深圳机器人谐波减速器结构（谐波减速器专题）
深圳机器人谐波减速器结构（谐波减速器专题）服务机器人产业链上游包括芯片、伺服系统、控制器、传感器、减速器以及机器视觉、语音识别等系统集成，中游包括各类服务机器人制造，下游涵盖众多服务行业：餐饮、酒店、医疗、养老、物流、消防、家政等。服务机器人：提供服务，但不从事工业生产。是一种半自主或全自主工作的机器人，能为人类提供保养、修理、运输、清晰、保安、救援、监护等功能。从中长期看，人口老龄化、用工成本上升、产业升级都意味着这类机器人有巨大的市场潜力。协作机器人：在工业生产中实现人机协作的功能。相较于工业机器人，协作机器人冲破了安全护栏的束缚，可在生产线上与人协同工作，充分发挥了机器人的效率和人的智能。相对而言，协作机器人更轻量化，更友好，性价比更高，并且更安全，一旦发生触碰，可立即停止。一般而言，协作机器人工作负载较小，重量较轻，只使用谐波减速器。产业链上游包括力矩电机、伺服驱动、谐波减速器、传感器和编码器，中游为协作机器人本体，下游覆
（报告出品方/分析师：安信证券 郭倩倩 李疆）
1. 减速器：机器人产业链不可或缺的核心零部件机器人品类众多，产业链庞大。按照结构功能和应用领域，可分为工业机器人、协作机器人、服务机器人和特种机器人四大类。
工业机器人：面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。自动执行工作的机械装置，靠自身动力和控制能力来高精度地重复执行特定工作。体积较大，相对而言比较危险，一般被限制在特定的工作区域独立工作。
工业机器人产业链上游为三大核心零部件（减速器、伺服、控制器），中游为工业机器人（多关节机器人、SCARA平面多关节机器人、delta并联机器人、直角坐标机器人等），下游系统集成应用领域（焊接、装卸、装配、喷涂、上下料等），主要服务汽车、电子、金属、化学制品和食品等对自动化、智能化需求较高的终端行业。
协作机器人：在工业生产中实现人机协作的功能。
相较于工业机器人，协作机器人冲破了安全护栏的束缚，可在生产线上与人协同工作，充分发挥了机器人的效率和人的智能。相对而言，协作机器人更轻量化，更友好，性价比更高，并且更安全，一旦发生触碰，可立即停止。一般而言，协作机器人工作负载较小，重量较轻，只使用谐波减速器。
产业链上游包括力矩电机、伺服驱动、谐波减速器、传感器和编码器，中游为协作机器人本体，下游覆盖焊接胶合、组装装配、抛光打磨、产品包装、上下料、检测测试等工序。
服务机器人：提供服务，但不从事工业生产。是一种半自主或全自主工作的机器人，能为人类提供保养、修理、运输、清晰、保安、救援、监护等功能。从中长期看，人口老龄化、用工成本上升、产业升级都意味着这类机器人有巨大的市场潜力。
服务机器人产业链上游包括芯片、伺服系统、控制器、传感器、减速器以及机器视觉、语音识别等系统集成，中游包括各类服务机器人制造，下游涵盖众多服务行业：餐饮、酒店、医疗、养老、物流、消防、家政等。
特种机器人：应用于专业领域，辅助替代执行各种任务。常见功能有采掘、安装、检测、维护、维修、巡检、侦查、排爆、搜救、输送、诊断、清洁等功能，运用于农业、电力、建筑、物流、医用护理、安防救援、军事、核工业、采矿等领域。
从工业机器人成本构成来看，减速器是价值占比最高的核心零部件。根据OFWeek的统计，工业机器人中减速器/伺服系统/控制系统/机器人本体/其他这五部分的价值占比分别为35%/25%/10%/15%/15%。
减速器配套电机，降低转速，提升扭矩，是机器人产业链不可或缺的核心零部件。以优傲 UR5协作机器人为例，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。
减速器可分为通用、专用、精密减速器，其中应用于机器人产业的主要为精密减速器。
