谐波减速器行业市场分析

谐波减速器行业市场分析

广渗透与高价值占据优势产业地位

什么是谐波减速器？

减速器类似于工业机械的“肌腱”，对于每一个以轴为中心转动的机器

“关节”，减速器可以精准调节机器转动角度。从原理上来看，关节处

利用电机实现转动，但电机功率有限，转速很高，这带来两个问题:

电机直接输出的扭矩较小，无法承受负载；机器人关节转动不需要电

机那样的高转速。因此，通常需要在电机的输出端安装减速器，从而

降低转速，提升扭矩。同时在电机转动精度受限的情况下，通过角速

度的调节也实现了精准控制角度的需求。减速器可按照控制精度分为

一般传动减速器和精密减速器。减速器是连接动力源和执行机构的中

间机构，具有匹配转速、传递转矩的作用。其中一般传动减速器控制

精度相对较低，仅仅能够满足机械设备基本的动力传动需求。而精密

减速器具有回程间隙小、精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定的优

点，并且已经从工业机器人领域渗透到机器人、数控机床等高端领域。

精密减速器种类较多，包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星

减速器、精密行星减速器等，一般应用于机器人领域的精密减速器特

指谐波减速器和RV减速器。

相比RV,谐波减速器应用领域更精细。由于传动原理和结构等技术

特点差异，使得谐波减速器与RV减速器在下游产品及应用领域方面

各有所侧重、相辅相成，应用于不同场景和终端行、也。精密减速器中，

相对于RV减速器，谐波减速器结构更简单，质量和体积更小，单级

传动比和精密度更高，在机器人领域具有无可替代的地位。

谐波减速器采用从波发生器到可以形变的柔轮，再到真正输出功率的

刚轮的传导方式。而从结构上来看，谐波齿轮减速器是一种靠波发生

器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用，实现运

动和动力传递的传动装置，其构造主要由带有内齿圈的刚性齿轮（刚

轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成。

图1：减速器应用场景

高价值量与高渗透奠定产业链中重要地位

谐波减速器位于行业上游，广泛渗透于从加工制造到终端应用场景的

整个工业体系。目前国内谐波减速器下游最大的应用场景就是工业机

器人。此外非机器人领域也为谐波减速器带来新的需求增量，比如数

控机床、光伏设备、航天器以及医疗器械等领域。

机器人核心零部件主要包括精密减速机、交流伺服电机、控制器C精

密减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递

转矩的作用。伺服弓机在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到

的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。机器人每个关节

运动均需靠伺服电机驱动，以实现多自由度的运动。控制器是工业机

器人的大脑，对机器人的性能起着决定性的影响。工业机器人控制器

主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及

动作的时间等。核心零部件占据整机70%左右的成本，谐波减速器

技术难度与盈利能力均处于产业链上游水平。三大零部件是产业链中

技术壁垒较高、成本占比较大的环节。从技术上来看，三大核心零部

件的技术门槛由高至低依次为减速器、伺服电机和控制器；从成本上

来看，减速器占整机成本超过三分之一（约35%）,伺服约占整机

成本约23%,控制器约占整机约12%。从盈利水平看，谐波减速器

