文章來源：肖群稀 鮑雁辛 國君產業研究
方案不斷迭代、成本持續下降，Tesla Optimus在產業化的道路上奮力奔跑。馬斯克預計Tesla Optimus最終售價將在2萬美金以下，有很大降本空間。從去年特斯拉開放日到近期的股東大會上，特斯拉人形機器人技術迭代的速度超出了市場的預期，產業鏈核心部件降本的速度也非常快。我們目前還無法判斷產業鏈上具體環節成本下降的幅度和時間，但降本的趨勢是確定的，技術快速迭代和成本大幅下降將加速Tesla Optimus產業化和規模化，Tesla電動車產業化進程可作參考。 執行器決定機器人的負荷和精度，微特電機和執行器有望在人形機器人上大規模應用。執行器是機器人的核心部件，參考工業機器人成本構成，執行器（減速器）成本占比35%，伺服控制系統占比25%（伺服電機 驅動器），控制器占比10%。預計Tesla Optimus旋轉執行器方案為：永磁無刷電機 諧波減速器 抱閘 雙編碼器 力矩傳感器 軸承，采用諧波傳感器的優點：小體積，大速比，扭矩密度比較高。預計直線執行器方案為：永磁無刷電機 行星滾柱絲杠 位置編碼器 力傳感器 軸承，采用線性執行器驅動器關節的優勢：高精度、低能耗、高負載、高空間利用率、具備自鎖能力。我們預計特斯拉Optimus身體關節共有28個，對微特電機及執行器的需求將大幅增加。 預計人形機器人對執行器的需求彈性排序為：行星滾柱絲杠>諧波減速器>行星滾珠絲杠>滑動絲杠>軸承。我們進行了執行器需求的敏感性分析，當Tesla Optimus年銷量達到100萬臺時，將新增諧波減速器年需求1400萬臺（2022年市場規模100萬臺）。Tesla尚未公布其線性執行器方案，我們猜測可能有兩種：方案1：4個滑動絲杠 8個行星滾柱絲杠；方案2：14個滾珠絲杠。假設采取方案1，將新增行星滾柱絲杠年需求800萬臺（2022年12萬臺）及滑動絲杠400萬臺；假設采取方案2，將新增高精度滾珠絲杠年需求1400萬臺（2022年中國市場規模1400萬臺，主要集中在中低端產品）。 技術壁壘：主要體現在設計、材料、工藝和加工精度上，在產品性能上表現為精度保持度、壽命、故障率等。以諧波減速器為例進行說明：1）在設計上，綠的諧波的P 齒形、來福諧波的δ齒形率先打破壟斷，新進入廠商很難避開哈默納科專利限制設計優良性能的齒形；2）材料：國外提純技術較高、雜質少，因此國產諧波減速器的柔輪材料長期依賴進口；3）工藝：國產廠商在柔輪的熱處理工藝、慢走絲、連續切割等加工工藝上還需要經驗積累；4）精加工：熱處理、磨齒機、三坐標等關鍵設備依賴進口。 產業鏈梳理：諧波減速器國產化進程提速，份額靠前的企業有：綠的諧波、同川智能（漢宇集團）、大族傳動、中大力德、國茂精密（國茂股份）；RV減速器國內規模靠前的企業有：中大力德、秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技；機器人用軸承：人本集團、五洲新春、國機精工、南京精工；滾珠絲杠中低端完成進口替代，機器人高端市場上有：南京工藝、博特精工、合肥賽里斯（江蘇雷利）、鼎智科技（江蘇雷利）、華歐精密等；行星滾柱絲杠處于起步階段，博特精工、思科瑞、南京工藝備小批量生產能力。 風險提示：1）技術、方案成熟速度低于預期；2）產業鏈成本下降速度低于預期；3）出現相似技術。 |
目 錄
1. 產業鏈梳理
2. 機器人運動控制的關鍵硬件——執行器
2.1. 執行器——機器人的關節
2.2. 執行器決定機器人的負荷和工作精度
2.3. Tesla Optimus關節執行器：結構緊湊、高負載、低能耗
3. 人形機器人旋轉執行器：需求彈性及供給能力分析
3.1. 人形機器人產業化對諧波減速器需求的敏感性分析
3.2. 諧波減速器供給格局：國產化提速
3.3. RV減速器供給格局：國產品牌正在突圍
3.4. 機器人用軸承供給格局：主要依靠進口
4. 線性執行器：需求彈性及供給能力分析
4.1. 人形機器人產業化對線性執行器的需求敏感性分析
4.2. 滾珠絲杠供給格局：高端外資主導，中低端完成國產替代
4.3. 滾柱絲桿供給格局：國內處于起步階段
5. 技術壁壘：設計、材料、工藝、加工
5.1. 設計：齒形設計和傳動結構設計是關鍵
5.2. 材料及零部件：長期依賴進口
5.3. 工藝：需要經驗積累
5.4. 關鍵設備依賴進口：熱處理、磨齒機、三坐標等檢測設備
