《人形機器人行業系列報告：結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器-240312（20頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《人形機器人行業系列報告：結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器-240312（20頁）.pdf（20頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。機器人專題 行業研究|深度報告 特斯拉特斯拉 Optimus Gen2 重量減輕重量減輕 10kg，人形機器人人形機器人輕量化輕量化是必然趨勢是必然趨勢。2023 年 12月 12 日，特斯拉發布了第二代人形機器人擎天柱 Optimus Gen2，重量減輕 10kg。輕量化發展有利于提升人形機器人的機動性、速度以及動作準確度和續航能力，是產業發展的必然趨勢。機器人的輕量化主要是從材料和結構這兩個方面來實現。機器人的輕量化主要是從材料和結構這兩個方面來實現

2、。但基于材料的方法，需采用新型材料，如鎂、鋁合金和碳纖維復材等，其成本高且加工難度大，同時材料輕量化也需和結構設計相互耦合。與其相比，基于結構優化的方法只需改變結構形狀，其成本低且容易實現，因而結構輕量化就成了機器人輕量化設計的主要方法。因而結構輕量化就成了機器人輕量化設計的主要方法。結構結構優化法在汽車軸承、優化法在汽車軸承、RV 減速器減速器、絲杠、絲杠以及機器人以及機器人等等領域都有成功應用案例，可領域都有成功應用案例，可在在性能不變性能不變或提升或提升的情況下大幅減輕的情況下大幅減輕質量質量。結構優化方法分為尺寸優化，形狀優化和拓撲優化 3 種。根據相關文獻，經過拓撲優化后的汽車 K5

3、7G0 后傳動軸質量可減輕 10%；經過拓撲優化后，RV減速器性能保持的情況下其主要部件質量有所減輕；經結構優化后，近滿載航天伺服反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 相較于具有同等應用載荷的國外 IPRSM，體積和重量減小約 30%，同時具有更高的傳動效率和傳動精度，綜合性能優異。此外，結構優化法此外，結構優化法在在機器人機器人機械上臂、六軸機器人、機器人大機械上臂、六軸機器人、機器人大腿等腿等領域亦有成功應用案例領域亦有成功應用案例。BaiYunfei 等人對機器人 SR-165 的上臂實施了拓撲優化，優化后的上臂比原始結構各項性能均有所提高，且質量輕 55.6。呂鑫等從材料和結構兩方面對六軸

4、機器人進行輕量化設計，成功將質量減輕 26.5%。王權等使用變密度法優化了 WABIAN-2R 機器人的大腿結構，在強度、剛度、固有頻率不變的情況下移除了 48.5%的材料。葛海波等用衍生式設計方法完全改變機器人腿部支架形狀，將機器人腿部支架減輕了超過 50%。我們認為結構輕量化我們認為結構輕量化的成功的成功經驗經驗或可或可復制到復制到人形機器人領域，人形機器人領域，主要是由于當前人形機器人產業處在早期階段，對應的設計方案在不斷地更新迭代，其中也包含對軸承、絲杠、減速器類產品的優化升級。以特斯拉人形機器人為例，其包含了 14 個旋轉執行器和 14 個線性執行器，即即 56 個軸承類產品（個軸承

5、類產品（14 個角接觸球軸承個角接觸球軸承+14 個交叉個交叉滾子軸承滾子軸承+14 個滾珠軸承個滾珠軸承+14 個四點接觸軸承）、個四點接觸軸承）、14 個行星滾柱絲杠和個行星滾柱絲杠和 14 個諧波減個諧波減速器，假設旋轉執行器和線性執行器相應的總質量減輕速器，假設旋轉執行器和線性執行器相應的總質量減輕 10%、20%、30%、40%、50%，則人形機器人單機可減輕，則人形機器人單機可減輕 3.8、7.7、11.5、15.3、19.1 千克。千克。機器人輕量化后可大幅提高運動的機動性和工作效率，進而改善操作速度和動作準確機器人輕量化后可大幅提高運動的機動性和工作效率，進而改善操作速度和動作

