【行业分析】人形机器人减速器解析

当前人形机器人关节模组精密减速器可分为谐波减速器，RV减速器，行星减速器和摆线针轮减速器。1）谐波：传动比高、精密度高但因柔轮不断形变对材料疲劳寿命、加工设备要求高，可应用于机器人小臂、腕部以及手部；2）行星：成本低制造难度小，但精度不高，目前主要应用于机器人手部；3）RV：高负载高刚度大体积，可应用于机器人机座、大臂、肩部等重负载；4）摆线针轮：高精度高负载，且噪音低体积小，可应用于机器人腰髋部、腿部等。我们对不同减速器方案进行范围内初步对比排序，得到传动精度：谐波/摆线针轮>RV>行星；体积：RV>谐波>行星/摆线针轮；价格：RV>摆线针轮>谐波>行星。 

在众多技术环节中，旋转关节作为其核心部件之一，不仅关乎到机器人的运动性能，还直接影响到机器人的制造成本与商业化进程。相关调研机构预测，得益于人形机器人产业爆发式增长。未来几年内，人形机器人旋转关节将保持两位数的高速增长。旋转关节的技术路线主要包含刚性驱动器、弹性驱动器以及准直驱驱动器（QDD）这三种类型。

减速器又称减速机，与伺服电机、控制器并称为机器人三大核心零部件，在机器人动力系统中 是连接动力源和执行结构的中间结构。与机械设备一样，机器人一般由动力、传动与执行三大系统构成，人形机器人作为精密制造、先进传感与控制技术的高度集成化产物，其传动系统成 为机器人精密控制的关键，而减速器则是传动系统的关键部件。 

减速器是由多个齿轮组成的常用传动零部件，内部结构复杂，其通过不同大小齿轮的啮合传递 动力。在一般的机械设备中，由电机带动设备运转，但电机额定转速不能得到完全使用，需要通过减速器降低转速增加扭矩；因此我们可以类比在人形机器人中，减速器主要将伺服电机的力传导至各执行结构如关节处，降低转速并增加扭矩，以精确控制机器人动作。

▪ 减速器用于实现降速增矩

减速器可平衡电机“高转速低扭矩”与关节“低转速高扭矩” 的矛盾。通过减速器可以将电机 的低扭矩放大为高扭矩以满足负载驱动需求。这是因为在人形机器人中，伺服电机为追求小型 化和快速响应，通常输出高转速低扭矩，而机器人执行末端如机械臂关节、夹持器等负载需要 低转速高扭矩来驱动手臂运动或抓取重物。

可保证运动控制的高精度与稳定性，在要求高精度的场景中不可或缺。人形机器人的运动精度 直接影响任务完成质量，例如抓取细小物体、行走时的步幅控制和平衡调整等，均依赖传动系 统的精度。而电机输出转速存在微小波动，直接传递到末端会放大运动误差，因此需要减速器 通过多级啮合与齿轮设计来平滑电机的转速波动，使末端运动更稳定，控制误差。

▪ 减速器分类

精密减速器主要分为谐波减速器、RV减速器，行星减速器和摆线针轮减速器。

▪ 谐波：基于柔轮与刚轮的齿数差减速 

谐波减速器由波发生器、柔性齿轮、刚性齿轮三个基本构件组成。波发生器通常用作输入，通 常连接到伺服电机。柔轮是由合金钢制成的薄圆柱形杯，杯的开口端有外齿，用作输出并连接 到输出法兰。圆形刚轮是带有内齿的刚性环。当齿轮组装好时，它与波发生器椭圆长轴上的柔 性齿轮的齿相啮合。 

谐波减速器传动的原理在于柔性齿轮与刚性齿轮的齿数差。减速比=柔轮齿数 /（柔轮齿数–钢 轮齿数）。当波形发生器发生旋转时，柔轮和钢轮会啮合在一起并随着旋转慢慢改变位置，如 果减速比为100，那么波形发生器需旋转100圈，柔轮才能前进一圈，如果柔轮有200个齿，那么钢轮将有202个齿。通过改变齿数，我们可以得到不同的减速比，单级谐波减速器的减速比 一般处于70~320范围内，在某些装置中甚至可以达到1000。

谐波减速器的技术难点主要在于齿形设计、材料、加工设备。1）齿形设计：由于谐波减速器 的传动原理为两个齿轮之间的啮合运动，且柔轮不断发生形变，因此齿轮的高度、宽度、形状 等设计对减速性能有较大影响。2）材料：柔轮不断形变传递力矩，对材料的一致性、载荷、 精度、疲劳寿命都有很高要求，普通的金属和合金难以达到要求，常用40CR合金钢等材料。 3）加工设备：柔轮很薄、厚度约0.2~0.6mm，加工和切割要求高，高精度数控磨床、滚齿机 均需要进口，而日本高精度机床对我国有一定限制。 

