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人形机器人行业摆线减速器近况更新

用户:用户:三五小子 时间:08月14日 01:26
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全文摘要
1、摆线针轮减速器结构原理与起源
·结构原理与技术差异:RV减速器与其他类型减速器的结构原理存在显著差异。其差齿实现基于数学几何结构上的插值方法,与谐波减速器(通过柔轮、刚轮闭合后变形形成差齿)、行星减速器(依靠内外圈几何运动结构形成差齿)的原理不同。从数学建模角度看,RV减速器采用数学方法实现差值,与其他类型的建模原理存在本质区别。
·早期应用与发展:RV减速器早期主要应用于中大型液压设备,如挖掘机的行走外部减速场景,因其高扭矩、抗冲击性能好、刚性强的特性被选中。由于与发那科存在内部关联,双方CEO基于其特性合作开发:发那科负责开发机器人结构,RV方则开发了摆线滚针减速机的变形版本,即当前的RV减速器。RV全称为旋转矢量型,属于摆线滚针大类中的一个小类。
2、应用场景与工业机器人市场占比
·普通与精密摆线减速器区分:摆线滚针减速机是较大类别,分为普通工业用与精密RV类。普通摆线减速器用于对功率和扭矩要求高的工业场景,输出扭矩可达上万牛,输出功率大。以RV为代表的精密传动类摆线滚针减速机,配合伺服电机等精密电动机,用于动作精密度要求高的场景,围绕现代机器人开发,应用于关节机器人、类机器人周边精密传动设备关键部位。此外,行星减速机也有普通与精密之分,普通的多为大型设备用,精密的体积小,常见于斯卡拉、直角坐标机器人、蜘蛛手等设备。
·工业机器人市场占比:RV减速器在工业机器人市场渗透率高。全球市场中,六关节机器人(如机械臂类)对RV减速器依赖度高,占比达90%以上;非机械臂类工业机器人中,RV减速器占比约60%。斯卡拉等场景会应用行星减速机,但RV减速器在工业机器人领域仍占主要市场份额。
3、人形机器人应用的技术瓶颈
·RV与谐波减速器对比:RV减速器最初为6关节机器人定制,这类机器人主要用于汽车产线,可负载重量在165 210公斤(早期约160公斤,后随工具重量增加提至210公斤)。RV采用纯金属结构,体积大、重量重,而谐波源于宇航需求,要求轻且实现大传动比,其结构中空(由游轮、钢轮等四大件构成),重量更轻。在对重量敏感的人形机器人场景中,RV适用性低。不过,RV中的斯宾亚分支(摆线滚针特殊分支)结构不同,体积可缩至谐波水平甚至更小,有人形机器人应用潜力。
·斯宾亚减速器的特殊性:斯宾亚减速器属摆线滚针特殊分支,结构与常规RV不同,体积可缩至谐波水平甚至更小。它兼具RV高刚性、抗冲击及大扭矩特点,还有小型号特性,理论适用于人形机器人。但未大规模列装,原因有:制造难度高于日系RV;主要用于军工;所属为家族企业,年产量仅10万多台;技术封闭,拆解后难装回。
4、斯宾亚技术壁垒与国内模仿
·核心技术壁垒:斯宾亚产品的核心技术壁垒主要体现在:一是结构原理,其属百线五金一类但已变形,理论计算未被国内研究清楚,具体结构未公开。二是特殊的十字交叉轴承,轴承座集成在零件上,形式多样,有小型化特殊应用类型,如尺寸类似星巴克中杯或小杯杯盖的减速器。三是材料与热处理工艺,材料源于东欧(原为精工产品),具体成分及工艺未被国内明确。四是组装工艺,需特殊制具,日本两家公司采购大类型产品拆解后尝试组装,有经验的老师傅也未能成功。此外,斯宾亚是家族企业,内部工人长期稳定,技术保密严格,外部难获取相关技术。
·国内企业模仿现状:国内企业模仿斯宾亚产品困难,因其结构特殊,间隙与轴承控制难。部分企业模仿形似,但性能缺陷明显。模仿品空载温升达七十几度,带负载时外壳70 80℃,内部润滑脂超100℃,润滑失效,无法正常应用。上手能感知其性能不足。
5、成本结构与生产挑战