5.5. 產品SKU豐富度與客戶粘性
1. 產業鏈梳理
圖1：機器人執行器產業鏈梳理
數據來源：國泰君安證券研究
2. 機器人運動控制的關鍵硬件——執行器
2.1. 執行器——機器人的關節
機器人通常由執行機構、驅動系統、控制系統、和傳感系統四部分組成。機器人執行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由一系列連桿、關節或其他形式的運動副組成。工業機器人按臂部的運動形式分為四種：直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。這些運動都需要執行器來完成。
執行器可以根據運動分為兩類：旋轉執行器和線性執行器。
1）旋轉執行器會將某物旋轉一定的角度，可以是有限的也可以是無限的。旋轉執行器的一個典型例子是電動機，它是一種將電信號轉換成其軸的旋轉運動的執行器，當電流施加到基本電機時，電機旋轉。將電機直接連接到負載上，創建了一個直接驅動的旋轉執行器，許多旋轉執行器與用作機械杠桿的機構相結合(優點)以降低旋轉速度并增加扭矩，如果最終結果是旋轉，該組件的輸出仍然是旋轉執行器。
2）旋轉執行器還連接到將旋轉運動轉換成來回運動的機構，該機構被稱為線性執行器。線性執行器本質上是沿著直線移動物體，通常是來回移動。這些機構包括：滾珠/滾柱絲杠、皮帶和滑輪、齒條和小齒輪。滾珠絲杠和滾柱絲杠通常用于將旋轉運動轉換成精確的直線運動，例如在加工中心。齒條和小齒輪通常增加扭矩并降低旋轉運動的速度，它們也可以與將旋轉運動轉化為線性運動的機構結合使用。
旋轉執行器主要包括RV減速器和諧波減速器：
1）RV減速器：RV通常是用擺線針輪，用于轉矩大的機器人關節，主要用于20公斤到幾百公斤負載的機器人，一二三軸都是用RV。RV長時間使用后的精度保持度高于諧波。由于RV的零部件更為復雜，承載強度更高且制造難度比諧波大，因此產線的資本開支更高；
2）諧波減速器：諧波過去式以漸開線齒形為主，現在有部分廠家使用了雙圓弧齒形。諧波可負載的轉矩小，通常用于20公斤以下的機械臂。諧波里的一種關鍵齒輪是柔性的，它需要反復的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命弱于RV。
絲杠是將旋轉運動變成直線運動的傳動副零件。根據摩擦特性可分為滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠，其中滾動絲杠根據載荷傳遞元件的區別，分為滾珠絲杠和行星滾柱絲杠：
1）滾珠絲杠：是傳動機械中應用最為普遍、精度最高的傳動裝置。具有摩擦阻力小、傳動效率高、定位精度高、剛性高、微進給、高速進給、無側隙、使用壽命長等特性。
2）滾柱絲杠：相比滾珠絲杠，滾柱絲杠具備高負載、高剛度和長壽命的優勢。行星滾柱絲杠成本高，集中在高端或特殊需求，應用規模不大，主要是對液壓執行器的替代。
3）梯形絲杠：和滾珠絲杠的運動原理相同，不同之處在于，梯形絲杠里沒有滾珠，螺母和絲杠軸之間的運動完全靠機械接觸產生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲杠也叫滑動絲杠。滾珠絲杠是滾動摩擦，梯形絲杠是滑動摩擦，滾動摩擦的摩擦系數遠遠低于滑動摩擦系數，大多數滾珠絲杠的傳動效率高達90%，有的達到95%以上，大多數梯形絲杠的傳動效率低于70%。
2.2. 執行器決定機器人的負荷和工作精度
機器人的技術參數反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況。主要包括：自由度、額定負載、工作空間、工作精度。其他參數還有：工作速度、控制方式、驅動方式、安裝方式、動力源容量、本體質量、環境參數等。
1）自由度：工業機器人的自由度是根據其用途設計的。機器人的自由度反映機器人動作的靈活性，自由度越多，機器人就越能接近人手的動作機能，通用性越好，可用直線移動、擺動或者旋轉動作的數目來表示。自由度越多，結構越復雜，對機器人的整體要求越高。工業機器人把機械臂上每一個關節都當作一個獨立的伺服機構，即每個軸對應一個伺服器，每個伺服器通過總線控制，由控制器統一控制協調工作。