的毛利率也相对较高，基本能够维持在50%以上，高于伺服系统、

控制器、机器人本体及系统集成毛利率。

伴随着哈默纳科等公司的发展逐步拓展至工业机器人、机床、半导体

等行业，后续又渗透向医疗、环境等领域。目前为止，工业机器人仍

然是哈默纳科最主要的下游领域。

图10岭双的渡■历&及X产屋主•应网乐♦宝化

先发优势，技术升级造就高壁垒寡头。哈默纳科在公司创立的50年

时间里，在产品、技术方面持续投入和积累，实现了技术的不断突破，

并铸造了行业高壁垒。1970年至今，哈默纳科在持续推出新产品系

列的同时不断提升产品的各项性能，使其最大化满足下游客户的需求,

拓宽使用场景，提供使用便利。从哈默纳科产品线的发展历程来看，

谐波减速机的强度、刚度、精度、小型化、轻量化等产品基础性能以

及结构中空化、机电一体化等产品易用性是改进的重点。哈默纳科积

极通过多种途径实现产品和技术进步，包括与客户的长期互相指导、

通过产官学三结合进行技术开发及公司内部营业、开发、生产3部门

团结一致发展新技术。通过替换柔轮制作材料，公司谐波减速机的柔

轮疲劳强度得到增强。从渐开线齿形到IH齿形的改进使谐波减速机

成功突破了扭矩容量和扭转刚度的局限，是哈默纳科产品里程碑式的

一次升级。哈默纳科1986年所开发柔轮杯部向外敞开的SH型中空

结构谐波减速机，是哈默纳科产品系列的又一大进步。通过改进加工

设备、加入支撑轴承结构，哈默纳科有效减少了加工误差及变形误差，

实现了产品的高精度和统一化，提高角度传递精度，产品将应用于需

要高定位精度或具备微小角度定位的各类装置。

专利视角：从跟跑到并跑，“设计•材料・加工”为主

谐波减速器技术相关专利的申请经历了萌芽期（1955・1976年）、发

展期（1977-2010年）和快速成长期（2011年•至今），1976年以

前，专利申请国主要是美国等，但申请数量较少。在发展期，谐波减

速器技术的专利申请数量呈现增长趋势，各国对谐波减速器的产业布

局也逐渐清晰。在快速成长期，谐波减速器的市场需求伴随着机器人

产业的发展快速扩大，专利申请数量呈现指数型高速增长态势。

图13:1955・2019年谐波减速器专利申请构成中，总体结构占多数

■总体结构

波发生器

・柔轮

加工制造

■刚轮

■凸轮

齿形

■试验方法

■柔性轴承

■交叉滚子轴承

谐波减速器技术按基本构成可分为：总体结构、波发生器、柔轮、加

工制造、刚轮、凸轮、齿形、柔性轴承、交叉滚子轴承和试验方法等

10个部分。其中研发重点主要在于总体结构、发生器、柔轮和加工

制造等几个环节。从专利壁垒的角度看，全球龙头哈默纳科的优势明

显。1955-2019年，哈默纳科无论是专利申请累计总数远远领先其余

谐波减速器厂商。这更进一步说明，谐波减速器是技术密集型行业,

短期内竞争格局很难发生较大变化，国产替代是一个长期的过程。

抽丝剥茧：技术壁垒高筑，先发优势明显

齿形设计、柔轮强度、组合结构优化、加工制造等要素构成谐波减速

器的核心技术壁垒。总体来看：谐波减速器技术壁垒较高，要达到较

高的使用精度和寿命，需要在齿形设计、柔轮强度、组合结构优化、

加工制造等方面积累深厚，要求生产企业在基础材料、设计、加工、

设备等方面均具有较深护城河，谐波减速器作为技术密集型行业，先

进入者依靠其工艺技术和加工经验等具备先发优势。在谐波齿轮传动

的过程中，齿形设计占据着柔轮和刚轮零部件的关键位置。谐波传动

技术发明者马瑟于20世纪50年代提出的齿形为直线三角齿形，压

力角a=28.6o,由于其忽略了因柔轮变形引起的曲率变化所导致的齿

形偏转这一因素，因而不是其真实的齿形，同时在实践中也给加工制

造和刀具设计等带来很大的麻烦。随后出现了经典的30。压力角渐开

线齿形，虽然该齿形优于直线齿形，但由于在空载时，柔轮齿形包络