①通用减速器：一般指齿轮减速器、蜗杆涡轮减速器和行星减速器，以中小型为主，广泛应用于各个行业；
②专用减速器：一般以大型、特大型为主，多为行业专用减速器，比如汽车减速器、光伏减速器、风电减速器；
③精密减速器：以微型、小型为主，一般指RV减速器或者谐波减速器，广泛用于工业机器人、机床、半导体、航空航天等高精度场景，尤其大量运用在关节型机器人上。
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。
RV减速器：传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势，但同时因为其重量重、外形尺寸较大的特性，无法向轻便、灵活的轻负载领域发展。
谐波减速器：具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点。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，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。
人形机器人，是指拥有与人类似的身体结构，能够使用双足行走，具备一定的人工智能功能的机器人。由于从外形上看更亲切，因而其最初的设计定位是一种服务机器人，应用于和人类直接接触的场景中，例如家庭、学校、餐厅、候机厅、表演等。
人形机器人和服务机器人最大的区别在于人形机器人需要保持平衡。普通服务机器人有底盘，用轮式驱动，不存在摔倒问题，只需要按照设定轨迹移动，并能实现一定程度的爬坡即可；人形机器人比服务机器人高度更高，需要靠双足行走，既要走得稳，还要走得快，并需要适应不同的地面。由于结构更接近人形，每个关节受力更加复杂，对减速器负载和电机响应速度要求更高。
Tesla布局人形机器人，2022年有望成为人形机器人发展的标志性年份。2021年，马斯克首次透露人形机器人“擎天柱”概念图和相关视频，2022年6月21日，马斯克宣布将于9月30日推出Tesla Bot“Optimus（擎天柱）”原型机，人形机器人产业链关注度提升。Tesla有望将汽车自动驾驶积累的技术经验用于人形机器人的研发生产中，推动人形机器人行业发展。2022年有望成为人形机器人发展的标志性年份，2023年预计Tesla Bot将进入量产阶段。
Tesla Bot关键时间节点：
①2021年8月19日：首次透露人形机器人“擎天柱”概念图和相关视频。
②2022年6月3日：马斯克宣称未来几个月将推出能够运转的人形机器人原型。
③2022年6月21日：马斯克宣称9月30日推出人形机器人原型。
④2022年9月30日：官方宣布的人形机器人首款原型机推出时间。
⑤2023年：预计特斯拉“擎天柱”进入量产阶段。
人形机器人的核心参数：身高1.72m，与普通成年人相仿，头部带有显示器，用来展示信息；自重57kg，负载20kg，挺举68kg，手臂伸展状态下负载4.5kg；采用Autopilot摄像头作为视觉传感器，FSD Computer作为计算核心；最大移动速度8km/小时。产品定位代替人类劳动，量产后预计单价为2.5万美元/台。
相较于传统机器人，谐波减速器在单台Tesla Bot上的需求量更多、价值量更大。与传统的工业机器人、协作机器人、服务机器人不同，人形机器人的形态和动作更接近人类，自由度更多，因而单台Tesla Bot需要用到更多的减速器。单个机械臂有6个自由度，两条手臂和两条腿共有24个自由度；每只手有6个自由度，共12个；躯干和颈部共有4个自由度，综上所述，人形机器人合计40个自由度。
保守估计单台Tesla Bot会使用20台谐波减速器。
两只手臂：单个手臂可对标小型六轴多关节机器人，两只手臂使用12台谐波减速器。