·成本构成与生产工艺:生产中成本主要由人工和关键零部件加工构成。组装依赖人工,虽为流水线作业,但一次性安装成功率未达90%以上,可能需反拆。关键零部件精度要求高,最后几道热处理工序很重要,粗磨、精磨等是核心环节,光加工和粗加工多外包,精磨等后续加工耗时久,需大量定制磨床完成,占时间比重较大。
·原材料与供应链:原材料供应有一定限制。21类元件中的核心元件材料由日本企业掌握,其配方因联合开发保密,不同微量元素影响材料热处理和切割特性。轴承方面,产品配套多依赖日本本土供应商,也存在保密因素。国内企业若用日本供应商,供应价格是国内普通供应商的十倍,难以批量生产,因此选择洛轴、上轴等国内供应商。这些替代轴承性能与日本产品略有差异,但可满足普通工业需求。
6、产能现状与市场展望
·国内产能与投资成本:国内RV减速器存在虚报产能现象,部分厂家宣称有10万产能,但缺乏熟练工,难以实现。头部企业单家年产能约1-2万台。投资成本上,不同企业思路差异大,正康累计投入约5-6亿。部分企业到欧洲买高精度五轴设备,成本高、效率低,难以批量生产,而欧洲和日本企业主要用专机生产。
·人形机器人市场潜力:人形机器人市场增长趋势难预估,因其未在某行业爆发,也无大规模工业或民用商业应用。此外,其分类标准缺失,如重型、中型定义不明,各款形状各异。对比工业机器人,其已形成基于前端负载的成熟分类,人形机器人需待应用场景明确才可能形成类似体系。

Q&A
Q: 摆线针轮减速器的结构与原理是什么?其与常见其他减速器的主要区别是什么?
A: 摆线针轮减速机起源于德国,基于差齿原理设计。与谐波减速器、行星减速器不同,其利用数学几何结构插值实现差齿。早期主要应用于中大型液压设备,因具备扭矩大、抗冲击性强、刚性好的特点。RV减速器是摆线滚针减速器大类中的小类,由发那科与相关方合作开发。
Q: 摆线减速器的主要应用场景有哪些领域?该领域的年市场空间大概有多少?
A: 摆线滚球减速机主要用于大功率设备;精密RV减速器作为代表的精密传动产品,主要应用于6关节机器人及周边精密传动设备。全球市场中,6关节机器人RV减速机占比超90%,非机械臂工业机器人占比约60%。
Q: 从技术成熟度角度看,摆线减速器在人形机器人应用中面临的主要技术瓶颈有哪些?
A: 普通摆线滚针及RV减速器因设计初衷为6关节工业机器人,体积大、重量重,与人形机器人对轻量化的需求不匹配,应用可能性较低。谐波减速器因重量轻、大传动比更适配人形机器人需求。斯宾亚摆线滚针作为特例,体积可缩小至与谐波相当,具备高刚性、抗冲击、大扭矩等优势,但存在制造难度高于日系RV减速器、主要用于军工、年产量仅10万台左右、装配工艺复杂等问题,因此尚未大规模应用于人形机器人。
Q: 摆线针轮减速器替代人形机器人中谐波减速器,是否是将RV减速器第二级的摆线针轮部分单独作为独立减速器?
A: 并非如此。RV减速器主要分为三类分支:住友、纳博为前两类,其结构难以小型化,无法在出力与体积、质量平衡上满足需求;第三类如Stenia采用摆线滚针结构,在体积、技术特性上具备与斜波减速器在大减速比、大出力、轻量化方面竞争的优势。纳博与哈姆纳克高层相互持股,不进行恶性竞争,而是根据公斤级差异形成市场与用途的区分。
Q: 人形机器人中哪些部位可能使用摆线减速器?
A: 摆线减速器在人形机器人中的应用案例包括日本某可载人形机器人的手部、腿部伸展部位,以及大型高达机器人内部。摆线减速器更适合中大型机器人,而人形机器人属于轻型,可能因成本问题不适用。
Q: 斯宾亚的摆线是否更精细?
A: 斯宾亚摆线的结构特性决定其可小型化。其他企业目前尚未成功模仿该类型摆线,因结构特殊,对装备精度及轴承刚度要求高。阿v已有模仿成功案例,与国外水平存在约10-15年差距。
Q: 从人形机器人替代的角度看,若无法实现斯宾亚小型化摆线,是否无法替代谐波?
A: 从技术角度看是。当前人机在分解方面存在难点,电机在低速或零转速下需依靠电磁力锁定。
Q: Spania产品的主要壁垒体现在哪些方面?
