列諧波減速器，柔輪的長徑比可達 1 /3，體積小、質(zhì)量輕， 非常適合于對減速器有苛刻厚度要求的場合使用。
在加工精度方面，在諧波傳動裝置中，柔輪與波發(fā)生器最為復(fù)雜，主要是這兩個元件的 加工相對困難。傳統(tǒng)的擺線齒形可以使用帶直邊切削刃的插刀進行加工，目前大部分的 廠商，例如哈默納科、同川科技、來福諧波等，采用特殊的刀具機加工齒形，而綠的諧 波則采用線切割的方式加工齒形，兩種加工方式各有優(yōu)劣。目前對于柔輪、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，諧波減速器市場擴容
核心部件：工業(yè)機器人行業(yè)長期向好
在全球市場，機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 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 財年營收數(shù)據(jù)來看，其產(chǎn)品下游 51.7%是機器人領(lǐng)域，另有 48.3%下游為非機器 人領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體設(shè)備(15.0%)、車載(6.5%)、電機齒輪箱(5.4%)和機床(3.9%) 等領(lǐng)域。
在國內(nèi)市場，工業(yè)機器人同樣是諧波機器人最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)綠的諧波招股說明 書，其產(chǎn)品在 2017-2019 年的下游應(yīng)用中，機器人(包括多關(guān)節(jié)機器人、協(xié)作機器人、 SCARA、DELTA、服務(wù)機器人、AGV 及巡檢機器人)應(yīng)用占比達 79.4%，高端數(shù)控機 床應(yīng)用占比7.5%。2021年綠的諧波在機器人行業(yè)的營業(yè)收入占總營收的比例為81.0%。 總體上，綠的諧波產(chǎn)品主要集中在以工業(yè)機器人為主的自動化領(lǐng)域，且機器人與機床的 應(yīng)用占比高于哈默納科，這與國內(nèi)近年來的自動化趨勢息息相關(guān)。
隨著人口老齡化程度持續(xù)加深，企業(yè)招工越來越困難、制造業(yè)工人工資逐年增長，導(dǎo)致 勞動力短缺和勞動力成本上升，催生機器換人的需求。根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2021 年全球工 業(yè)機器人密度(工業(yè)機器人保有量/制造業(yè)就業(yè)人數(shù))約為 141 臺/萬人，且處于持續(xù)上 升狀態(tài)，其中排名第一的韓國已達 1000 臺/萬人。經(jīng)驗證，IFR 公布的中國工業(yè)機器人 密度明顯高于實際情況，或因未考慮私營企業(yè)和個體制造業(yè)人數(shù)，導(dǎo)致用于計算的制造 業(yè)就業(yè)人數(shù)偏低，經(jīng)過矯正，2021 年中國工業(yè)機器人密度約為 121 臺/萬人，較韓國、 新加坡、日本、德國等國仍有不小差距，說明我國工業(yè)機器人市場發(fā)展空間較大。
《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出要重點解決關(guān)鍵零部件“卡脖子”問題，并不 斷提升高端供給能力，對比來看“十三五”期間總體發(fā)展目標是形成較為完善的機器人 產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)展側(cè)重點上升了一個階段?！兑?guī)劃》提出要推動用產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，提升機 器人關(guān)鍵零部件的功能、性能和可靠性，這將繼續(xù)支撐中國工業(yè)機器人領(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?！兑?guī)劃》提出到 2025 年機器人產(chǎn)業(yè)營業(yè)收 入年均增速超過 20%，制造業(yè)機器人密度實現(xiàn)翻番，將為工業(yè)機器人帶來更廣闊的市場 空間。