6、準確度，同時減輕運動慣性，提高機器人的本質安全性。度，同時減輕運動慣性，提高機器人的本質安全性。因此，輕量化后的人形機器人效率因此，輕量化后的人形機器人效率會更高，對控制或關節的要求可能會下降，所需的執行功能的難度也可能會降低，這有會更高，對控制或關節的要求可能會下降，所需的執行功能的難度也可能會降低，這有利于推動量產利于推動量產節點節點的提前和降低的提前和降低大規模大規模量產的門檻。量產的門檻。我們認為全球包括中國的優秀制造業企業積累了深厚的結構輕量化的成功經驗，或將之復制到人形機器人領域，建議關注產業鏈相關公司：1）絲杠和軸承：絲杠和軸承：五洲新春(603667，買入)、北特科技(6030

7、09，未評級)、恒立液壓(601100，未評級)、貝斯特(300580，未評級)、秦川機床(000837，未評級)、鼎智科技(873593，未評級)、禾川科技(688320，未評級)、新坐標(603040，未評級)、金沃股份(300984，未評級)等；2）減速器：減速器：綠的諧波(688017，未評級)、夏廈精密(001306，未評級)、中大力德(002896，未評級)、秦川機床(000837，未評級)、豐立智能(301368，未評級)、昊志機電(300503，未評級)、國茂股份(603915，未評級)、雙環傳動(002472，未評級)、豪能股份(603809，未評級)、精鍛科技(300258

8、，買入)、漢宇集團(300403，未評級)等。風險提示風險提示：人形機器人進展不及預期；輕量化進展不及預期；國產替代進程不及預期；行業競爭加??；假設條件變化影響測算結果。投資建議與投資標的 核心觀點 國家/地區 中國 行業 機械設備行業 報告發布日期 2024 年 03 月 12 日 王天一 021-63325888*6126 執業證書編號：S0860510120021 楊震 021-63325888*6090 執業證書編號：S0860520060002 香港證監會牌照：BSW113 丁昊 執業證書編號：S0860522080002 劉嘉倩 機械裝備助力新質生產力：新質生產力系列研究 2024

9、-03-09 上海爭取人形機器人國家制造業創新中心落地，英偉達機器人最新成果值得期待：機械行業周報 2024-02-24 靈巧手與傳感器，擬人化與智能化：人形機器人系列報告 2024-01-21 政策與產業趨勢共振，人形機器人產業化有望提速：機械行業周報 2024-01-06 精密減速器：國產替代有望提速，人形機器人旋轉傳動的重要紐帶：人形機器人系列報告 2023-12-20 復蘇可見，海外可期，新興可為：機械行業 2024 年度投資策略 2023-11-22 人形機器人：國內藍圖開啟，國產廠商有望突圍 2023-11-03 絲杠：核心傳動部件，人形機器人開啟成長空間：人形機器人系列報告 20

10、23-10-25 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 人形機器人系列報告 看好（維持）機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。2 目 錄 1.輕量化：結構優化.4 1.1 拓撲優化在汽車軸承和 RV 減速器領域的應用.6 1.2 拓撲優化在機器人領域的應用.8 1.3 反向式行星滾柱絲杠的結構輕量化應用.9 1.4 人形機器人中線性和旋轉執行器輕量化的測算分析.12 2.輕量化：材料優化.14 2.

11、1 鎂合金、鋁合金和碳纖維復材.14 2.2 機器人材料輕量化技術的發展方向.16 3.投資建議.17 4.風險提示.17 1WkUiXrZhUaXsR6MaO7NnPpPnPqMjMqQmPiNqRmPbRrQoOMYmQrPxNqQnR 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。3 圖表目錄 圖 1：特斯拉 Optimus Gen2 重量減輕 10kg.4 圖 2：尺寸優化、形狀優化和拓撲優化示意圖.5 圖 3：汽車

12、 K57G0 后傳動軸幾何模型圖.6 圖 4：RV 減速器中的行星架（左）和針齒殼（右）的拓撲優化.7 圖 5：拓撲優化后的行星架（左）和針齒殼（右）.8 圖 6：經拓撲優化等方法后，機器人 SR-165 的上臂質量減輕 55.6%.8 圖 7：經拓撲優化等方法后，機器人 IPR-1 減重 50.15%.9 圖 8：反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 結構示意圖.10 圖 9：重大裝備高集成度機電作動器 IEMA 結構示意圖.10 圖 10：最終設計的航天伺服反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 示意圖.11 圖 11：特斯拉人形機器人共 52 個自由度.12 圖 12：特斯拉人形機器人采用的旋轉和