两条腿：单条腿可对标中型六轴多关节机器人，双腿部使用6台RV减速器和6台谐波减速器。
颈部：负载小，共使用2台谐波减速器。躯干：负载较大，共使用2台RV减速器。
双手：机器人手指电机是技术难点，传统电磁电机由于灵活性差、感知能力较低、控制精度不足，一般不在机器人手指关机使用，我们估计Tesla Bot将使用超声电机，可做到静音、高精度、体积小、断机自锁、堵转不烧机等功能。
综上我们预计，单台Tesla Bot共使用20台谐波减速器，相较于传统工业机器人或服务机器人，谐波减速器的使用量更多。
根据我们的测算，从Tesla Bot成本构成来看，肢体活动关节执行器/运动控制 处理器/肢体骨骼/手部关节执行器/其他的成本占比分别为48.7%/33.9%/10.5%/3.4%/3.5%，而在肢体活动关节执行器中，无框力矩电机/谐波减速器/RV减速器/编码器的成本占比分别为14.8%/19.3%/12.0%/2.6%，减速器占比共计31.3%，是Tesla Bot成本占比较高的部分，并且谐波减速器占比大于RV减速器。
特斯拉Optimus成本拆分预测，假设如下：
①执行器数量：由于特斯拉Optimus尚未面世，当前已知信息仅为机身具有40自由度，其中手部12自由度，肢体（双臂、双腿、腰椎、颈椎）等部分具有28自由度。每个自由度需配置1个执行器，而28个肢体减速器中每个肢体执行器根据性能需求不同需配备RV减速器或谐波减速器。我们假设单台机器人需要20个谐波减速器、8个RV减速器，据此进行估算。
②肢体关节执行器核算方法：使用谐波减速器的执行器由无框力矩电机、谐波减速器、控制器构成，使用RV减速器的执行器由无框力矩电机、RV减速器、控制器构成。
③成本拆分包含部件：成本拆分预测中仅包含机体的主要部件、其余零部件如线束、装配螺丝等未计入。
④零配件品牌型号选用：由于当前特斯拉Optimus主要零部件信息未知，对于信息未知的零部件，我们选用近似性能参数（即能满足产品设计需求）零配件进行测算。
⑤各部件参数与价格信息来自以下来源：相关公司招股书、相关公司在相关电商网站官方报价、销售商报价等。具体来源参照分析依据所述。
3.1 工作原理：巧借“错齿运动”，结构简单，精度高，减速比高
谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三部分构成。①波发生器：图示绿色椭圆形部分，中间是凸轮，外圈是滚珠轴承，其内圈固定在凸轮上，外圈通过滚珠发生弹性形变。②柔轮：图示粉红色部分，使用柔性金属材料制成，外圈有齿。③刚轮：图示青色部分，使用刚性材料制成，内圈有齿。三部分可任意固定一个，其余一个主动、一个从动，实现减速或增速；也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。
实际使用中，通常固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮输出转动。波发生器为椭圆形，将波发生器塞入柔轮，会迫使柔轮变为椭圆形，与波发生器紧密贴合。再将波发生器和柔轮的整体塞入刚轮，柔轮长轴两端的外齿刚好和刚轮的内齿啮合，而短轴两端的外齿与刚轮的内齿脱开。
谐波减速器的原理核心在于柔轮和刚轮之间的“错齿运动”。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。转动过程中，椭圆形的波发生器会迫使柔轮不断变形，柔轮上的齿会顺时针依次与刚轮内圈的每一个齿啮合。一般情况下，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。假设刚轮总共有200个齿，柔轮共有198个齿，电机带动波发生器每转动一圈，柔轮便会旋转2/200圈，即1/100圈。因此，电机需要转动100圈，柔轮才会转动一圈，减速比为100。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。