中國是全球工業(yè)機器人密度增長的主要驅(qū)動市場。我國已經(jīng)連續(xù) 9 年成為全球最大的工 業(yè)機器人消費國，根據(jù)中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2022 年)，2021 年我國工業(yè)機器人 市場規(guī)模約 75 億美元(約 484 億元人民幣)，占全球市場規(guī)模的 43%。2017-2021 年 國內(nèi)銷售額 CAGR 約為 13%。報告預(yù)測到 2024 年，全球、中國工業(yè)機器人市場規(guī)模 可達 230、115 億美元。 銷量方面，根據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，中國市場工業(yè)機器人銷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 年中國市場、全球市場工業(yè)機器人銷量分別 為 26.8 萬臺、51.7 萬臺。
近年來工業(yè)機器人下游行業(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 78.40%，已成為第二大下游行業(yè);光伏行業(yè)復(fù)合增長 38.87%;同時新興工業(yè)市場需 求大幅增長，汽車電子、半導(dǎo)體、醫(yī)療用品行業(yè)復(fù)合增速分別達 61.14%、52.52%、 40.74%。隨著新能源行業(yè)趨勢向好，鋰電、光伏需求仍將保持高速增長，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)機器人各下游行業(yè)會持續(xù)發(fā)展。
在機器人細分品類中，輕型機器人增速較快，小型化趨勢明顯。在工業(yè)機器人領(lǐng)域，自 由度是衡量工業(yè)機器人技術(shù)水平的主要指標之一，通常每個自由度需要一個伺服電機驅(qū) 動以及一個配套減速器來傳動，以完成精確驅(qū)動的要求。工業(yè)機器人的自由度數(shù)根據(jù)其 用途與功能要求而不同，比如一般通用工業(yè)機器人有 4-6 個自由度，即每臺通用工業(yè) 機器人需要配套 4-6 個減速器，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，汽車產(chǎn)業(yè)對于機器人的需求占比最高，其需求載荷較高，普遍在 30kg 以上;近幾年對于機器人的需求特征為輕負載、高精度，輕型化需求較為明顯。2018-2022 年，Delta 增速最慢，但協(xié)作機器人的復(fù)合增速達 56.1%，一定程度上驅(qū)動了機器人產(chǎn)業(yè)二次爆發(fā)。 協(xié)作機器人是一種新型工業(yè)機器人，旨在與人類共享工作空間，為全手動和全自動的生 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、繁重的工作，提升生產(chǎn)效率，相 比傳統(tǒng)工業(yè)機器人更小型化和輕量化。此前，工廠中的工業(yè)機器人都有安全圍欄，將它 們與人工操作隔開，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)機器人。協(xié) 作機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，近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài) 勢。此外，協(xié)作機器人價格下行加速，用戶導(dǎo)入門檻進一步降低，不少企業(yè)推出經(jīng)濟型 協(xié)作產(chǎn)品，以搶占市場，資本助力協(xié)作機器人市場，進一步拉動市場發(fā)展。
小負載機器人對于諧波減速器的需求更高。根據(jù)綠的諧波招股說明書，每臺六軸多關(guān)節(jié) 機器人需要搭配 6 臺精密減速器，其中 10kg 以下負載的機器人需要 6 個諧波減速器， 10-30kg 負載的機器人小臂、手腕關(guān)節(jié)可以采用諧波減速器，30kg 負載以上的機器人在 其輕負荷的末端關(guān)節(jié)上也能使用諧波減速器。此外，協(xié)作機器人單臺設(shè)備則需使用 6-7 臺諧波減速器;并聯(lián)機器人單臺設(shè)備需使用 3 臺諧波減速器;SCARA 機器人單臺設(shè)備 使用 2-3 臺諧波減速器。隨著諧波減速器的技術(shù)進步以及輕負載多關(guān)節(jié)機器人市場占比 提升，平均每臺設(shè)備使用諧波減速器數(shù)量也會相應(yīng)增加。