2）額定負載：也稱有效負荷，是指正常作業條件下，工業機器人在規定性能范圍內，手腕末端所能承受的最大載荷。工業機器人負載范圍較大，一般為0.5～2300kg。當負載較大時，提高電機的功率不劃算，可以在適宜的速度范圍內，通過減速器來提高輸出扭矩。伺服電機在低頻轉速下容易出現發熱和低頻振動，對于長時間工作的工業機器人不利于確保其精確可靠的運行。精密減速器使伺服電機在合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業機器人各部位需要的速度，提高機械剛性的同時，輸出更大的力矩。
3）工作精度：重復定位精度取決于機器人關節減速機及傳動裝置的精度，絕對精度取決于機器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動裝置精度等的綜合表現。一般來說，機器人的重復精度高于絕對精度。要提高機器人的絕對精度，需要進行高精度標定。標定可以分為三級：一級未驅動器與關節傳感器的標定，即確定關節位移傳感器產生的信號與實際關節位移之間的關系；二級在一級基礎上，加入機器人幾何參數的標定，針對各組成連桿的運動變量誤差和各連桿結構參數誤差引起的位姿誤差；三級為非幾何標定，針對由關節柔度、摩擦、間隙以及連桿柔度等因素引起的誤差。在標定過程中，測量是進行參數辨識和補償之前的重要環節，包括關節位移測量和機器位姿測量。位姿測量方法又包括接觸式和非接觸式，其中接觸式測量對機器人位姿限制較大；非接觸式測量中，三坐標測量機只能測量小型機器人，而激光跟蹤儀對環境影響較為敏感，同時操作復雜，測量時間長。
4）工作空間：又稱工作范圍、工作行程，是指工業機器人作業時，手腕參考中心（即手腕旋轉中心）所能到達的空間區域，不包括手部本身所能達到的區域，常用圖形表示，P 點為手腕參考中心。工作空間的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小，它不僅與機器人各連桿的尺寸有關，還與機器人的總體結構有關，工業機器人在作業時可能會因存在手部不能到達的作業死區而不能完成規定任務。由于末端執行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實反映機器人的特征參數，工作范圍一般是指不安裝末端執行器時，可以達到的區域。
綜上，執行器是機器人的關鍵零部件，對機器人的負荷和精度有重大影響。減速器是一種減速傳動裝置，可以通過降低轉速而提高扭矩，以傳遞較大的負荷，克服伺服電機輸出的扭矩較小的缺陷。
2.3. Tesla Optimus關節執行器：結構緊湊、高負載、低能耗
從特斯拉的發布會來看，我們預計特斯拉Optimus身體關節共有28個，包括三種旋轉執行器（14個）和三種線性執行器（14個）。
特斯拉Optimus旋轉執行器方案猜測：永磁無刷電機 諧波減速器 抱閘 雙編碼器 力矩傳感器 軸承。
采用諧波傳感器的優點：小體積，大速比，可達160：1，扭矩密度比較高。軸向尺寸小，執行器關節軸向可以比較緊湊。在機器人行業，大多數關節都沒有集成扭矩傳感器，這是從成本，集成難度，剛度損失等方面考慮的。集成扭矩傳感器的優勢在于關節更加安全，力控算法更簡單。
特斯拉Optimus直線執行器方案猜測：永磁無刷電機 行星滾柱絲杠 位置編碼器 力傳感器 軸承。
采用線性執行器驅動器關節的優勢：1）空間利用率高。相比傳統旋轉執行器分布于關節附近，線性執行器可以縱向布局，最大限度利用腿部內部空間，布置更大更長的電機，提供更大的推動力。2）具備自鎖能力。線性執行器的螺桿傳動機構通過合理設計可以具備自鎖能力，即下半身不動時可以自動鎖定姿態，不耗能，形成一個低功耗且穩定的底部支架。3）低能耗，高負載。上肢的肘關節屈伸采用線性執行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的兩個線性執行器構成并聯關節主要目的是降低腕關節的尺寸。纖細的腕關節有兩個好處：一是在抓握時降低關節與工件的干涉，提高抓握路徑的靈活性；二是降低前臂對視覺構建及視覺位置反饋的干擾，提升控制精度。
采用行星滾柱絲杠，可以輸出高精度和高承載能力。行星絲杠的節距可以做的很小，所以很容易通過小扭矩實現大推力，電機的功率和體積可以小一些。電機的轉子集成到了螺母上，整體結構更為緊湊。2.2Kg的執行器輸出可達8000N，推力密度高。