在一个不大的区域，在负载时容易出现尖点啮合与边缘接触。

渐开线齿形的齿底弯曲应力比较集中，同时啮合齿数仅为总齿数的

10%左右，导致谐波减速器的强度极限不高。哈默纳科进一步改良后

的齿形称为IH齿形，可大幅增加啮合齿数，同时啮合齿数增大到总

齿数的约30%,并且齿底应力缓冲的效果也一致，大大提高了谐波

减速器的齿底疲劳极限。另外，由于同时啮合齿数大幅度增加，拉伸

刚性也改善了约2倍。

齿形、柔轮材料等影响柔轮强度，尤其柔轮材料晶粒不均匀会造成局

部微裂纹以及失效C由于减速器本身各零件的加工精度、装配间隙、

扭转刚度等因素的影响，因此至今还没有统一的柔轮强度计算方法。

在材料方面，传统的柔轮材料一般为合金钢，因而容易产生噪声与振

动，当速度越高时，噪声与振动越明显。哈默纳科在柔轮材料上使用

疲劳强度大的特殊钢，并且同时啮合齿数比例达到30%,材料和齿

形的双优化使得每个齿轮所承受的压力变小、转矩容量变高。从柔轮

材料的光学显微镜照片可以观察到，日本哈默纳科的柔轮材料细化程

度与稳定性方面仍然优于国产。

波发生器也是谐波减速器中的关键部件之一，其主要元件包括柔性薄

壁轴承和波发生器凸轮。柔性轴承是波发生器的核心部件，在工作中,

柔性轴承通过其弹性变形使减速机达到高减速比的性能要求，在循环

交变载荷作用下极易发生疲劳失效，其疲劳寿命决定着波发生器的寿

命，进而决定着整个减速器的使用寿命。影响零部件疲劳性能的主要

因素包括尺寸、表面形状、平均应力等，通常可通过材料、结构、尺

寸的优化以及表面强化处理、表面防护措施、加工方式的改进等方法

进行改良。在结构方面，哈默纳科对壳体和波发生器采用了铝等轻质

合金，并且减少了刚轮的外缘尺寸，同时对连接部件进行优化，使得

整机得以轻量化，在航空航天领域得以广泛应用。国内绿的谐波生产

的超扁平系列谐波减速器，柔轮的长径比可达1/3,体积小、质量轻，

非常适合于对减速器有苛刻厚度要求的场合使用。

在加工精度方面，在谐波传动装置中，柔轮与波发生器最为复杂，主

要是这两个元件的加工相对困难。传统的摆线齿形可以使用带直边切

削刃的插刀进行加工，目前大部分的厂商，例如哈默纳科•、同川科技、

来福谐波等，采用特殊的刀具机加工齿形，而绿的谐波则采用线切割

的方式加工齿形，两种加工方式各有优劣c目前对于柔轮、刚轮齿型

的加工方法除了传统的滚齿和插齿外，高速滚插齿和精密慢走丝等新

的加工方法也被采用。

多元需求驱动，谐波减速器市场扩容

核心部件：工业机器人行业长期向好

在全球市场，机器人为谐波减速器主要下游行业。由于哈默纳科在全

球谐波减速器市场占据主导地位，因此其产品下游基本可代表全球谐

波减速器的应用情况。从哈默纳科2021财年营收数据来看，其产品

下游51.7%是机器人领域，另有48.3%下游为非机器人领域，包括

半导体设备（15.0%）、车载（6.5%）、电机齿轮箱（5.4%）和机

床（3.9%）等领域。

在国内市场，工业机器人同样是谐波机器人最主要的应用领域。根据

绿的谐波招股说明书，其产品在2017-2019年的下游应用中，机器

人（包括多关节机器人、协作机器人、SCARA、DELTA、服务机器

人、AGV及巡检机器人）应用占比达79.4%,高端数控机床应用占

比7.5%O2021年绿的谐波在机器人行业的营业收入占总营收的比例

为81.0%。总体上，绿的谐波产品主要集中在以工业机器人为主的自

动化领域，且机器人与机床的应用占比高于哈默纳科，这与国内近年

来的自动化趋势息息相关。

图19:2017・2019年绿的谐波产品下游应用领域

1.0%■多关节机器人

协作机器人

■SCARA

■AGV及巡检机器人

■服务机器人

DELTA

高端数控机床

•医疗器械

非标自动化

■半导体设备

■工业机械手

32.4%

光伏制造设备

■航空航天