2021 年國內(nèi)工業(yè)機器人領(lǐng)域的諧波減速器需求量為 55.25 萬臺，與 RV 減速器需求比 例為 1.46:1。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(含 RV 和諧波)，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%。細分來看，2021 年中國工業(yè)機器人諧波減速器 與 RV 減速器需求量分別為 55.25 萬臺與 37.86 萬臺，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，到 2026 年國內(nèi)工業(yè)機器人市場減速器總需求量有望超過 270 萬臺， 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 年國內(nèi)工業(yè)機器人市場的諧波減速器需求量約為 160 萬臺。
場景延拓：橫向滲透數(shù)控機床
除了工業(yè)機器人的基本盤，行業(yè)延拓也將帶來諧波減速器的增量空間，向機床滲透是近 年來新興趨勢。在數(shù)控機床領(lǐng)域，數(shù)控機床傳動來自于伺服電機，隨著工業(yè)技術(shù)的進步， 電機一直在朝著精密、高效、控制簡單等方向創(chuàng)新，但因機床本身加工，負載進給系統(tǒng) 條件差異頗大，需要額外附加減速器來增加扭矩，提高負載端慣量匹配。基于諧波減速 器體積小、精度高、傳動效率高的特點，高檔數(shù)控機床的生產(chǎn)和制造過程中開始逐漸使 用諧波減速器替代一些電驅(qū)零部件，以減輕數(shù)控機床伺服馬達負荷、降低機械故障率、 提高精密度，進而增加機械壽命。 機床數(shù)控化是機床行業(yè)的升級趨勢。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，我國 2021 年新生產(chǎn)金屬切 削機床的數(shù)控化率僅為 40.5%，而德美日數(shù)控化率在 70%以上，我國機床行業(yè)數(shù)控化水 平與發(fā)達國家仍存在較大差距。
此前，行星減速器較為普遍被用于機床數(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，未來隨著數(shù)控機床的精密操作要求越來越高，諧波減速器在機床數(shù) 控系統(tǒng)中的需求有望持續(xù)提升。
根據(jù)綠的諧波招股說明書，單臺加工中心及數(shù)控銑床可使用 4 臺以上精密減速器，數(shù)控 車床及車削中心、數(shù)字磨床及放電加工機等可使用 3 臺以上精密減速器。目前，高精度 數(shù)控回轉(zhuǎn)臺和加工中心的四或五軸需要使用 1-2 臺諧波減速器，雕刻機的分度回轉(zhuǎn)裝置 以及義齒加工機等也需要使用諧波減速器?？傮w上，以機床為代表的非機器人領(lǐng)域在國 內(nèi)諧波減速器市場的應(yīng)用占比呈升高趨勢，將逐漸趨近全球諧波減速器需求結(jié)構(gòu)。 隨著工業(yè)機器人、數(shù)控機床等下游行業(yè)的不斷發(fā)展，減速器的市場需求不斷增長。除上 述新增市場外，作為精密傳動件和承重部件，諧波減速器的磨損、損傷、故障不可避免， 存量工業(yè)機器人、數(shù)控機床等也將創(chuàng)造可觀的零配件配套及維修需求。
催化放量：人形機器人打開想象空間
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 形機器人(Tesla Bot)計劃，正式宣布進軍機器人領(lǐng)域。2022 年 10 月 1 日，特斯拉 AI Day 上，人形機器人的第一批生產(chǎn)打算用于那些危險、無聊、重復(fù)以及人們不情愿去做 的工作，比如在特斯拉工廠周圍移動部件，或用扳手給汽車安裝螺栓。并且表示，起碼 在兩年內(nèi)可以生產(chǎn)出有實際用途的產(chǎn)品，且價格預(yù)計比制造一輛車的價格更便宜。按照 馬斯克的設(shè)想，未來機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 類的“伙伴”或伴侶。
特斯拉 Optimus 主要由機械部分和電子部分組成，機械部分包含 28 個執(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，其中包含 3 種不同負載的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和 3 種不同負載的直線執(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)。由于人形機器人關(guān)節(jié)較多，且更加小型化、精密化，因此 預(yù)計其對諧波減速器的需求量較大。根據(jù)馬斯克訪談，人形機器人有望于 23 年底交付， 若成功實現(xiàn)量產(chǎn)，有望帶動諧波減速器需求放量增長。
當(dāng)前時點為何看好國內(nèi)廠商?