3. 人形機器人旋轉執行器：需求彈性及供給能力分析
減速器在工業機器人中成本構成占比35%，價值量最高，預計在人形機器人中價值量依然會占到較高比重。工業機器人的控制過程是：控制器發指令給伺服驅動，驅動伺服電機旋轉，通過減速機執行動作，在工業機器人上游的三大部件中，減速器成本占比最高35%，伺服系統（伺服電機 伺服驅動器）、控制器，分別占比25%、10%。
3.1. 人形機器人產業化對諧波減速器需求的敏感性分析
2017～2021年精密減速器（諧波 RV）銷量從49萬臺增長至101萬臺，復合增速19.8%，工業機器人用精密減速器銷量從41萬臺增長至84萬臺，復合增速19.5%。2021年占比82%。2018～2021年精密減速器市場規模從57.7億元增至59.5億元，復合增速1%，這與國產替代速度加快，均價下行有關。
人形機器人運動執行部件可能采用諧波減速器作為主要的執行部件之一，我們假設人形機器人不同年銷售規模，對諧波減速器的需求彈性進行敏感性分析。核心假設：
1）本次測算假設人形機器人年銷量在10~100萬臺之間；
2）單臺人形機器人配置諧波減速器14個，見圖14推測；
3）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機器人最終售價將下降到2萬美金以下，與目前產業鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產業鏈各環節成本下降的幅度和速度做出假設，我們認為，技術成熟及產業鏈成本下降是產業化的前提，規模化是技術成熟和成本下降后的必然。
從目前已知的信息來看，人形機器人采用RV減速器的概率相對比較小。因此我們不對RV減速器進行敏感性分析。預計RV減速器未來的主要應用場景還將是在工業機器人上。
3.2. 諧波減速器供給格局：國產化提速
哈默納科是目前世界最大的諧波減速器生產商，全球市場份額超過80%。諧波傳動最初用于美國航天運動控制，谷川齒輪將其引入日本并量產，于1970年成立哈默納科。經過五十余年的技術迭代、海外版圖擴張，哈默納科壟斷了全球諧波減速機市場份額，產品矩陣愈加豐富，包括精密減速機（諧波減速器、減速器組件和行星減速器）和機電一體化產品（執行器、控制器）。2021年哈默納科營業收入570億日元，2000~2022年均復合增速8.3%，與全球工業機器人行業增速基本一致。毛利率穩定在40%左右，凈利率維持在20%以上。
國內諧波減速器發展迅速，綠的諧波率先打破壟斷，同川、大族緊追其后，雙環、中大力德、國茂股份開始入局。我國諧波減速器廠商起步較晚，受益于我國工業自動化對工業機器人的旺盛需求，國產諧波得以快速發展，近年來國產替代腳步加快。2021年，哈默納科占中國諧波減速器 38%的市場份額，相較 2018年52%的市場份額顯著下降。以綠的諧波為代表的國產諧波減速器份額提升明顯，隨著行業德蓬勃發展，國內入局新玩家增多，日本新寶、臺灣來福份額穩定，同川、大族等企業也占據了一定的市場份額，中大力德、國茂股份、光洋股份也加入競爭，國內產能建設提速。
國產諧波以價換量，高端產品技術突破成為關鍵。諧波減速器結構簡單，在低壽命的要求下門檻較低。疫情下外資廠商供貨周期長，國產品牌把握住市場窗口期快速放量，但產品多集中在中低端市場。國內企業依托本土優勢可以提供低價諧波，2021年均價2000元左右，哈默那科諧波進口單價多在8000元及以上，國內企業以一定的價格優勢在銷量上表現亮眼。根據MIR，2021年綠的諧波、來福減速器銷量分別為17.8萬、9.5萬臺，遠超過哈莫納科的3.5萬臺。
3.3. RV減速器供給格局：國產品牌正在突圍
納博特斯克是世界上最大的RV減速器制造商，全球市場份額超過60%。博特斯克的前身是日本帝人制機和納博克株式會社，于2003年合并成為控股公司納博特斯克的全資子公司。1980 年，日本帝人精機將 RV 減速器應用于機器人行業，解決了工業機器人存在容易受沖擊損壞、手臂振動等問題；1986 年開始被大規模化應用于工業機器人，趕上日本“機器換人”的浪潮，奠定了其行業領先地位。
納博特斯克營收逐年穩健增長，2003~2022年均復合增速為4.9%。營收從2003年1250億日元增長至2022年3080億日元，2022年毛利率為5.9%，凈利率為24.8%。
