人形機器人核心零部件之 "減速器"

 Optimus 機器人身體 28 個運動關節方案: 分為旋轉和線性 2 大類執行器, 每類包括 3 種旋轉執行器和 3 種線性執行器. 14個旋轉執行器: 由電機+諧波減速器+力矩傳感器+位置傳感器+交叉滾子軸承+向心止推滾珠軸承構成.  14 個線性執行器: 由電機+行星/梯形/滾珠螺桿+力矩傳感器+位置傳感器構成.

Optimus 機器人採用了 "無框力矩電機+諧波減速器" 的旋轉執行器方案. 綜合考慮旋轉執行器所需的輸出扭矩, 重量, 精度, 以及人形機器人內部空間對減速器體積的限制, 特斯拉選擇了傳動精度高, 重量和體積小, 並且運轉平穩, 傳動比大的諧波減速器.

減速器作用是把高速運轉的動力, 通過輸入軸上齒數少的齒輪嚙合輸出軸上齒數多的大齒輪, 從而達到改變輸出轉速, 扭矩和承載能力的目的. 減速器按用途可分為三大類: 通用減速器, 精密減速器和專用減速器.

精密減速器主要用於機器人各個關節, 負責將伺服電機輸出的高速運轉動力轉化為低轉速, 高轉矩的運動, 決定機器人的精度和負載. 一般傳動減速器控制精度低, 可滿足機械設備基本的動力傳動需求. 精密減速器精度較高, 使用壽命長, 更加可靠穩定, 應用於機器人, 數控機床等高端領域.

諧波減速器: 精密度高, 體積小, 但承載能力弱, 易疲勞, 適用於追求精度和輕量化的場合. 諧波減速器是一種利用柔性構件的彈性變形波來進行動力傳動變換的新型齒輪減速器. 其組成部分主要包括諧波發生器, 柔性輪和鋼輪.

RV 減速器: 承載能力強, 高剛度, 但體積較大, 結構複雜, 適用於重負載的場合. RV(Rotary-Vector) 減速器在擺線針輪傳動基礎上發展起來的. RV 傳動由兩部分串聯而成, 分別是第一級漸開線行星齒輪傳動和第二級擺線針輪傳動. 中心齒輪由電機帶動,行星齒輪由中心齒輪驅動.

行星減速器: 傳動效率高, 成本低, 但精密度低, 減速比小, 通常配合步進電機或伺服電機應用於工業機器人關節中. 在行星減速器中, 行星齒輪減速器中心由太陽輪組成, 三個行星以太陽輪為中心進行旋轉運動. 

全球RV, 諧波減速器日系品牌壟斷, 行星減速器德系品牌較強. 納博特斯克在 RV 減速器市占率為 61%, 哈默納科在諧波減速器市占率為 82%, 此二類減速器因下游應用集中於工業機器人領域. 行星減速器 CR3 為 36%, 均為德系廠家, 在泛制造領域應用更強.

以特斯拉 Optimus 為例, 2023 年人形機器人核心零部件價值量排名前三的是無框力矩電機, 減速器和力傳感器;  2030 年無框力矩電機價值量占比下降, 力傳感器, 減速器價值量占比上升, 且力傳感器將超過減速器, 排名第二, 三者合計占比仍超過 50%.

Optimus 軀幹共有 28個關節執行器, 其中旋轉關節 14 個, 包括肩部 6 個, 肘部 2 個, 腰部 2 個, 髖部 4 個. 假設 2024 年起人形機器人將實現從 0 到 1 的跨越, 且諧波減速器價格隨著產量的提升呈逐步下降趨勢, 預計 2024-2030 年人形機器人用諧波減速器市場將由 0.2 億元增長至 267.4 億元.