A: Spania产品的壁垒主要体现在四方面:一是结构原理复杂,属于变形的摆线五金类,国内对其理论计算尚未明确;二是十字交叉轴承的轴承座集成于零件,规格齐全且包含小型化特殊应用;三是材料特殊,具体材料成分及热处理工艺未被明确掌握;四是组装工艺特殊,需专用制具,日本两家公司曾尝试拆解后组装大尺寸产品,但经验丰富的老师傅亦未能完成;此外,企业为封闭家族企业,工人从年轻工作至退休,技术传承封闭。
Q: 人形机器人领域是否已应用摆线?若已应用,主要供应商是否为Venia或其他企业?
A: 目前人形机器人领域尚未形成规模性应用摆线的情况,批量使用的案例未听闻。
Q: 当供应充足且产品性能达标时,该类型减速器是否必然取代谐波减速器,其使用必要性如何?
A: 是否取代取决于应用场景。人形机器人具有没力气、较柔的特点,而RV减速器为铁与铁接触、力度强,因此重载场景可能使用RV减速器或电液形式。
Q: 市场上有观点认为某产品在轻量化与成本方面是否具备优势?
A: 成本在大规模成熟应用时不存在问题,国外成熟RV减速机价格与行星减速机相近;当前因无大规模应用型号,小批量生产成本较高。
Q: 其成本目前主要由哪些部分构成?各部分占比情况如何?
A: 人工成本占比较大,主要因组装依赖人工且安装成功率较低;关键零部件加工因精度要求高,热处理、精磨等工序耗时,定制磨床成本占比较大。
Q: 国内有哪些与斯宾亚较为接近的企业?
A: 国内与斯宾亚较为接近的企业包括:北京同源,工艺尚未完全突破;双环主营摆线业务,基础较好;双华主营普通摆线业务,基础较好但批量稳定性不足;南通正康进步不大。
Q: 生产环节的原材料供应稳定性如何?是否存在卡脖子环节?
A: 核心元件材料配方保密并联合开发;轴承配套方面,日本本土供应,国内采用洛轴、上轴等供应商,但存在性能差异。
Q: 是否采用新型材料制造减速器?
A: 采用新型材料制造减速器难度较大。RV减速器抗冲击能力为额定负载的2.5-5倍,目前主要使用金属材料;碳纤维因单向性能不足,抗冲击性差会影响寿命,故难以应用。
Q: 摆线减速器的生产工艺工序包括哪些?制造端的核心壁垒是什么?
A: 摆线减速器生产工艺链较长,主要工序包括粗加工、热处理、精磨、组配、测试等,其中热处理、精磨、组配为关键环节,需在恒温车间进行,目前供应链正逐步建立。
Q: 用在人形机器人关节模组中的产品价格大概是多少?
A: 价格受用量影响,当前用量较少导致价格较高,例如Spania产品价格高于普通产品。
Q: 当需求量大时,成本或价格下降是否不会成为问题?
A: 是,例如纳博n系列产品从高价阶段到广泛应用阶段,价格出现下降。
Q: 10万产能的投资成本大概多少?
A: 未进行具体试算,双环使用已有设备,正康投资约5-6亿元,欧洲采购五轴设备效率较低,国外采用专用设备。
Q: 其他生产行星谐波的企业转产摆线减速器的难度如何?
A: 转产难度大,因RV、谐波、行星属于不同行业,生产机器、装配线、测量设备完全不同。
Q: 人形机器人对摆线减速器需求的市场增量或增长趋势如何?
A: 目前难以准确预估,主要因当前人形机器人应用尚未爆发、缺乏批量应用场景且行业内无统一分类标准。
Q: 资本市场对摆线减速器关注度高的原因是什么?
A: 纳博在六关节机器人市场份额超90%,垄断性强,年产能200万台,对资本市场吸引力大。
Q: 纳博类型的减速器是否比斯宾亚减速器更为简单?
A: 纳博类型的减速器比斯宾亚减速器更为简单,二者在原理与内部结构上存在显著差异。
Q: 国内企业在纳博市场实现90%市场占比的难度如何?
A: 汽车行业对产品可靠性要求严格,主机厂倾向于维持现有供应商,不愿更换国产产品;国内企业可覆盖一般工业领域,但3C等领域因故障风险较高难以进入。
Q: 摆线减速器在低空或深海领域的需求潜力如何?
A: 深海领域主要使用液压设备,摆线减速器需求有限;低空领域的非关键部位可能使用摆线减速器;RV减速器主要应用于六关节机器人。
Q: 摆线减速器领域是否存在其他重要问题或补充信息?
A: RV减速器应用于人形机器人仍需时间,因当前应用尚未大规模展开,具体应用场景尚不明确。
注:此文仅代表作者观点

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