机器人系列研究一之谐波减速器
2023-07-05
谐波减速器行业基本概况
谐波减速器属于精密减速器。该技术诞生于20世纪50年代，是伴随航天技术的发展而催生出的一种新型传动技术。与一般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，即单位体积、质量下的精密、高扭矩、减速比性能远优于其他减速器。这使其在机器人小臂、腕部、手部等对轻便、灵活要求较高的部件具有无可替代的优势。
图1：减速器分类一览
谐波减速器通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。波发生器轴承处连接电机，电机带动波发生器一起顺时针转动。柔轮比刚轮少两个齿，波发生器每顺时针转动一圈，就使得柔轮逆时针错位两个齿，随着电机的不断转动，这种错位效应连续起来，便表现为柔轮的逆时针转动。柔轮的转速比波发生器要小很多，这实现了降低电机转速和增大输出扭矩的效果。
图2：谐波减速器三大件：波发生器、柔轮、刚轮
谐波减速器行业市场前景
谐波减速器应用的发展路径将遵循工业机器人及自动化→新兴领域及传统减速器替代→人形/仿生。以超过5年的维度看，下游“本体”环节会拥挤、会变革，但减速器作为通用核心零部件将持续享受成长逻辑，而随着减速器市场价格不断良性下降，技术特性优势将推动其下沉到更多自动化场景替换传统减速器（如行星等），并进一步打入更多服务类、消费类终端。按工业、消费历史演变，产品/产线总是向模块化、轻量化、柔性化、小型化等方向演进，谐波也是精密减速器中的最优选择。
图3：谐波减速器发展路径
从产业链基盘角度来看，短中期谐波减速器仍将主要应用于工业场景，核心驱动因素有：
① 劳动力短缺、招工难、劳动力成本上升：数据显示，中国15-64岁人口数占总人口比数自2010年达到峰值74.53%来不断下降，截至2020年，劳动人口占比跌至68.55%，与1999年水平相当。
图4：1990-2020年中国15-64岁人口占比
② 疫情等极端事件催化无接触保生产需求。
③ 各类泛制造业生产线的需求向柔性化、非标化、高精度转变：随着生产趋势正在发生改变，智能制造中的难点开始凸显，也就是非标和柔性。靠规模和刚性生产无法解决的柔性生产需求成为生产效率进一步提升的瓶颈。而柔性化生产的特征又包含了各类非标需求和场景，于是越是想要解决柔性的问题，越是无法绕过非标这道坎。
④ 供给端各项技术端的丰富和成熟，成本的下降。
图5：2014-2021年机器人本体类型均价分布
谐波减速器行业发展趋势
机器人行业产业链是BOM价值比最高
及门槛最高的产业之一
机器人行业产业链分为上游核心零部件、中游机器人本体、下游系统集成、终端行业客户四个环节。谐波减速器处于上游核心零部件位置，核心零部件在本体中BOM价值量占比约70%-80%，谐波减速器在本体中BOM占比约31%，规模化情况下，除控制器毛利水平在40%-60%以上，谐波减速器最高，在40-50%左右。
图6：机器人行业产业链一览
行业竞争呈国产替代加速
二梯队市占率爬升模式
2018-2021年，谐波减速器国产化率不断提升，中国本土市场国产化率达到约50%，日企占有率不断下降。截至2021年末，国内供应商形成一超多强格局， HD35%占有率主要是四大家族贡献。由于海外市场本体主要由四大家族垄断，目前尚未形成国产谐波大量出海趋势。
图7：中日谐波减速器市占率对比
产业链下游受外资主导
国产化率攀升
外资工业机器人企业在全球和国内市场仍占主导地位，尤其在汽车和电子两个关键行业。2020年中国工业机器人市场，工业机器人四大家族共计占比约33%的市场份额，发那科/ABB/库卡/ 安川的市占率分别为14%/8%/6%/5%。相较于外资，国内本体厂商主要从金属加工、光伏、锂电、3C等其他制造业行业中寻找到突破口，从2020-2021年竞争格局看，国产化率仍在提升。由于中国是全球第三个具备工业机器人全产业链自主能力的国家，本土市场占比大，预计中长期国产替代趋势将持续。
而据调查，1-8月国内本体厂商同样遭受了缺芯、疫情反复、限电、消费疲软的影响，除头部企业保持良好增长，其余长尾厂商增长放缓，7-8月左右放缓生产节奏，9月初开始恢复但反弹不明显。若不考虑极端因素，预计23年Q1行业由去库存周期进入补库存周期。
图8：2022年1-8月中国工业机器人产量
恒旭观点
人形机器人给谐波减速器市场带来倍增的想象空间，恒旭认为更适合将谐波减速器行业定义为早期行业。谐波减速器工业自动化基盘预计到2030年全球市场规模205.51亿元，可容纳3家左右上市公司。人形机器人驱动下，2030年全球市场规模空间有望达到466-847亿元之间，足够容纳4-5家上市公司。
谐波减速器作为产业链核心零部件环节，具有高门槛、高价值占比、高毛利、通用性等关键特征，长周期积累形成的综合壁垒对后进入者建立足够护城河。长期来看，国产谐波技术性能如能持续爬坡，成本端优势将打开部分海外市场；国内头部玩家有望进入特斯拉人形供应链，进入新的增长曲线。我们仍需关注国内本体厂商与四大家族技术差距以及中小型厂商能否在经济衰退期维持增长或保证生存。
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