從當(dāng)前市場格局來看，全球絕大部分市場份額仍被日本企業(yè)占據(jù)。但需要說明的是，我 國諧波減速器行業(yè)發(fā)展較日本推遲近 50 年，當(dāng)前市場格局是由過去因發(fā)展較晚帶來的 一系列例如技術(shù)壁壘、品牌壁壘等問題所導(dǎo)致的，并不表征未來發(fā)展方向。要判斷在未 來的增量市場里國內(nèi)廠商如何參與分成，仍需立足當(dāng)下研判當(dāng)前國內(nèi)外企業(yè)博弈形勢及 行業(yè)環(huán)境的邊際變化。
在國內(nèi)市場，中國品牌諧波減速器的市場份額正在提升。國內(nèi)龍頭綠的諧波在 2021 年 的銷量市占率為 24.7%，較 2020 年 21.0%的市占率有所增長，并且市占率僅次于全球 龍頭哈默納科，同時其他國產(chǎn)廠商如來福、同川、大族等的市場份額也在提升。此外， 日系企業(yè)哈默納科、新寶的市場份額正在縮減，二者合計市占率由 2020 年的 46.0%降 至 2021 年的 42.9%。
市場機遇：產(chǎn)能缺口增大，疊加工業(yè)機器人國產(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)普遍擴產(chǎn)較為謹慎，且哈默納科 存在大量外協(xié)，難以協(xié)調(diào)各工廠迅速擴產(chǎn)，疊加需求端放量增長，預(yù)計哈默納科現(xiàn)有產(chǎn) 能及擴產(chǎn)規(guī)劃難以補足下游需求缺口。根據(jù)前文，即使在不考慮人形機器人的需求情況 下，至 2026 年僅國內(nèi)工業(yè)機器人市場的諧波減速器需求量便可達 160 萬臺左右，假設(shè) 2026年國內(nèi)非工業(yè)機器人市場的諧波減速器需求占比為18%，則國內(nèi)總需求量約為195 萬臺，幾乎等于哈默納科擴產(chǎn)后的全部年產(chǎn)能(不含車載)，而哈默納科 2021 財年來自 中國的營收占比僅 9.3%，其主要產(chǎn)能仍需用于日本本土。顯然，在現(xiàn)有擴產(chǎn)規(guī)劃下， 哈默納科產(chǎn)能將無法支撐全球需求量，意味著國產(chǎn)廠商將面臨更多的補缺機會。
政策支持：有望充分受益于國產(chǎn)化率提升與供應(yīng)鏈安全要求。“十四五”與“二十大”再 次強調(diào)供應(yīng)鏈安全問題與國產(chǎn)化問題，對于諧波減速器行業(yè)的影響渠道有二，1)下游 產(chǎn)品國產(chǎn)化率提升，使得國內(nèi)諧波減速器的需求總量提升;2)要求供應(yīng)鏈安全，實現(xiàn)關(guān)鍵零部件自主可控，使得國內(nèi)機器人產(chǎn)品的單體國產(chǎn)減速器用量增多，共同使得國內(nèi)廠 商面臨的市場空間增大。
需要注意的是，哈默納科與機器人四大家族深度綁定，其產(chǎn)能也將優(yōu)先滿足四大家族的 供貨。一方面，2022 年四大家族在中國工業(yè)機器人市場市占率為 39.6%，換言之，在 四大家族之外的 60.4%中國工業(yè)機器人市場，國產(chǎn)諧波減速器產(chǎn)能仍有較大發(fā)揮空間; 另一方面，國產(chǎn)工業(yè)機器人的份額由 2019 年的 27.9%提升至 2022 年的 33.6%，仍有 較大提升空間，國產(chǎn)諧波減速器的市占率有望隨著工業(yè)機器人的國產(chǎn)化進程加快而提升。
國產(chǎn)突圍：技術(shù)先進+高性價比+積極擴產(chǎn)，競爭優(yōu)勢顯著