其他

随着人口老龄化程度持续加深，企业招工越来越困难、制造业工人工

资逐年增长，导致劳动力短缺和劳动力成本上升，催生机器换人的需

求。根据IFR数据，2021年全球工业机器人密度（工业机器人保有

量/制造业就业人数）约为141台/万人，且处于持续上升状态，其中

排名第一的韩国已达1000台/万人。经验证，IFR公布的中国工业机

器人密度明显高于实际情况，或因未考虑私营企业和个体制造业人数,

导致用于计算的制造业就业人数偏低，经过矫正，2021年中国工业

机器人密度约为121台/万人，较韩国、新加坡、日本、德国等国仍

有不小差距，说明我国工业机器人市场发展空间较大。

《“十四五”机器人产业发展规划》，提出要重点解决关键零部件“卡脖

子”问题，并不断提升高端供给能力，对比来看'十三五”期间总体发展

目标是形成较为完善的机器人产业体系，发展侧重点上升了一个阶段。

《规划》提出要推动用产学研联合攻关，提升机器人关键零部件的功

能、性能和可靠性，这将继续支撑中国工业机器人领域关键零部件“卡

脖子”技术的研发，提升高端供给能力。《规划》提出到2025年机器

人产业营业收入年均增速超过20%,制造业机器人密度实现翻番，

将为工业机器人带来更广阔的市场空间。

中国是全球工业机器人密度增长的主要驱动市场。我国已经连续9年

成为全球最大的工业机器人消费国，根据中国机器人产业发展报告

（2022年），2021年我国工业机器人市场规模约75亿美元（约484

亿元人民币），占全球市场规模的43%。2017-2021年国内销售额

CAGR约为13%。报告预测到2024年，全球、中国工'也机器人市场

规模可达230、115亿美元。销量方面，根据IFR数据，中国市场工

业机器人销量占全球比例逐年升高，由2011年的13.6%提升至2021

年的51.8%“2021年中国市场、全球市场工业机器人销量分别为26.8

万台、51.7万台。

图22:国内工业机器人销量占全球比例逐年升高

—全球年度销量（干台）中国年度销量（千台）

—中国销量占比（右轴）

近年来工业机器人下游行业中新能源相关行业发展旺盛，20-22年锂

电池行业复合增速达78.40%,已成为第二大下游行业；光伏行业复

合增长38.87%；同时新兴工业市场需求大幅增长，汽车电子、半导

体、医疗用品行业复合增速分别达61.14%、52.52%、40.74%。随

着新能源行业趋势向好，锂电、光伏需求仍将保持高速增长，以及一

般工业应用领域不断深入、非工业领域应用的拓展，工业机器人各下

游行业会持续发展。

在机器人细分品类中，轻型机器人增速较快，小型化趋势明显。在工

业机器人领域，自由度是衡量工业机器人技术水平的主要指标之一,

通常每个自由度需要一个伺服电机驱动以及一个配套减速器来传动,

以完成精确驱动的要求。工业机器人的自由度数根据其用途与功能要

求而不同，比如一般通用工业机器人有4-6个自由度，即每台通用工

业机器人需要配套4-6个减速器，小关节数量越多，所需的谐波减速

器数量就越大。历史上，汽车产业对于机器人的需求占比最高，其需

求载荷较高，普遍在30kg以上；近几年对于机器人的需求特征为轻

负载、高精度，轻型化需求较为明显。2018-2022年，Delta增速最

慢，但协作机器人的复合增速达56.1%,一定程度上驱动了机器人产

业二次爆发。协作机器人是一种新型工业机器人，旨在与人类共享工

作空间，为全手动和全自动的生产模式之间搭建了桥梁，能够协助生

产人员完成危险、繁重的工作，提升生产效率，相比传统工业机器人

更小型化和轻量化。此前，工厂中的工业机器人都有安全围栏，将它

们与人工操作隔开，但由于空间和安装成本的要求，中小企业很难安

装工业机器人。协作机器人得益于其较高的灵活性、安全性和易用性

等技术特点，近年来呈现快速发展态势。此外，协作机器人价格下行