2021年納博特斯克在中國的份額為52%，國產品牌份額超過30%，規模靠前的企業有中大力德、秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。南通鎮康2010年研制出第一臺RV減速器，雙環傳動、中大力德分別于2013 年前后開始研發工業機器人精密減速器。經過十余年的技術積累和產品品類拓展，雙環傳動市場份額提升明顯，從2018年的7%提升至2021年的15%，國內規模靠前的企業有中大力德、秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。
3.4. 機器人用軸承供給格局：主要依靠進口
工業機器人專用軸承主要有等截面薄壁軸承、薄壁交叉圓柱滾子軸承、RV減速機軸承及諧波減速器用柔性軸承等，它們大多采用非標準、多滾動體等設計原則。
國內工業機器人配套軸承大部分依靠進口，國內少數廠家雖然生產制造工業機器人配套軸承，但批量小、品種規格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本髙，質量不穩定。近年來，我國軸承廠商的制造能力有顯著提升，從事機器人配套軸承研發的主要廠商有：人本軸承、國機精工、洛陽LYC軸承公司、北京諧波技術研究所、洛陽匯工軸、五洲新春。
4. 線性執行器：需求彈性及供給能力分析
4.1. 人形機器人產業化對線性執行器的需求敏感性分析
2022年全球滾珠絲杠市場規模20.4億美元，如果不考慮人形機器人產業化，預計行業將保持低速穩定成長，預計到2029年市場規模30.9億美元，2023年至2029年復合增速為6.1%。亞太地區具有最大的消費市場，占有58%的市場份額，其次是歐洲。
我們假設人形機器人不同年銷售規模，對滾珠絲杠、滾柱絲杠、滑動絲杠的需求彈性進行敏感性分析。核心假設：
1）本次測算假設人形機器人年銷量在10~100萬臺之間；
2）單臺人形機器人配置諧波減速器14個，見圖14推測；
3）特斯拉目前尚未公布其線性執行器具體方案，我們猜測可能的方案分為兩種：
方案一：4個滑動 8個行星滾柱絲杠；方案二：14個滾珠絲杠；
4）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機器人最終售價將下降到2萬美金以下，與目前產業鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產業鏈各環節成本下降的幅度和速度做出假設，我們認為，技術成熟及成本下降是產業化的前提，規模化是技術成熟和成本下降后的必然。
4.2. 滾珠絲杠供給格局：高端外資主導，中低端完成國產替代
滾珠絲杠的主要供應商集中在日、德、臺地區，NSK占據全球最大的滾珠絲杠份額。全球市場被日本NSK、日本THK 等企業壟斷，CR5 約 46%，日本和歐洲企業合計占據了全球約 70%市場份額。國內市場上銀、銀泰占有率接近 50%，NSK、THK 市場占有率約 15%，國內企業占有率約 25%。
國產企業起步晚、產業規模小、產品豐富度低、生產效率低，尚未形成有國際影響力的品牌，主要廠商：南京工藝、博特精工、合肥賽里斯（江蘇雷利）、鼎智科技（江蘇雷利）、華歐精密等。國產滾珠絲杠在中低端應用已經基本實現了國產替代，產品豐富度和技術指標和外商差距不大。在高端產品上，滾珠絲杠的精度、最高速度、噪音、溫升等控制方面以及精度保持性還有待提升，在細分高端市場，國產滾珠絲杠副開始在機床企業批量使用，如秦川機床，海邁克精密。貝斯特和恒力液壓也在布局相關產品。
4.3. 滾柱絲桿供給格局：國內處于起步階段
70年代，隨著武器裝備技術及石油、化工、數控機床等對大推力、高精度、高效率、長壽命的需求提升，行星滾柱絲杠開始被大規模使用。1970年起，瑞士ROLLVIS公司（后被GSA收購）致力于行星滾柱絲桿產品的制造與研究。美國的EXLAR公司將行星滾柱絲杠作為六自由度并聯機構的傳動裝置，研制出了一種新型的電推桿，行星絲杠商用開始加速，目前主要應用于航空航天、武器裝備等軍事領域和數控機床、工程機械等民用領域。
行星滾柱絲杠市場，全球主要制造業國家與瑞士差距大。國外具備生產行星滾柱絲杠能力的企業主要有GSA、SKF、EWELLIX、MOOG等。GSA公司是產品系列最全、規模最大的行星滾柱廠商，在裝配、加工工藝、材料及熱處理工藝上有深厚的積累，從產品覆蓋規格、生產規模到產品生產經驗積累對其他地區形成碾壓優勢。
