人形机器人系列报告：结构轻量化经验或可复制至人形机器人的轴承、丝杠和减速器

行业研究|深度报告 看好（维持） 结构轻量化经验或可复制至人形机器人的轴承、丝杠和减速器 ——人形机器人系列报告 机器人专题 国家/地区中国 行业机械设备行业 报告发布日期2024年03月12日 核心观点 特斯拉OptimusGen2重量减轻10kg，人形机器人轻量化是必然趋势。2023年12 月12日，特斯拉发布了第二代人形机器人擎天柱OptimusGen2，重量减轻10kg。轻量化发展有利于提升人形机器人的机动性、速度以及动作准确度和续航能力，是产业发展的必然趋势。 机器人的轻量化主要是从材料和结构这两个方面来实现。但基于材料的方法，需采 用新型材料，如镁、铝合金和碳纤维复材等，其成本高且加工难度大，同时材料轻 量化也需和结构设计相互耦合。与其相比，基于结构优化的方法只需改变结构形状，其成本低且容易实现，因而结构轻量化就成了机器人轻量化设计的主要方法。 结构优化法在汽车轴承、RV减速器、丝杠以及机器人等领域都有成功应用案例，可 在性能不变或提升的情况下大幅减轻质量。结构优化方法分为尺寸优化，形状优化 和拓扑优化3种。根据相关文献，经过拓扑优化后的汽车K57G0后传动轴质量可减轻10%；经过拓扑优化后，RV减速器性能保持的情况下其主要部件质量有所减轻；经结构优化后，近满载航天伺服反向式行星滚柱丝杠副IPRSM相较于具有同等应用载荷的国外IPRSM，体积和重量减小约30%，同时具有更高的传动效率和传动精 度，综合性能优异。此外，结构优化法在机器人机械上臂、六轴机器人、机器人大 腿等领域亦有成功应用案例。BaiYunfei等人对机器人SR-165的上臂实施了拓扑优 化，优化后的上臂比原始结构各项性能均有所提高，且质量轻55.6％。吕鑫等从材料和结构两方面对六轴机器人进行轻量化设计，成功将质量减轻26.5%。王权等使用变密度法优化了WABIAN-2R机器人的大腿结构，在强度、刚度、固有频率不变的情况下移除了48.5%的材料。葛海波等用衍生式设计方法完全改变机器人腿部支架形状，将机器人腿部支架减轻了超过50%。 王天一021-63325888*6126 wangtianyi@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860510120021 杨震021-63325888*6090 yangzhen@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860520060002香港证监会牌照：BSW113 丁昊dinghao@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860522080002 刘嘉倩liujiaqian@orientsec.com.cn 我们认为结构轻量化的成功经验或可复制到人形机器人领域，主要是由于当前人形 机器人产业处在早期阶段，对应的设计方案在不断地更新迭代，其中也包含对轴承、丝杠、减速器类产品的优化升级。以特斯拉人形机器人为例，其包含了14个旋 转执行器和14个线性执行器，即56个轴承类产品（14个角接触球轴承+14个交叉 滚子轴承+14个滚珠轴承+14个四点接触轴承）、14个行星滚柱丝杠和14个谐波减速器，假设旋转执行器和线性执行器相应的总质量减轻10%、20%、30%、40%、50%，则人形机器人单机可减轻3.8、7.7、11.5、15.3、19.1千克。 