通过调节柔轮和刚轮的相对齿数，可获得不同的减速比。假设刚轮总共有200个齿，柔轮总共有196个齿，比刚轮少4个齿。电机带动波发生器每顺时针转动一圈，柔轮便会逆时针错位4个齿，即逆时针旋转4/200圈，即1/50圈。因此，电机转动50圈，柔轮才会转动一圈，减速比为50，这实现了不同的减速效果。
3.2 下游应用：应用领域广泛，市场空间广阔
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。以全球减速机龙头哈默纳科为例，其工业机器人下游占比超过50%，其余应用领域相对比较分散，包括半导体制造设备、数控机床、电机制造商等其他行业。
3.2.1 工业 协作机器人下游减速器应用及市场空间
机器人主要分为工业机器人、协作机器人、服务机器人和特种机器人四类。其中前两类机器人主要运用于工业生产，第三类机器人一般不用于制造业，主要应用于服务业。协作机器人在工业生产中与工人协同，因而独立于工业机器人大类。谐波减速器广泛运用于工业机器人和协作机器人领域。
工业机器人市场潜力大。受疫情影响，工业机器人市场短期承压，但长期来看，工业机器人随着制造业升级，市场潜力大。①人口出生率低、老龄化、招工难、用工成本上升，机器换人具有迫切性；②《“十四五”机器人产业发展趋势》规划指出，到2025年，制造业机器人密度增长100%；③下游新能源等行业需需求；④机器人技术进步，智能化和易用性提升。
根据IFR、World of Industries、MIR的数据可知，未来3-4年，全球工业、协作机器人的销量增速CAGR分别为6.0%和23.6%，中国工业、协作机器人的销量增速CAGR分别为13.9%和44.4%。根据各类机器人在全球和中国市场的增速预测情况，可大致测算出未来4年机器人下游谐波减速器的市场空间。
工业机器人 协作机器的谐波减速器市场空间分析，假设如下:
1.各类机器人产量：
引用前瞻产业研究院多关节机器人、坐标机器人、并联机器人、SCARA机器人，协作机器人的历史数据为测算基础，参考IFR、MIR对全球和中国市场工业机器人、机器人销量增速的预测，以及行业未来的发展趋势，测算未来4年各类机器人的产量。
2.单台机器人谐波减速器用量：
根据上述分析，我们认为2016年多关节机器人平均每台设备使用3.5台谐波减速器，之后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递增至4台；坐标机器人单台设备使用1台谐波减速器；并联机器人单台设备采用3台谐波减速器；SCARA机器人单台设备使用2.5台谐波减速器；协作机器人单台设备使用6.5台谐波减速器。
3.谐波减速器单价：
假定单价呈现逐渐下跌的趋势。以国内谐波减速器龙头绿的谐波为例，根据招股书，2017-2019年谐波减速器的平均销售单价分别为1922.79元、1885.13元、1631.95元，价格下降CAGR为8%左右。2020-2021年报仅披露“谐波减速器和金属件”的销售额，如果使用该值除以对应年份的销量，得到单价分别为1837.27元和1621.94元。但考虑这部分销售收入包含金属件，我们假定谐波减速器的降价趋势仍然向下延续，2020年-2021年减速器单价分别为1580元和1530元。
我们测算：全球机器人下游谐波减速器市场规模2022年达到29亿元，2025年接近49亿元，2022-2025年市场空间CAGR为19.1%左右。
我们测算：我国机器人下游谐波减速器市场规模2022年达到15.9亿元左右，2025年超过30亿元，2022-2025年市场空间CAGR为23.7%左右。
3.2.2 Tesla Bot 谐波减速器市场空间