國內行星滾柱絲杠處于起步階段，僅有幾家企業具備小批量生產能力，包括：博特精工、常州思科瑞、南京工藝等。2010年，博特精工、南京工藝、常州思科瑞等國產廠商投入行星絲杠的研發，目前已具備小批量生產的能力，國產行星絲杠在承載能力、產品尺寸覆蓋范圍上還有差距，產業化、規模化水平處于早期階段。
5. 技術壁壘：設計、材料、工藝、加工
減速器、絲杠、軸承等精密產品和零部件的技術壁壘都體現在設計、材料、工藝和加工精度上。最終體現在產品性能上表現為產品的精度保持度、壽命、故障率等。
國產減速器同海外產品性能的差距體現在壽命和精度保持性上。在效率、減速比、傳動精度、扭矩剛度等關鍵指標參數上，國產減速器已經基本達到了國際領先的產品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量產品的穩定性等方面有差距。根據官網數據，納博特斯克銷量最高的RV-C和RV-E系列都具有更高的額定輸出轉矩和減速比，壽命可以達到6000小時以上。與國外產品相比，國產減速器長時間使用后仍有出現的磨損、漏油、精度下降的情況；國產諧波減速器在高速場景下容易出現斷裂的現象，產品穩定性和使用壽命上仍需提升。
減速器性能不僅與嚙合原理、齒形設計、結構優化等相關，還與原材料、加工、熱處理工藝等因素相關。在效率、減速比、傳動精度、扭矩剛度等關鍵指標參數上，國產減速器已經基本達到了國際領先的產品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量產品的穩定性等方面有差距，不僅與嚙合原理、齒形設計、結構優化等相關，還與原材料、加工、熱處理工藝等因素相關。本章我們將主要以諧波減速器為例，來說明高精度核心部件的技術壁壘。
諧波傳動技術包括：總體結構、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發生器、加工制造和試驗方法等10個分支。從專利申請數量來看，總體結構、波發生器、柔輪和加工制造是諧波減速器技術的研發重點。
1）波發生器（柔性軸承）：減速機廠家一般是從軸承廠家買來標準的柔性軸承，通過質檢后，再壓到自己設計加工的凸輪中變成波發生器。凸輪：雖然采用廠家標準品對于貨期和價格都會比較好，但是由于采用電機的軸徑、長度、安裝方式的不同，不少廠家都會對凸輪提出定制要求。進口品牌對減速機大都會進行深度定制，而當前國產品牌的規模較小，很難進行定制。柔性軸承的核心問題是材料與熱處理問題。既要承受球體的壓力又要承受高速運動的變形。太軟，溝道容易受損，太硬，軸承容易斷裂。凸輪方面主要是加工問題，其實國產當前的加工水平完全可以滿足要求，但是后期批量之后如何選擇加工工藝以達到最佳性價比。
2）剛輪：主要生產過程包含下料——熱處理——外形加工——齒加工等。打樣一般會采用40Cr棒料加工，量產階段采用球墨鑄鐵，進口為主，主流廠商進行包爐，。批量生產普遍采用滾齒，成型之后，對齒會進行加強處理，主要采用噴砂或者滲氮工藝，目的是加硬跟耐磨。
3）柔輪：常用的材料是40CrNiMoA，也有不同的微量添加。廠家一般是采用棒料下料后經過鍛造后再加工，相比剛輪，柔輪的加工最大的難點有三：一是柔輪精加工時的壁很薄，要防止變形和抖動，需要有專門的治具把內壁撐起來；第二是要決定控制竄刀量保證柔性軸承壓入后剛好把齒撐起來；第三是齒的修型問題。天下齒型出HD，只有極個別廠家有能力設計新的齒型。
4）交叉滾子軸承：諧波減速器專用十字交叉軸承具有很高的剛度、旋轉精度以及復合承載能力，外形緊湊。精密軸承是制造業關鍵零部件，機器人配套軸承是軸承應用的一個細分市場。機器人用精密軸承包括：諧波減速器專用十字交叉軸承、柔性軸承、RV減速器軸承、交叉滾子軸承、等截面薄壁軸承等。
5）油封及潤滑：是非常成熟的零部件，但大廠常會對油封做定制以提升性能。諧波的潤滑分成油潤滑和脂潤滑兩種方式，油潤滑，流動性好，潤滑就好，熱傳導也好，可以提升轉速，但對于密封的要求非常高，目前只有HD有采用油潤滑，因此只有HD可以做高速諧波。除了HD外，其他廠家普遍采用脂潤滑。
5.1. 設計：齒形設計和傳動結構設計是關鍵
