勞動力成本抬升,推動機器人及減速器行業發展
1947年,前蘇聯工程師首次提出諧波機械傳動原理;20 世紀 50 年代,美國工程師 Musser C. W.根據空間應用需求發明了諧波減速機并取得專利。由此可見,前蘇聯、美國很早就開始研究諧波減速器,但主要集中在空間應用領域;日本雖起步稍晚,但發展迅速,在機器人領域后來居上;我國對諧波減速器的研究始于 1961 年,1985 年“諧波減速器標準系列產品”正式通過鑒定,成為繼美國、日本、俄羅斯后第四個具有諧波傳動減速器標準系列產品的國家。
諧波減速器由波發生器、柔輪和鋼輪組成。按機械波數量分類,可分為單波/雙波/三波傳動,剛輪和柔輪的齒數差應等于機械波的整數倍,通常取為波數,目前最常用的為雙波傳動。其中鋼輪為帶有內齒圈的剛性圓環狀零件,通常固定在減速器機體上,具有良好的抵抗外載荷不變形的能力;柔輪為帶有外齒圈的柔性薄壁彈性體零件,通常安裝在減速器輸出端;波發生器由柔性軸承和剛性橢圓凸輪組成,通常安裝在減速器輸入端,柔性軸承內圈固定在凸輪上,外圈通過滾珠實現彈性變形成橢圓形。
從結構和傳動原理方面來看,諧波減速器具有體積小、重量輕、傳動比大、承載力高、傳動精度高、傳動效率高等優勢。與普通減速器相比,其體積減小 2/3,重量減輕 1/2;單級傳動比可達 30-500;傳動效率可達 69%-96%?;谝陨蟽瀯?,諧波減速器可廣泛運用于機器人、數控機床、光伏設備、醫療器械、半導體設備、航空航天等其他領域。
資料來源:公開資料整理
據《機器人用諧波齒輪減速器》(GB/T 30819-2014)國家標準,減速器的精密等級可通過傳動誤差和空程來衡量,傳動誤差≤30 弧秒為高精密級減速器,30 弧秒<傳動誤差≤1 弧分為精密級減速器,1 弧分<傳動誤差≤3 弧分為普通級減速器;空程≤1 弧分為 1 級,1 弧分<空程≤3 弧分為 2 級,3 弧分<空程≤6 弧分為 3 級。參考各公司產品參數,應用在機器人中的多為精密級減速器,等級在 2 級以上。
機器人用諧波齒輪減速器國家標準(以傳動誤差衡量)
精度等級 | 指標 |
高精密級減速器(A 級) | 傳動誤差≤30 弧秒 |
精密級減速器(B 級) | 30 弧秒<傳動誤差≤1 弧分 |
普通級減速器(C 級) | 1 弧分<傳動誤差≤3 弧分 |
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機器人用諧波齒輪減速器國家標準(以空程衡量)
精度等級 | 指標 |
1 級 | 空程≤1 弧分 |
2 級 | 1 弧分<空程≤3 弧分 |
3 級 | 3 弧分<空程≤6 弧分 |
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從 2022 年工業機器人大國的人口數量來看,美國/德國總人口增長率短期受移民增加影響小有上漲,但長期下降趨勢不變;中國人口自然增長率首次為負值;日/韓人口數量分別同比-0.4%/-0.2%。從人口結構來看,老齡化程度日益加深,以我國情況為例,60 周歲及以上人口比例逐年上漲,2022 年為 19.8%,同比+0.9pct。人口減少、老齡化加劇問題將使得強度大、重復性高、條件惡劣的低端工作面臨用工荒的問題。
隨著全球范圍內勞動力成本提高,各國工業自動化滲透率和制造業機械設備密度有望逐步提高,或帶動傳動基礎部件減速器的需求持續上升,預計2026年全球減速器市場規??蛇_1766億美元。
資料來源:ReportLinker,觀研天下數據中心整理
根據觀研報告網發布的《中國減速器行業發展深度研究與投資前景分析報告(2024-2031年)》顯示,目前全球制造業正向著自動化、集成化、智能化及綠色化方向發展,在疫情的催化作用下,2020 年起中國工業機器人產業引領全球市場迎來了快速發展期,新增安裝量增速維持較高水平,但通過對比各國工業機器人密度可見,中國與其他國家仍有差距,發展空間仍然較大。
資料來源:IFR,觀研天下數據中心整理
工業機器人可分為六軸/協作/SCARA 和 DELTA 機器人,諧波減速器一般用于手臂、腕部或手部關節。每臺六軸多關節機器人需搭配 6 臺精密減速器,其中輕負荷的可用諧波減速器;協作機器人全部關節均用諧波減速器,一般為 6-7 臺;SCARA 機器人一般使用 2-3 臺諧波減速器;DELTA 機器人需使用 3 臺諧波減速器??紤]到多關節機器人靈活性和自由度高,可適應不同的工作環境和任務,隨著機器人技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展,多關節機器人的應用將會更加廣泛,因此單臺用諧波減速器數量將呈上升趨勢。