预计未来Tesla Bot谐波减速器市场空间为52-200亿元。目前，Tesla Bot尚处在概念阶段，原型机的首发日预计在9月30日，未来放量的时间和台数尚不明确，马斯克采访中提到技术成熟后年产量将在20万台以上。因此，我们假定在悲观/中性/乐观三种预期下，未来特斯拉Bot出货量分别为20万/50万/100万台。
3.2.1分析中，我们预测未来谐波减速器有下降的趋势，2022-2025年的单价分别为1484元/1440元/1396元/1354元。但考虑到Tesla Bot对谐波减速器需求量很大，单价还有一定的下降空间，因而我们假定，未来Tesla Bot在20万台/50万台/100万台的年产量下，单价分别为1300元/1200元/1000元。
第2章分析指出，单台Tesla Bot谐波减速器用量为20台。结合上述假设，我们测算在悲观、中性、乐观三种情况下，未来特斯拉Bot谐波减速器市场空间分别为52亿元、120亿元和200亿元。
3.2.3 其他下游应用及市场空间
除机器人外，谐波减速器还广泛运用于数控机床、光伏设备、医疗器械、半导体设备、航空航天等其他领域。
数控机床：数控机床动力来源于伺服电机，需要额外附加减速器来增加扭矩，提高负载端的惯量匹配。因为谐波减速器体积小，精度高，传动效率高，高端数控机床生产和制造已经逐步开始用谐波减速器替代原有电驱零部件。
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，雕刻机分度回转装置以及义齿加工机等也需要使用谐波减速器。
谐波减速器还用于其他设备领域，例如工厂自动化、半导体设备、光伏设备、医疗器械等。例如医疗器械领域，谐波减速器主要用在放疗设备、检测设备、医疗机器人、康复机器人等设备上。光伏设备领域，谐波减速器一般用于光伏智能制造设备，以及光伏发电设备中太阳能跟踪系统的自动化组件，可调节电池板与太阳的角度，保持太阳光垂直射电池板，提高光伏组件的发电效率。
由于行业众多，缺乏相关数据，我们以绿的谐波和哈默纳科为样本企业，利用两家公司机器人以外下游市场（机床、半导体设备、医疗设备等）所创造的谐波减速器营业收入和两家公司全球市场占有率，使用逆推法，大致测算出2021年全球机器人以外谐波减速器下游市场空间为12.1亿元左右。
绿的谐波：2021年除机器人外，其“机械设备及其零部件 数控机床零部件 医疗器械零部件 其他”营收共8400万左右，根据《2021-2025年中国谐波减速器行业市场深度调研及发展前景预测报告》，绿的谐波在全球市场上的占有率大约为7%。据此估算2021年全球除机器人以外谐波减速器市场空间为12亿元。
哈默纳科：2022财年（2021年）除机器人外，其余下游营收共约198亿日元，根据《2021-2025年中国谐波减速器行业市场深度调研及发展前景预测报告》，哈默纳科在全球市场的占有率82%左右。据此估算2021年全球除机器人以外谐波减速器市场空间为241.5亿日元，折合人民币12.2亿元。
3.3 竞争格局：HD为全球谐波减速器龙头，国产替代为长期趋势
全球谐波减速机市场较为集中，哈默纳科一家独大。根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025中国谐波减速器行业市场深度调研及发展前景预测报告》，全球谐波减速器市场内主要参与者有哈默纳科、日本新宝、绿的谐波、中技克美等。其中哈默纳科全球市场占有率大于82%左右，绿的谐波占比7%，其他厂商占比约11%。