加速，用户导入门槛进一步降低，不少企业推出经济型协作产品，以

抢占市场，资本助力协作机器人市场，进一步拉动市场发展。

小负载机器人对于谐波减速器的需求更高。根据绿的谐波招股说明书,

每台六轴多关节机器人需要搭配6台精密减速器，其中10kg以下负

载的机器人需要6个谐波减速器，10・30kg负载的机器人小臂、手腕

关节可以采用谐波减速器，30kg负载以上的机器人在其轻负荷的末

端关节上也能使用谐波减速器。此外，协传机器人单台设备则需使用

6-7台谐波减速器；并联机器人单台设备需使用3台谐波减速器；

SCARA机器人单台设备使用2-3台谐波减速器。随着谐波减速器的

技术进步以及轻负载多关节机器人市场占比提升，平均每台设备使用

谐波减速器数量也会相应增加。

表4:单个工业机器人所需精密减速器数・

机器人类里谐波求速明单位用■

小六轴机器人军6台

大六轴机器人0-3台

SCARA2-3台

Delta3台

协作型机器人"7台

2021年国内工业机器人领域的谐波减速器需求量为55.25万台，与

RV减速器需求比例为1.46:1。GGII数据显示，2021年中国工业机

器人减速器总需求量为93.11万台（含RV和谐波），同比增长78.06%。

其中增量需求82.41万台，同比增长95.05%；存量替换量为10.70

万台，同比增长6.57%。细分来看，2021年中国工业机器人谐波减

速器与RV减速器需求量分别为55.25万台与37.86万台，谐波减速

器与RV减速器的需求比例约为59%：41%o

根据GGII预测，到2026年国内工业机器人市场减速器总需求量有

望超过270万台，2021-2026年CAGR为23.73%。假设在谐波减

速器和RV减速器的需求占比维持2021年不变的情况下，2026年国

内工业机器人市场的谐波减速器需求量约为160万台。

场景延拓：横向渗透数控机床

除了工业机器人的基本盘，行业延拓也将带来谐波减速器的增量空间,

向机床渗透是近年来新兴趋势。在数控机床领域，数控机床传动来自

于伺服电机，随着工业技术的进步，电机一直在朝着精密、高效、控

制简单等方向创新,但因机床本身加工，负载进给系统条件差异颇大，

需要额外附加减速器来增加扭矩，提高负载端惯量匹配。基于谐波减

速器体积小、精度高、传动效率高的特点，高档数控机床的生产和制

造过程中开始逐渐使用谐波减速器替代一些电驱零部件，以减轻数控

机床伺服马达负荷、降低机械故障率、提高精密度，进而增加机械寿

命。机床数控化是机床行业的升级趋势。根据国家统计局数据，我国

2021年新生产金属切削机床的数控化率仅为40.5%,而德美日数控

化率在70%以上，我国机床行业数控化水平与发达国家仍存在较大

差距。

此前，行星减速器较为普遍被用于机床数控系统，与之相比，谐波减

速器体枳更小、质量更小、精度更高，未来随着数控机床的精密操作

要求越来越高，谐波减速器在机床数控系统中的需求有望持续提升。

图30:国内新增金属切削机床的数控化率稳步提升

数控金属切削机床产量（万台）金属切削机床产量（万台）

一一期仔（右轴）

根据绿的谐波招股说明书，单台加工中心及数控铳床可使用4台以上

精密减速器，数控车床及车削中心、数字磨床及放电加工机等可使用

3台以上精密减速器。目前，高精度数控回转台和加工中心的四或五

轴需要使用1-2台谐波减速器，雕刻机的分度回转装置以及义齿加工

机等也需要使用谐波减速器。总体上，以机床为代表的非机器人领域

在国内谐波减速器市场的应用占比呈升高趋势，将逐渐趋近全球谐波

减速器需求结构。随着工业机器人、数控机床等下游行业的不断发展,

减速器的市场需求不断增长。除上述新增市场外，作为精密传动件和

承重部件，谐波减速器的磨损、损伤、故障不可避免，存量工业机器