諧波：綠的、來福的齒形設計和傳動結構避開了哈默納科的專利。諧波龍頭哈默納科先發制人，在齒形設計和傳動結構方面申請了專利，國產減速器廠商綠的諧波的P 齒形、來福諧波的δ齒形率先打破壟斷，基本滿足諧波減速器的性能需求，但新進入廠商很難在避開專利限制的情況下設計優良性能的齒形。
RV：擺線齒輪修形理論不完善。國內企業對于擺線齒輪修形原理大多基于經驗數據，沒有足夠的完整的理論基礎，導致齒型修形要不斷的嘗試改進，增加研發時間，且改進效果并不明顯；RV減速器構成復雜，零部件在設計上的配合和細節參數的優化都是影響減速器精度的重要因素。
5.2. 材料及零部件：長期依賴進口
諧波減速器：柔輪材料長期依賴進口。國內外的諧波減速器柔輪材料基本為40Cr合金鋼，其中40CrMoNiA與40CrA最為常用，晶粒和鐵氧體相的不合理會導致局部微裂紋和尺寸精度的變化，對材料的純度要求高。相同的原材料，由于國外提純技術較高、雜質少，因此國產諧波減速器的材料長期依賴進口。
RV減速器：國產軸承在精度上仍有較大的差距。RV減速器的原材料包括齒輪鋼（20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5等）、軸承合金等。國內齒輪鋼的生產水平已達到國外先進的水平，比起日、德、美生產的齒輪鋼還有一些差距（淬透性寬、純度低等）。外購零部件：部分廠商在軸承、密封圈、滾針、擋圈等零部件會選擇外購，軸承是影響產品精度的一大關鍵因素，而國產的軸承在精度上仍有較大的差距。
5.3. 工藝：需要經驗積累
熱處理工藝是提升減速器疲勞壽命、精度穩定性的關鍵環節。按照目的不同，熱處理工藝一般分為預備熱處理和最終熱處理，預備熱處理用于改善材料的加工性能，消除內應力，主要工藝包括退火、正火、時效、調制等；最終熱處理的目的在于改善材料的硬度、耐磨性等，提升減速器疲勞壽命、穩定性，主要工藝包括淬火、滲碳淬火和滲氮處理等。
諧波：柔輪失效是諧波減速器的主要失效形式之一，限制著諧波減速器的使用壽命：柔輪壁薄，同時需承受波發生器和外部載荷的雙重作用，良好的熱處理工藝是保證材料結構組織一致的必要前提。國產廠商在柔輪的熱處理工藝、慢走絲、連續切割等加工工藝上存在差距，這也是決定減速器精度和壽命的核心。
RV：設計更復雜，其中擺線輪、偏心軸、針齒殼等核心部件的加工均有很大的難度，核心難點在于各項工藝的密切配合，包括：加工精度、零件對稱性、成組技術、裝配精度等。熱處理技術是國產廠商的一大軟肋，技術不過關會導致產品變形、硬度不夠。工藝的差距帶來的是產品精度、損耗速度和壽命的差距。這也對操作人員的技術提出了高要求，需要其能根據各種條件的變化，及時調成，保證成品率。
滾珠絲杠的制造工藝主要是兩種：軋制和磨制，其中軋制屬于批量制造，能達到的精度較低，但生產效率高，設備門檻高于磨制。我國磨制絲杠發展比較早，非標要求高，規格產品也算齊全，從一開始的只能滿足部分非標需求發展到現在基本滿足所有使用場合，在低噪音，低摩擦，重載低速，高速，還有某些如注塑機的重載專用絲杠，基本已經完全國產化了。而軋制絲杠起步較晚，直到近年才形成整個體系產業鏈，并且已經實現對低端的中國臺灣品牌替換。并且有部分細分產品如小導程，特殊材料，機電集成化絲杠已經基本形成成體系的產業鏈。
5.4. 關鍵設備依賴進口：熱處理、磨齒機、三坐標等檢測設備
磨齒機、高精度三坐標檢測設備、齒輪檢測設備是提升減速器齒輪精度的關鍵設備。諧波減速器加工過程需要用到齒輪加工機床、三坐標測量機、加工中心、磨床、車床、熱處理設備等。RV減速器加工設備包括齒輪加工機床、加工中心、車床、磨床、硬拉床、三坐標測量機、熱處理設備等，實際工況中 RV 減速器需要反復精確定位，對加工設備精度要求高，否則會造成產品的磨損。
a. 加工設備：核心零部件（例如偏心軸、擺線輪、針齒殼、行星架等）的末道精加工設備依賴進口， 對核心關鍵設備僅限于使用層面，在面對工藝上有新的需求或需要不斷優化的時候，國產廠商就無法快速反應。
b.專用工裝：設備供應商一般不會提供一整套高精度的工裝設備，因此自主設計制作的工裝是加工出高精度零部件又一關鍵因素；
c. 檢測設備：高精度三坐標檢測設備和齒輪檢測設備，及相關的材料檢測設備，確保齒確保齒輪質量和尺寸控制準確無誤，是高精度RV減速器的關鍵。
5.4.1 熱處理設備