我国谐波减速器市场国产替代稳步推进。根据华经产业研究院统计，2020-2021年，中国市场最大的两个外资品牌——哈默纳科和日本新宝在中国市场的占有率由46%降低至42.9%。国内做谐波减速器的企业总共有30多家，实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动等企业，2020-2021年，这四家企业在中国市场上的占有率之和由35.9%提升至41.1%，其中，绿的谐波作为国内谐波减速器龙头，加速追赶国际先进，尤其是在国产协作机器人领域，绿的谐波已成为厂家首选品牌。此外，中技克美为中国最早的谐波减速器公司，国茂股份于2021年11月成立全资子公司“国茂精密传动（常州）有限公司”，双环传动也于2022年开展谐波减速器的相关研发与生产工作。随着国内减速器企业逐渐发展，谐波减速器的国产替代进程将持续推进。
3.4 行业壁垒：技术门槛该，品牌效应强，设备投资大
3.4.1 技术壁垒：材料、设计、工艺、装配研发投入大，积累周期长
谐波传动技术包括：总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿形、波发生器、加工制造和试验方法等10个分支。从专利申请数量的角度来看，总体结构、波发生器、柔轮和加工制造是谐波减速器技术的研发重点。
谐波传动技术伴随太空探索的需求而产生，借助机器人、工业自动化等下游行业的兴起快速成长，发展过程离不开基础材料和加工工艺的进步，总体分为三个阶段。
萌芽期（1955-1976）：谐波传动技术起源于美国，伴随着航天领域的需求而产生，但当时的基础材料和加工工艺远不成熟，应用领域少，市场空间不足，因而谐波减速器的技术研究成果及专利申请数量较少，且几乎全部集中在美国，当时的日本对谐波传动也有少量研究。
成长期（1977-2009）：随着数控机床、自动化、工业机器人等行业的快速发展，各国开始布局谐波减速器的技术研发，以哈默纳科为代表的日本企业和相关研究机构成为研究主力。得益于长期制造领域的积累，当时的美国和德国在谐波传动领域也进行了大量研究，这个阶段的专利数量呈现逐年递增的态势。
高速发展期（2010-至今）：得益于数字化、信息化领域的技术进步，加上亚洲地区机器换人、工业自动化的发展大趋势，谐波传动技术的研究突飞猛进，专利申请数量爆发式增长。中国以绿的谐波、来福谐波、中技克美为代表的众多企业及其他研究院所纷纷加大了对谐波减速器的研发投入，2015年达到了申请高峰。
谐波减速器的寿命是衡量其质量好坏的最直接指标，直接决定了机器人的正常工作时长。作为谐波减速器龙头厂商哈默纳科，其最新产品理论寿命超过20000小时，且能做到在10000小时内精度不会下降。
在实际应用中，谐波减速器的损坏主要包括以下几种情况：
①柔轮筒体的疲劳断裂：一种源于柔轮齿圈与光滑筒体连接处的齿根区域，主要是由于其在波发生器的作用下产生的弯曲效应，另一种在筒体底部法兰的过渡处，主要是由于外部载荷作用使柔轮产生的扭转应力引起的。
②柔轮输出端扭转刚度不足：由于柔轮是柔性构件，刚性差，很容易导致减速器输出轴扭转刚度不足，从而影响控制精度，限制其在高精密机械传动中的应用。
③齿面磨损：在外部负载较大时，齿面可能会形成磨损，研究表明啮合参数选择不当是其强烈磨损的主要原因，因而对柔轮材料、啮合齿形有较高要求。
④柔性轴承失效：通常发生破坏的地方在于椭圆凸轮的长轴处，内外座圈沟道的疲劳点蚀，主要该位置受变形力和啮合力的双重作用。
国产谐波减速器的精度和工作寿命之所以很难做到全球龙头哈默纳科的水平，背后是谐波减速器行业很高的技术壁垒，主要表现在以下四个方面：
①材料方面：目前，国内厂商虽然能供应相应的原材料，但由于材料的颗粒度、刚度和硬度等指标不足，相较于国外日本、德国等国家的高端材料有较大差距。日本哈默纳科的专用材料涵盖二十余种金属粉末，具备特定的粒度和配比，未申请专利的情况下，就形成了产品高性能的护城河。
尤其是柔轮，受力环境复杂，基础材料决定了其性能的好坏。柔轮属于杯型薄壁直尺圆柱形齿轮，相较于普通齿轮，工作过程中受到的应力十分复杂，这些应力需要通过大量的建模和试验去探索。
