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

——人形机器人系列报告 核心观点 ⚫特斯拉Optimus Gen2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Optimus Gen2，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。 王天一021-63325888*6126wangtianyi@orientsec.com.cn执业证书编号：S0860510120021杨震021-63325888*6090yangzhen@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 ⚫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%。 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。 机械装备助力新质生产力：——新质生产力系列研究2024-03-09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2024-02-24灵巧手与传感器，拟人化与智能化：——人形机器人系列报告2024-01-21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2024-01-06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：——机械行业2024年度投资策略2023-11-22人形机器人：国内蓝图开启，国产厂商有望突围2023-11-03丝杠：核心传动部件，人形机器人开启成长空间：——人形机器人系列报告2023-10-25 投资建议与投资标的 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，未评级)、恒立液压(601100，未评级)、贝斯特(300580，未评级)、秦川机床(000837，未评级)、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。 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..............................................................61.2拓扑优化在机器人领域的应用......................................................................................81.3反向式行星滚柱丝杠的结构轻量化应用........................................................................91.4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....................................................................................142.2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Optimus Gen2重量减轻10kg.................................................................................4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RVI 27×5 IPRSM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/kg.........................13 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Optimus Gen2。官