投资建议与投资标的 人形机器人：国内蓝图开启，国产厂商有 2023-11-03 业企业积累了深厚的结构轻量化的成功经验，或将之复制到人形机器人领域，建议关注产业链相关公司：1）丝杠和轴承：五洲新春(603667，买入)、北特科技(603009，未评 望突围丝杠：核心传动部件，人形机器人开启成 2023-10-25 级)、恒立液压(601100，未评级)、贝斯特(300580，未评级)、秦川机床(000837，未评 长空间：——人形机器人系列报告 级)、鼎智科技(873593，未评级)、禾川科技(688320，未评级)、新坐标(603040，未评级)、金沃股份(300984，未评级)等；2）减速器：绿的谐波(688017，未评级)、夏厦精密(001306，未评级)、中大力德(002896，未评级)、秦川机床(000837，未评级)、丰立智能(301368，未评级)、昊志机电(300503，未评级)、国茂股份(603915，未评级)、双环传动(002472，未评级)、豪能股份(603809，未评级)、精锻科技(300258，买入)、汉宇集团(300403，未评级)等。风险提示：人形机器人进展不及预期；轻量化进展不及预期；国产替代进程不及预期；行业竞争加剧；假设条件变化影响测算结果。 机器人轻量化后可大幅提高运动的机动性和工作效率，进而改善操作速度和动作准确度，同时减轻运动惯性，提高机器人的本质安全性。因此，轻量化后的人形机器人效率会更高，对控制或关节的要求可能会下降，所需的执行功能的难度也可能会降低，这有利于推动量产节点的提前和降低大规模量产的门槛。我们认为全球包括中国的优秀制造 机械装备助力新质生产力：——新质生产力系列研究 上海争取人形机器人国家制造业创新中心落地，英伟达机器人最新成果值得期待： ——机械行业周报 灵巧手与传感器，拟人化与智能化：——人形机器人系列报告 精密减速器：国产替代有望提速，人形机器人旋转传动的重要纽带：——人形机器人系列报告 2023-12-20 复苏可见，海外可期，新兴可为：——机 2023-11-22 械行业2024年度投资策略 政策与产业趋势共振，人形机器人产业化有望提速：——机械行业周报 2024-03-09 2024-02-24 2024-01-21 2024-01-06 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 1.轻量化：结构优化4 1.1拓扑优化在汽车轴承和RV减速器领域的应用6 1.2拓扑优化在机器人领域的应用8 1.3反向式行星滚柱丝杠的结构轻量化应用9 1.4人形机器人中线性和旋转执行器轻量化的测算分析12 2.轻量化：材料优化14 2.1镁合金、铝合金和碳纤维复材14 2.2机器人材料轻量化技术的发展方向16 3.投资建议17 4.风险提示17 图表目录 图1：特斯拉OptimusGen2重量减轻10kg4 图2：尺寸优化、形状优化和拓扑优化示意图5 图3：汽车K57G0后传动轴几何模型图6 图4：RV减速器中的行星架（左）和针齿壳（右）的拓扑优化7 图5：拓扑优化后的行星架（左）和针齿壳（右）8 图6：经拓扑优化等方法后，机器人SR-165的上臂质量减轻55.6%8 图7：经拓扑优化等方法后，机器人IPR-1减重50.15%9 图8：反向式行星滚柱丝杠副IPRSM结构示意图10 图9：重大装备高集成度机电作动器IEMA结构示意图10 图10：最终设计的航天伺服反向式行星滚柱丝杠副IPRSM示意图11 图11：特斯拉人形机器人共52个自由度12 图12：特斯拉人形机器人采用的旋转和线性执行器示意图13 表1：工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》指出要攻克的关键技术4 表2：几类主要的拓扑优化方法比较6 表3：汽车K57G0后传动轴拓扑优化前后的质量情况7 表4：常规反向式行星滚柱丝杠副IPRSM初始设定的结构参数10 表5：经近满载设计优化后，航天伺服反向式行星滚柱丝杠副IPRSM的结构参数11 表6：短时高承载IPRSM和RVI27×5IPRSM性能指标对比12 表7：特斯拉人形机器人包含56个轴承类产品、14个丝杠类产品和14个减速器类产品13 表8：不同情况下，第一代特斯拉人形机器人旋转和线性执行器减轻的质量/kg13 1.轻量化：结构优化 2023年12月12日，特斯拉发布了第二代人形机器人擎天柱OptimusGen2。