柔轮在工作状态下受力复杂，因此对材料的要求也十分苛刻，是目前谐波减速器最大的技术壁垒。目前，国内外谐波减速器柔轮材料基本为40Cr合金钢，包括40CrMoNiA，40CrA，30CrMoNiA，38Cr2Mo2VA，其中前两种较为常用。同样的原材料，但是由于国内提纯技术不达标，因而含有的杂质比国外的杂质多，使得减速器的寿命大幅度降低，国产谐波减速器的柔轮材料几乎都要依赖进口。
②齿形和结构设计方面：新进入厂商很难绕开专利，设计出性能接近或者更好的齿形和传动结构。例如哈默纳科，在产品齿形设计和传动结构方面申请了专利，获得了先发优势，其他厂商不得使用类似的齿型设计和传动机理，只能自行研发齿形和传动结构，否则涉及专利侵权。后进入的厂商避开专利限制，设计出同样优良性能的齿形难度很高。
目前齿形设计优化带来的减速器性能提升已进入瓶颈期，同时国内也涌现出一批齿轮设计独具特色的供应商。绿的谐波、来福谐波等国内减速器厂商的齿型设计各有特色，基本满足谐波减速器的性能需求。但对于其他后来进入的，或即将进入的谐波减速器小厂商，齿形设计方面仍然存在壁垒。
哈默纳科：在齿形设计方面起步很早，目前已研发出具有自主知识产权的“S”齿形。相较于双圆弧齿形，其共轭区齿隙更小，实现了在空载条件下的连续接触，更有利于分配齿间载荷，降低空程，提升精度。相较于渐开线齿形，柔轮齿轮的抗疲劳强度能力提升1倍，扭转刚度提高70%-100%。
绿的谐波和来福谐波在齿型设计等领域均有自己的知识产权。绿的谐波率先打破了哈默纳科的垄断，开发出具有自主知识产权的P齿形，尺高较低、齿宽较大，能承受更大转矩。《谐波减速器研究现状及问题研究》中指出绿的谐波的Y系列谐波减速器，采用了最新结构和齿形设计，柔轮和轴承材料及热处理工艺均为特质，使得减速器的扭转刚度提升1倍，单向传动精度提升两倍；来福谐波在新产品上全面使用δ齿形，寿命提高超过30%，转矩容量提升30%。
③加工工艺方面：减速器对加工工艺的要求极高，误差需要控制在1微米以内。高精度的加工设备需要从日、德等国家进口，对于厂商而言，设备价格高，初期投入大，还可能面临其他国家的出口管控。并且，由于市场几乎被国外品牌垄断，国内减速器厂商能获得的订单量小，导致设备的采购量小，这提高了采购单价。在设备成本上，领先厂商也与新进入的厂商拉开了差距。即便买回了最新加工设备，但是加工工艺仍未必能保证。头部减速器厂商哈默纳科，在谐波减速器领域已经深耕了多年，在加工方面的经验非常丰富，例如如何控制机床的运行温度、湿度、加工流程，这些在实际操作上都需要长期探索。
④装配方面：高精度的装配技术也是决定减速器性能的核心方面。谐波减速器的装配过程，不是将零件进行简单拼接组装，而需要根据总装的技术要求，不断调整、校正、平衡、试验，才能最终组装出合格的产品。目前，减速器装配仍以手工流水线作业为主，装配效果依赖人的经验。龙头厂商哈默纳科拥有大批从业10年以上的拥有丰富经验的高级技工，能够将减速器的装配环节做到极致。而新进入的谐波减速器厂商组装环节经验不足，很难短时间内拥有如此多经验丰富的技工，组装出的谐波减速器质量很难与国外厂商匹敌。
技术壁垒总结：基础材料、设计、加工工艺、装配经验投入短期内难以追赶和超越。并且，很多齿形和结构设计涉及很多专利，新进入厂商很难绕开。从专利壁垒的角度看，全球龙头哈默纳科的优势明显。2020年，哈默纳科无论是专利申请累计总数，还是近5年的专利申请量，都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。
3.4.2 固定资产投资壁垒：设备投资大、回报周期长