技術(shù)突破&齒型設(shè)計，產(chǎn)品性能迎頭趕上。齒形設(shè)計是諧波減速器較為關(guān)鍵、技術(shù)壁壘 較高的環(huán)節(jié)，因國內(nèi)企業(yè)發(fā)展較晚，研發(fā)時面臨較多的專利壁壘，長期以來整個行業(yè)幾 乎被日本企業(yè)的 IH 齒形產(chǎn)品所壟斷，但隨著近年來國內(nèi)廠商加大研發(fā)投入，目前已有 以綠的諧波 P 齒形為代表的多種國產(chǎn)齒形設(shè)計登陸市場，該齒形跳出了以 Willis 定理為 基礎(chǔ)的漸開線齒輪設(shè)計。 技術(shù)層面來看，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)計思路， 均為國際先進水平。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，同時齒寬大，齒根弧度增大，減少發(fā)生斷裂失效風(fēng)險，所需柔輪變形量較小，可使柔輪壽命顯著提升，另外，多達 20%~30%的齒參與嚙合，齒面比壓較小;但同時相比 IH 齒形有著精度稍遜的劣勢。 除齒形外，柔輪、剛輪與交叉滾子軸承同樣壁壘較高。目前國內(nèi)剛輪采用 ADI 材料，性 能優(yōu)于國外企業(yè)所使用的球墨鑄鐵;柔輪則在提純工藝上較國外企業(yè)稍遜。相比柔輪和 剛輪受到國外出口的嚴格限制，交叉滾子軸承則相對受限較少，采用進口產(chǎn)品僅需考慮 成本較高的問題，同時目前國內(nèi)洛陽森奧等交叉滾子軸承企業(yè)也可提供成熟的解決方案。
整體來看，國內(nèi)產(chǎn)品已實現(xiàn)在技術(shù)層面的突破，以綠的諧波為代表，其產(chǎn)品各項參數(shù)與 國外領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品同達國際先進水平;細分環(huán)節(jié)來看，不同環(huán)節(jié)技術(shù)水平國內(nèi)外互有勝 負。
國內(nèi)諧波減速器領(lǐng)先企業(yè)具有顯著成本優(yōu)勢，綠的諧波毛利率較哈默納科高 10%以上。 由于技術(shù)路線不同及國內(nèi)外人工費用差異，綠的諧波的諧波減速器單位成本遠低于哈默納科。受益于成本上的巨大優(yōu)勢，使綠的諧波即使是在產(chǎn)品均價遠低于哈默納科、規(guī)模 遠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。
國產(chǎn)廠商相繼布局，積極擴產(chǎn)提市占。過去五年，國產(chǎn)減速器廠商進步明顯，國內(nèi)入局 者持續(xù)增多。GGII 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前中國市場超 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， 部分廠商已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)并逐步推向市場，在精密減速器國產(chǎn)化的道路上進步明顯。 總體上，在產(chǎn)能方面，目前國內(nèi)企業(yè)以綠的諧波現(xiàn)有產(chǎn)能及擴產(chǎn)幅度為最大，其 2021 年底產(chǎn)能已達 30 萬臺/年，約為哈默納科未擴產(chǎn)前產(chǎn)能的 1/3。此外，綠的諧波于 2022 年發(fā)起定增，計劃新增諧波減速器產(chǎn)能 100 萬臺/年、機電一體化執(zhí)行器 20 萬套/年。國 內(nèi)其他企業(yè)近年來均發(fā)力建設(shè)諧波減速器產(chǎn)能，隨著技術(shù)進步及產(chǎn)品性能提升，結(jié)合國 產(chǎn)性價比優(yōu)勢和產(chǎn)能快速擴張，國產(chǎn)諧波減速器市占率有望快速提升。