官方介绍文字中显示，新增的技术特点包括：Tesla设计的全新执行器和传感器；2自由度驱动的全新颈部；执行器集成电子元件和线束；步行速度提高30%；脚力/扭矩感应，更类似人类；重量减轻10kg；11自由度驱动的全新手部。2022年10月，特斯拉CEO马斯克启动2022年AI日活动，人形机器人擎天柱Optimus原型机正式亮相。在当时，Optimus身高约为5尺8寸，重量约为125磅，行走速度为每小时5英里，最多可提45磅的物品，并且头部配有屏幕。 图1：特斯拉OptimusGen2重量减轻10kg 数据来源：TeslaAIDay，东方证券研究所 骨架结构拓扑优化、高强度轻量化新材料是我国人形机器人亟需攻克的机器体关键技术群之一。2023年11月2日，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，明确指出：人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品，将深刻变革人类生产生活方式，重塑全球产业发展格局。关键技术攻克：《指导意见》提出以大模型等人工智能技术突破为引领，在机器人已有成熟技术基础上，重点在人形机器人“大脑”和“小脑”、“肢体”关键技术、技术创新体系等领域取得突破。 一是开发基于人工智能大模型的人形机器人“大脑”，增强环境感知、行为控制、人机交互能力，开发控制人形机器人运动的“小脑”，搭建运动控制算法库，建立网络控制系统架构。 二是系统部署“机器肢”关键技术群，打造仿人机械臂、灵巧手和腿足，攻关“机器体”关键技术群，突破轻量化骨骼、高强度本体结构、高精度传感等技术。 三是构建完善人形机器人制造业技术创新体系，支持龙头企业牵头联合产学研用组成创新联合体，加快人形机器人与元宇宙、脑机接口等前沿技术融合，探索跨学科、跨领域的创新模式。 表1：工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》指出要攻克的关键技术 关键技术攻克 机器人“大脑”关键技术群 围绕动态开放环境下人形机器人感知与控制，突破感知-决策-控制一体化的端到端通用大模型、大规模数据集管理、云边端一体计算架构、多模态感知与环境建模等技术，提高人形机器人的人-机-环境共融交互能力，支撑全场景落地应用。 机器人“小脑”关键技术群 面向人形机器人复杂地形通过、全身协同精细作业等任务需求，开展高保真系统建模与仿真、多体动力学建模与在线行为控制、典型仿生运动行为表征、全身协同运 动自主学习等关键技术研究，提升人形机器人非结构化环境下全身协调鲁棒移动、灵巧操作及人机交互能力。 机器肢关键技术群 面向人形机器人高动态、高爆发和高精度等运动性能需求，研究人体力学特征及运动机理、人形机器人动力学模型及控制等基础理论，突破刚柔耦合仿生传动机构、高紧凑机器人四肢结构与灵巧手设计等关键技术，为人形机器人灵活运动夯实硬件基础。 机器体关键技术群 面向人形机器人本体高强度和高紧凑结构需求，研究人工智能驱动的骨架结构拓扑优化、高强度轻量化新材料、复杂身体结构增材制造、能源-结构-感知一体化设计以及恶劣环境防护等关键技术，打造具有高安全、高可靠、高环境适应性的人形机器人本体结构。 数据来源：工信部，东方证券研究所 目前，机器人的轻量化主要是从材料和结构这两个方面来实现。基于材料的轻量化，即使用新型小密度材料来搭建机器人，如德国宇航局的DLＲLWＲ系列机器人采用碳纤维材料来搭建主体。而基于结构轻量化的方法则是在原有结构材料的基础上，通过改变结构形状来实现轻量化，如Albert等对机器人胸部结构采用结构拓扑来实现轻量化。 两种方法均可达到轻量化的目标，但基于材料的方法，需采用新型材料，其成本高且加工难度大。与其相比基于结构优化的方法只需改变结构形状，其成本低且容易实现，因而基于结构的轻量化就成了机器人轻量化设计的主要方法。 结构优化方法分为尺寸优化，形状优化和拓扑优化这3种。 1.尺寸优化就是通过改变结构尺寸大小，实现结构优化目的； 2.形状优化就是以结构节点坐标为优化变量，达到优化结构形状和尺寸的目的； 3.拓扑优化是通过优化结构的开孔数量和位置等拓扑信息达