厂房、设备等固定资产占比高，产能扩建投入较大。对于谐波减速器新厂商，需要有较强的产品供应能力，而相关厂房扩建需要较高的初期资金投入。设备前期投入很大，之后如果销量上不去，产品积压，会因设备闲置、固定资产折旧带来更大的损失。谐波减速器下游行业基本都是大客户，如果设备投入少，产能不足，可能会无法接到订单。假设引入瑞士的一台中高端谐波减速器生产设备，精度能达到1微米以上，但是要售价要上千万元，如果增设一条中等以上精度的终端产线，投入至少要上千万，并且进口设备的交期很长，普遍在10个月以上，最久可达15个月。
哈默纳科近五年固定资产周转率逐年走低，最低跌至0.91。2015年来，哈默纳科有明工厂和穗高工厂厂房扩建，相关设备陆续到位，2017-2020年，其“物业、厂房及设备”资产大幅度上升，固定资产周转率从3.49大幅度降低至0.91。2021年固定资产周转率增加，系疫情恢复，全球经济复苏，哈默纳科营收大幅提升所致。绿的谐波近五年固定资产周转率最低跌至1.18。绿的谐波2017-2020年“固定资产 在建工程”平稳增长，2017-2018年，固定资产周转率仍有上升，系营收增加所致。2018-2019年固定资产周转率下降较低，系营收降低所致。2020年8月公司上市，募投项目“年产50万台精密谐波减速器”涉及厂房和设备扩建，“固定资产 在建工程”大幅度提升，但公司固定资产周转率仍提升至1.73，系2021年营收大幅度提升所致。
3.4.3 品牌壁垒：试机验证周期长
对于下游机器人等设备商来说，一旦选定了减速器品牌，便不会轻易更换。作为机器人核心零部件，减速器的价值占比较高，根据OFWeek的数据，再工业机器人中，减速器价值量占比达到35%。减速器的质量问题往往来源于长时间使用的疲劳损坏，如果下游厂商引入质量不达标的新品牌减速器，产品在使用1年后出现大规模质量问题，会带来较大规模的损失。因而，下游厂商大规模引入新品牌减速机前，需要经过1-2年的质量验证，通过试机来验证品牌的可靠性，一旦选定品牌，往往不会轻易更换。新的谐波减速器厂商很难进入市场，唯有具备合格的质量、更低的价格以及更好的售后服务。
3.5 谐波减速器未来的产品趋势——集成化
集成化，又称机电一体化，是指将电机和减速器模块化集成后打包出售的产品。机器人及其关节为高度机电耦合系统，机电一体化产品将减速器和其他零部件进行模块化集成。这类产品能够减少安装环节，让下游制造商更加专注机器人应用场景的开发，降低成本，促进效率提升。具体优势主要在以下几个方面：
①简化调试过程，节省安装时间，提升可靠性：传统减速器和电机的装配需要调整同心度，只要稍有误差，就会产生噪音，严重情况下还会损坏减速器。一体化产品省去了电机和减速器的安装过程，提升了产品使用的便捷性和可靠性。
②无需额外密封设计：传统减速机需要加注润滑脂并密封，如果法兰处加工不良，可能造成异物进入或者漏油等情况。一体化设计因为已经预装润滑油，不需要做其他密封设计。
③节省安装空间：传统减速机和伺服电机搭配后比较占空间，会影响到周边设备。一体化的产品通过专门的设计，协调了减速机和电机的尺寸，使整体结构更加紧凑。
谐波减速器的集成化相较于RV减速器更有意义，市场前景更好。RV减速器体积较大，集成化所能节省的空间有限，谐波减速器体积较小，集成化后的体积更小。以大型多关节机器人为例，一轴是整个机器人承重的核心位置，体积相对较大，留给减速器和电机的安装空间较大；六轴体积较小，留给减速器和电机的安装空间也更小，集成化产品节省安装空间，更能发挥其优势。
目前，国内外谐波减速器领域的领跑者纷纷开发一体化模块。日本哈默纳科提出“整体运动控制”，将谐波减速器与电机、传感器进行组合，提供高附加值模块化产品；绿的谐波推出中空结构一体化谐波减速模组产品，融合集成谐波减速器，超扁平力矩电机、Ether CAT总线型驱动器、绝对值中空编码器、制动器、智能传感器。近几年，绿的谐波在机电一体化领域进步很快，产品销量高速增长。
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