不同類型工業機器人的諧波減速器需求對比
機器人類型 | 諧波減速器數量 |
六軸機器人 | 2臺RV+4臺諧波 |
協作機器人 | 6-7臺諧波 |
SCARA機器人 | 2-3臺諧波 |
DELTA機器人 | 3臺諧波 |
資料來源:公開資料整理
工業機器人三大核心零部件包括精密減速器、伺服系統及控制器,上述三大零部件在工業機器人成本中占比約高達60%,其中精密減速器在三類零部件成本中占比最高,約達到30%。精密減速器一般以諧波減速器和RV減速器為主;其中諧波減速器主要應用于機器人小臂、腕部或手部等輕負載領域;RV減速器多應用于多關節機器人中機座、大臂、肩部等重負載的位置。
資料來源:綠的諧波,觀研天下數據中心整理
特斯拉提出人形機器人計劃,我國政府亦持續推動其發展
特斯拉于 2021 年 AI Day 首次提出人形機器人計劃;于 2022 年 AI Day 發布 Optimus 原型機,實現了行走、揮手、搬運貨物、給花澆水等動作;2023 年 5 月股東大會上,Optimus 靈活性有所提高,可執行更復雜的任務,實現更為流暢的行走和抓取物品。從計劃到樣機發布,特斯拉僅用了不到 1 年的時間,人形機器人正式開始走進現實。
我國對人形機器人的研發起步相對較晚,初期多為高校參與,北理工、浙江大學等已取得較好的成果,為中國人形機器人產業化打下了堅實的理論基礎。目前由于該領域技術壁壘較高,國內研發人形機器人本體的公司除高校研究機構孵化公司外,其余多為高科技公司,且隨著特斯拉Optimus 的問世,國內企業加速布局。2023 年以來,追覓、傅利葉、宇樹科技等相繼發布人形機器人,意味著人形機器人正逐步走向商用化。
人形機器人技術雖已取得顯著進展,但在本體能力、運動能力和智能能力方面仍面臨一定挑戰,且大部分企業的生產成本仍處于較高水平,不利于量產。為推動產業化進程,山東、深圳、上海、北京陸續出臺相關政策支持人形機器人的創新發展和規?;瘧?。2023 年 9 月 13 日,工信部印發《關于組織開展 2023 年未來產業創新任務揭榜掛帥工作的通知》,在人形機器人揭榜掛帥任務榜單中以 2025 年為檢驗時間點,提出了多項創新任務和預期目標,如集成減速器、電機、驅動器的一體化旋轉電驅動關節峰值輸出功率密度應優于 600W/kg,峰值力矩密度應優于 100N.m/kg。2023 年 10 月 20 日,《人形機器人創新發展指導意見》發布,明確 2025 年人形機器人創新體系初步建立;2027 年技術創新能力顯著提升等目標。
我國人形機器人政策總結
時間 | 省市 | 文件 | 內容 |
2023/6/28 | 北京 | 《北京市機器人產業創新發展行動方案(2023—2025 年)》 | 著眼世界前沿技術和未來戰略需求,加緊布局人形機器人,帶動醫療健康、協作、特種、物流四類優勢機器人產品躍升發展,實施百項機器人新品工程,打造智能驅動、產研一體、開放領先的創新產品體系。 |
2023/6/15 | 上海 | 《上海市推動制造業高質量發展三年行動計劃(2023-2025 年)》 | 瞄準人工智能技術前沿,構建通用大模型,面向垂直領域發展產業生態,建設國際算法創新基地,加快人形機器人創新發展。 |
2023/5/31 | 深圳 | 《深圳市加快推動人工智能高質量發展高水平應用行動方案(2023—2024 年)》 | 實施核心技術攻關載體扶持計劃,支持科研機構與企業共建 5 家以上人工智能聯合實驗室,加快組建廣東省人形機器人制造業創新中心;發揮粵港澳大灣區制造業優勢,開展人形機器人規?;瘧?。 |
2023/4/29 | 山東 | 《山東省制造業創新能力提升三年行動計劃(2023—2025 年)》 | 研究制定山東省未來產業高質量發展行動計劃,加快布局人形機器人、元宇宙、量子科技、未來網絡、碳基半導體、類腦計算、深海極地、基因技術、深??仗扉_發等前沿領域,推進 6G 技術研發和應用。 |
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一直以來,日本企業在減速器市場長期處于壟斷地位,但近幾年國產替代趨勢明確,綠的諧波市占率逐漸提升。
資料來源:MIR,觀研天下數據中心整理(YM)
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