人、数控机床等也将创造可观的零配件配套及维修需求。

催化放量：人形机器人打开想象空间

2021年8月20日，马斯克在首届特斯拉人工智能日(AIDAY)上首

次发布特斯拉人形机器人(TeslaBot)计划，正式宣布进军机器人

领域。2022年10月1日，特斯拉AlDay上，人形机器人的第一批

生产打算用于那些危险、无聊、重复以及人们不情愿去做的工作，比

如在特斯拉工厂周围移动部件，或用扳手给汽车安装螺栓。并且表示,

起码在两年内可以生产出有实际用途的产品，且价格预计比制造一辆

车的价格更便宜。按照马斯克的设想，未来机器人还可以用于家庭、

做饭、修剪草坪和照顾老人，乃至成为人类的“伙伴”或伴侣。

特斯拉Optimus主要由机械部分和电子部分组成，机械部分包含28

个执行器和双手；电子部分包含大脑和躯干(冷却系统、电池包)。

Optimus全身的执行器一共有6种设计，其中包含3种不同负载的旋

转执行器和3种不同负载的直线执行器，其中的旋转执行器采用诸波

减速器的结构。由于人形机器人关节较多，且更加小型化、精密化,

因此预计其对谐波减速器的需求量较大。根据马斯克访谈，人形机器

人有望于23年底交付，若成功实现量产，有望带动谐波减速器需求

放量增长。

当前时点为何看好国内厂商？

从当前市场格局来看，全球绝大部分市场份额仍被日本企业占据。但

需要说明的是，我国谐波减速器行业发展较日本推迟近50年，当前

市场格局是由过去因发展较晚带来的一系列例如技术壁垒、品牌壁垒

等问题所导致的，并不表征未来发展方向。要判断在未来的增量市场

里国内厂商如何参与分成，仍需立足当下研判当前国内外企业博弈形

势及行业环境的边际变化。

在国内市场，中国品牌谐波减速器的市场份额正在提升。国内龙头绿

的谐波在2021年的销量市占率为24.7%,较2020年21.0%的市占

率有所增长，并且市占率仅次于全球龙头哈默纳科，同时其他国产厂

商如来福、同川、大族等的市场份额也在提升。此外，日系企业哈默

纳科、新宝的市场份额正在缩减，二者合计市占率由2020年的46.0%

降至2021年的42.9%。

市场机遇：产能缺口增大，叠加工业机器人国产化提速

需求端陡增，全球龙头将面临较大产能缺口。日本企业普遍扩产较为

谨慎，且哈默纳科存在大量外协难以协调各工厂迅速扩产，叠加需

求端放量增长，预计哈默纳科现有产能及扩产规划难以补足下游需求

缺口。根据前文，即使在不考虑人形机器人的需求情况下，至2026

年仅国内工业机器人市场的谐波减速器需求量便可达160万台左右，

假设2026年国内非工业机器人市场的谐波减速器需求占比为18%,

则国内总需求量约为195万台，几乎等于哈默纳科扩产后的全部年

产能（不含车载）,而哈默纳科2021财年来自中国的营收占比仅9.3%,

其主要产能仍需用于日本本土。显然，在现有扩产规划下，哈默纳科

产能将无法支撑全球需求量，意味着国产厂商将面临更多的补缺机会。

图38:2021财年（21Q2-22Q2）哈默纳科来自各地区的的收占比

■日本

中国

■德国

韩国&中国台湾

■美国

■其他

政策支持：有望充分受益于国产化率提升与供应链安全要求。“十四

五”与“二十大”再次强调供应链安全问题与国产化问题，对于谐波减速

器行业的影响渠道有二，1）下游产品国产化率提升，使得国内谐波

减速器的需求总量提升；2）要求供应链安全，实现关键零部件自主

可控，使得国内机器人产品的单体国产减速器用量增多，共同使得国

内厂商面临的市场空间增大。

需要注意的是，哈默纳科与机器人四大家族深度绑定，其产能也将优

先满足四大家族的供货。一方面，2022年四大家族在中国工业机器

人市场市占率为39.6%,换言之，在四大家族之外的60.4%中国工

业机器人市场，国产谐波减速器产能仍有较大发挥空间；另一方面,

国产工业机器人的份