谐波减速器具有高精度大扭矩、结构紧凑和无背隙运动、质量轻、体积小，适合中低负载的特 点。常用于精密仪器、航天器、机器人等高精度应用领域。谐波减速器应用领域目前以各种机 器人为主，除此之外，还有数控机床，半导体、光伏、医疗等其他设备领域。

▪ 行星：由太阳轮带动行星轮进行减速 

行星减速器由三到四个行星轮和一个太阳轮组成。其中心齿轮通常被称为“太阳轮”，由输入 端伺服电机通过输入轴驱动旋转。行星减速机内部结构图有多个围绕太阳轮旋转的齿轮被称为 “行星轮”，其一侧与太阳轮咬合，另一侧与减速机壳体内壁上的环形内齿圈咬合，承载着由 输入轴通过太阳轮传递过来的转矩动力，并通过输出轴将动力传输到负载端。 

行星减速器如何实现减速？在行星减速机运转时，随着太阳轮的自转，行星轮将围绕太阳轮公 转。行星减速器通过传动轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以达到减速的目的。其 减速比由环形内齿圈与太阳轮的尺寸（周长或齿数）之比决定。具有单级减速齿轮组的速比通 常在3~10之间；速比超过10以上的行星减速机，需要使用两级(或上）的行星齿轮组减速。

精密行星减速器难点主要体现在制造、维护和工艺定制化。1）制造：精密行星减速器产品结 构复杂，制造安装难度较大；2）维护：定期维护和保养（包括定期更换润滑油和维修传动部 件等）；3)工艺：人形机器人精度、效率等的额外要求会相应增加制造成本，如人形机器人若 使用行星减速器则需要对电机进行扁平化设计，同时行星减速器也需要定制成微型多级传动的形式。 

行星减速器成本较低，制造难度相对低。行星减速器体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命 长、运转平稳，噪声低。具有功率分流、多齿啮合独用的特性。适用于起重运输、工程机械、 冶金、矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织。

▪ RV：正齿轮减速与差动齿轮减速组成 

RV减速器，由正齿轮（行星轮）、RV齿轮（摆线轮）、曲柄轴、销（针齿销）、外壳（针轮 ）、输出轴等组成。是在传统针摆行星传动的基础上发展而来，其中，内齿轮和外齿轮的啮合 是实现减速的关键。内齿轮是一个圆柱形的齿轮，外齿轮则是一个圆锥形的齿轮。内齿轮和外 齿轮的齿数不同，因此在啮合时会产生减速的效果。 

RV减速器如何减速？RV减速器传动系统由两级减速机构组成。第一级正齿轮减速机构（行星 减速）：中心轮（太阳）与输入轴相连，其旋转将带动周围的行星轮绕中心轮公转，并同时逆 时针自转，转速比=中心轮齿数/行星轮齿数；第二级差动齿轮减速机构（摆线针轮减速）：曲 柄轴与行星轮相连因此同速转动，而铰接在三个曲柄轴上的两片摆线轮（RV齿轮）与固定的针 轮相啮合，当摆线轮摆动时针齿销迫使摆线轮沿针轮逐齿旋转。针轮偏移角度=1/针轮齿数。总 传动比=第一级转速比×第二级针轮偏移角度。

RV传动是一种有显著优势的新型传动。体积小、抗冲击力强、扭矩大、定位精度高等特点，广 泛应用于工业机器人、高端机床、医疗检测设备、卫星接收系统等领域。 

RV减速器由摆线针轮和行星支架组成，工艺要求高、零部件复杂。1）工艺：各项工艺需密切 配合，包含齿形设计、齿面热处理、加工精度、成组技术等，由于结构复杂和零件众多带来误 差累积，会导致产品在使用过程中加速磨损和寿命缩减；2）零部件：RV减速器结构复杂，由 数十个甚至上百个零件组成，且传动比大，负荷大，对轴承要求高，摆线轮(RV齿轮)支撑轴承 位于曲柄轴和摆线轮之间，受限于减速器内部的空间、润滑、温升等因素，受力时易达到承载 极值，导致磨损和破裂，对零部件质量要求较高。

▪ 摆线针轮：摆线轮偏心旋转并与针齿啮合 

摆线针轮减速器是RV减速器的一种，主要由输入机构、摆线轮、针轮及输出机构组成。1）输 入轴：连接输入端。包括输入轴、偏心轴、偏心套等，轴上通常有两个相位相差180度的偏心 结构，带动摆线轮做偏心运动。2）摆线轮：齿形为摆线曲线的齿轮，套在偏心轴的偏心套上 。3）针轮：内壁分布着若干针齿销；4）输出机构：包括输出轴、柱销孔等，摆线轮上的柱销 孔推动着输出柱销转动，柱销连着减速器的端盘作为输出机构。 