國內中高端熱處理設備依賴進口。減速器熱處理產線通常為定制化，部分企業委外加工，國內熱處理行業發展水平較低，中高檔熱處理設備長期依賴進口，2017-2021年中國熱處理設備制造行業進口額在2000萬美元左右波動，2019-2021年中國熱處理設備制造行業進口金額逐年上升，2021年實現進口金額23391.03萬美元，同比上升16.10%。2017~2021年進口數量年增長率始終保持在80%以上，21年達到51404臺，同比增長83.36%。
國產熱處理設備在設備穩定性、信息化程度、產線集成能力等方面還存在差距，部分廠家部分設備技術水平已經接近國外中高端產品水平。海外領先的熱處理設備及服務公司包括：愛協林、應達、易普森、易孚迪、日本高周波、德國 ALD 等。國內感應熱處理裝備制造商綜合實力較強的公司為：上海恒精機電設備有限公司，天津天豐淬火設備有限公司，洛陽升華感應加熱股份有限公司，十堰恒進科技有限公司，十堰天舒機電科技有限公司。其中，上海恒精機電設備有限公司，洛陽升華股份有限公司，十堰恒進科技有限公司的一些設備技術水平已經接近國外中高端產品水平，逐漸替代進口產品。
5.4.2 高精度磨床
高精度磨床長期依賴進口，秦川機床、重慶機床、南二齒是磨齒機國產替代龍頭。按照齒輪加工工藝分，齒輪機床可分為滾齒機、插齒機、銑齒機、剃齒機、珩齒機、磨齒機等系列，齒輪加工工序復雜，不同工序對精度要求不同。一般來說，決定減速器齒輪精度的工序為熱處理后的精加工階段，以磨齒機為主（未經過磨齒的齒輪最高只能達到6級精度，而磨齒機加工過的齒輪最高可達2級精度），設備長期依賴進口，如萊斯豪爾、格里森、卡帕耐爾斯、日本電產等。秦川機床是國內磨齒機龍頭，有望實現高端設備的國產替代，其YKS7225雙工位高效磨齒機精度可達國標GB/T10095-2008的4級；重慶機床、南二齒也具備磨齒機生產能力，其中重慶機床YS7232/YS7232G高精密數控蝸桿砂輪磨齒機批量加工精度可達4-5級。
5.4.3 高精度三坐標、高精度齒輪檢測設備
高精度三坐標國內與國外產品的差距主要體現在三個方面：1）從精度等級上看，進口精密計量型測量機能達到0.5微米以內的檢測精度，而國產設備最高僅能達到0.8微米，且測量行程低于進口機型。2）進口機型從結構設計到材料呈現多方向發展狀態，而國內多家廠商的產品在結構和材料上幾乎完全相同，缺少創新能力；3）進口機型的控制系統、測頭及測量軟件等一般都具有自主知識產權，掌握全部或大部分核心技術；而大多數國產機型除機械本體外，關鍵組成部分采用國外品牌，自主研發能力較弱，缺少核心技術。國際比較著名的測量機生產廠家主要有瑞典海克斯康、德國蔡司、德國溫澤以及日本三豐等，其中計量型測量機市場主要被蔡司、海克斯康壟斷。我國三坐標測量機的主要生產廠商有303所、西安愛德華、青島雷頓、集萃華科等。
齒輪檢測操作，作為精密齒輪制造服務的一部分，確保了制造的每個齒輪的齒輪質量和尺寸控制準確無誤，一個齒輪測量服務中心需要裝備的各種各樣的齒輪檢測儀器，圖55是一個典型的齒輪測量服務中心的儀器儀表裝備，多達30種。
5.5. 產品SKU豐富度與客戶粘性
國內減速器廠商在產品矩陣的豐富度（SKU）上不及海外廠商，需要時間和技術積累。哈默納科、納博均已成立超過半個世紀，在減速器品類上有深厚積累，其中哈默納科諧波減速器產品覆蓋15個系列共49款諧波減速器，包括空心軸減速機、微型減速機等眾多樣式；相比之下，綠的諧波產品包括6個系列共19款產品。納博特斯克產品覆蓋3個系列共25款RV加速器，雙環傳動旗下包括2個系列共12款RV減速器。無論是RV還是諧波，國產廠商在品類豐富度上均有所差距，且并非能短期彌補，需要技術、專利、時間的積累。
人形機器人產業的發展，給機器人執行器創造了發展的機遇，建議關注產業鏈：
1）諧波減速器國產化進程提速，份額靠前的企業有：綠的諧波、同川智能（漢宇集團）、大族傳動、中大力德、國茂精密（國茂股份）；
2）RV減速器國內規模靠前的企業有：中大力德、秦川機床、南通振康、珠海飛馬、智同科技；
3）機器人用軸承：人本集團、五洲新春、國機精工、南京精工；
4）滾珠絲杠中低端完成進口替代，機器人高端市場上有：南京工藝、博特精工、合肥賽里斯（江蘇雷利）、鼎智科技（江蘇雷利）、華歐精密等；
5）行星滾柱絲杠處于起步階段，博特精工、思科瑞、南京工藝備小批量生產能力。
6. 風險提示
1）經濟復蘇低于預期；2）技術、方案成熟速度低于預期；3）產業鏈成本下降速度低于預期；4）出現相似技術。
