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人形机器人行业专题报告：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。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。

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%。

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。