摆线针轮如何减速？主要基于摆线轮的偏心旋转和摆线与针齿的啮合。电机驱动输入轴旋转， 带动偏心轴使摆线轮偏心旋转（绕轴中心公转并同时自转）。公转过程中摆线轮与针齿啮合， 因两者齿数差为1，针齿的反作用力迫使摆线轮反向自转一个齿距，即输入轴旋转一周，摆线轮自转"针轮齿数分之一周"，从而达到减速效果传动至输出机构。摆线针轮减速器的传动比范 围大，单级传动比可达87。

摆线针轮减速器难点主要体现在齿廓设计与制造。1）齿廓设计：摆线针轮设计与制造复杂， 其齿廓是基于针轮齿圈的共轭外摆线曲线，需通过复杂的啮合方程计算齿廓参数，对参数设计要求较高。此外还需要齿廓修形技术来形成合理齿隙保证啮合的润滑。2） 制造：摆线轮、针 齿销等主要零件采用材质较好的GCr15轴承钢制造，制造工艺复杂且精度高，同时需要热处理 ，需购买磨床和热处理设备，成本较高。 

摆线针轮减速器具有刚性好、传动比大、结构紧凑、传动效率高和承载能力强等显著优点，同 时运转平稳、噪音低、寿命长，适用于高精度和重载场景。一是重工业领域（如冶金机械、起 重设备和工程机械），发挥其高负载和抗冲击能力；二是精密传动领域（如航空航天、机器人 、数控机床和医疗器械），满足高刚性、低噪音的需求。

▪ 从特斯拉Optimus出发，看减速器方案需求 

特斯拉Optimus Gen2需要12个行星减速器和14个谐波减速器。其中，谐波减速器用于肩 膀、手肘、腰部与骨盆的旋转关节处；行星减速器用于手部传动装置内，单手用量6个。 

从减速器特性看，行星减速器和谐波减速器各有千秋：1）行星减速器的高承载能力及强抗 冲击能力的特性适配灵巧手应用场景，但精度有限，一定程度上无法满足高精度灵巧手需求 ；2）谐波减速器的免维护特性和高减速比适配肩膀、手肘、腰部与骨盆等大关节部位，但 成本高昂，与降本趋势不匹配。 

我们认为，特斯拉手部采用行星减速器或出于降本需求，在肩膀、手肘、腰部与骨盆部位采 用谐波减速器或出于对高减速比的需求。

除特斯拉外，其余大部分具身主机厂亦采用谐波+行星的复合方案：1）智元远征A2搭载谐 波一体关节+自研的关节电机PowerFlow（内置高力矩透明度行星减速器）；2）宇树G1搭 载带双编码器的行星减速器关节模组；3）傅利叶GR-1在上半身采用谐波减速器、下半身髋 关节则采用行星减速器；4）优必选则搭载谐波+行星减速器一体化关节。 

从减速器各自特点看，以行星为主的减速器方案在成本端优势显著，如宇树G1售价仅为9.9 万元；谐波减速器能在扭矩方面提供更好的加持，故而下游采取行星+谐波复合方案的机型 的输出扭矩普遍更高。

哈默纳科将手部行星减速器替换为微型谐波减速器。哈默纳科的迷你执行器RSF-3C及RSF 5B集成谐波减速器、无刷伺服电机及编码器于一体，每根手指配备2-3个；东京大学提供的 采用RFS-3B和RFS-5A两种类型的谐波减速器灵巧手方案中，手指根部直径仅为20mm，接 近人手。此方案的成本虽更高，但高扭矩也使得灵巧手的性能得到大幅提升。RV减速器广泛应用于工业机器人如关节型、搬运、焊接、AGV机器人中，主要由于其扭矩 大于行星和谐波减速器，更适配工业场景。同时，高精度、大扭矩的特性也有望打开人形机 器人中腕部、腰部等应用场景。

当人形机器人满足整机可正常工作的前提下，性能提升是进一步发展方向。从降本/性能两 个大维度看，行星/RV分别是最优选择，但RV受限于体积，一般在工业机器人和人形大关节 部位应用较多，谐波减速器虽然成本高昂，但体积和性能较行星均有提升。综合来看，行星 和谐波拥有成为过去乃至当下的主流选择的基本盘。 

摆线针轮新型减速器性能增量高于成本&体积增量，或为行星+谐波的进一步优化方案。摆 线针轮减速器齿轮啮合的构造使得其较行星精度更高、较谐波同体积扭矩输出能力更强、较 传统RV体积重量更小；但价格、体积/重量较谐波和行星略高。 

综合来看，摆线针轮在大幅度提升人形机器人关节扭矩的情况下，成本和体积/重量增幅可 保持在可控范围内，且当前采用PEEK等轻量化材料打造的摆线针轮减速器可大幅降低自重 。我们认为，摆线针轮有望在人形肩部、腰部、下肢髋关节等大关节部位实现应用。

减速器是人形机器人旋转关节核心部件，通过降速增矩保证机器人运动控制的高精度与稳定性。减速器是连接动力源和执行结构的中间结构，我国减速器市场规模持续增长，减速器企业工艺水平不断提升，国产减速器供应能力日益增强。