13、線性執行器示意圖.13 表 1：工信部印發人形機器人創新發展指導意見指出要攻克的關鍵技術.4 表 2：幾類主要的拓撲優化方法比較.6 表 3：汽車 K57G0 后傳動軸拓撲優化前后的質量情況.7 表 4：常規反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 初始設定的結構參數.10 表 5：經近滿載設計優化后，航天伺服反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 的結構參數.11 表 6：短時高承載 IPRSM 和 RVI 275 IPRSM 性能指標對比.12 表 7：特斯拉人形機器人包含 56 個軸承類產品、14 個絲杠類產品和 14 個減速器類產品.13 表 8：不同情況下，第一代特斯拉人形機器人旋轉和線性執行器減

14、輕的質量/kg.13 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。4 1.輕量化：輕量化：結構結構優化優化 2023 年 12 月 12 日，特斯拉發布了第二代人形機器人擎天柱 Optimus Gen2。官方介紹文字中顯示，新增的技術特點包括：Tesla 設計的全新執行器和傳感器；2 自由度驅動的全新頸部；執行器集成電子元件和線束；步行速度提高 30%；腳力/扭矩感應，更類似人類；重量減輕重量減輕 10kg；11 自由度驅

15、動的全新手部。2022 年 10 月，特斯拉 CEO馬斯克啟動 2022 年 AI 日活動，人形機器人擎天柱 Optimus 原型機正式亮相。在當時，Optimus 身高約為 5 尺 8 寸，重量約為 125 磅，行走速度為每小時 5 英里，最多可提 45 磅的物品，并且頭部配有屏幕。圖 1：特斯拉 Optimus Gen2 重量減輕 10kg 數據來源：Tesla AI Day，東方證券研究所 骨架結構拓撲優化、高強度輕量化新材料是骨架結構拓撲優化、高強度輕量化新材料是我國我國人形機器人亟需攻克的機器體關鍵技術群人形機器人亟需攻克的機器體關鍵技術群之一之一。2023 年 11 月 2 日，工

16、信部印發人形機器人創新發展指導意見，明確指出：人形機器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進技術，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產品，將深刻變革人類生產生活方式，重塑全球產業發展格局。關鍵技術攻克：指導意見提出以大模型等人工智能技術突破為引領，在機器人已有成熟技術基礎上，重點在人形機器人“大腦”和“小腦”、“肢體”關鍵技術、技術創新體系等領域取得突破。一是開發基于人工智能大模型的人形機器人“大腦”，增強環境感知、行為控制、人機交互能力，開發控制人形機器人運動的“小腦”，搭建運動控制算法庫，建立網絡控制系統架構。二是系統部署“機器肢”關鍵技術群，打造仿人機械臂、靈巧手和腿足，攻

17、關“機器體”關鍵技術群，突破輕量化骨骼突破輕量化骨骼、高強度本體結構、高精度傳感等技術。三是構建完善人形機器人制造業技術創新體系，支持龍頭企業牽頭聯合產學研用組成創新聯合體，加快人形機器人與元宇宙、腦機接口等前沿技術融合，探索跨學科、跨領域的創新模式。表 1：工信部印發人形機器人創新發展指導意見指出要攻克的關鍵技術 關鍵技術攻克 機器人“大腦”關鍵技術群 圍繞動態開放環境下人形機器人感知與控制，突破感知-決策-控制一體化的端到端通用大模型、大規模數據集管理、云邊端一體計算架構、多模態感知與環境建模等技術，提高人形機器人的人-機-環境共融交互能力，支撐全場景落地應用。機器人“小腦”關鍵技術群 面

18、向人形機器人復雜地形通過、全身協同精細作業等任務需求，開展高保真系統建模與仿真、多體動力學建模與在線行為控制、典型仿生運動行為表征、全身協同運 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。5 動自主學習等關鍵技術研究，提升人形機器人非結構化環境下全身協調魯棒移動、靈巧操作及人機交互能力。機器肢關鍵技術群 面向人形機器人高動態、高爆發和高精度等運動性能需求，研究人體力學特征及運動機理、人形機器人動力學模型及控制等基礎理論，突

19、破剛柔耦合仿生傳動機構、高緊湊機器人四肢結構與靈巧手設計等關鍵技術，為人形機器人靈活運動夯實硬件基礎。機器體關鍵技術群 面向人形機器人本體高強度和高緊湊結構需求，研究人工智能驅動的骨架結構拓撲研究人工智能驅動的骨架結構拓撲優化、高強度輕量化新材料優化、高強度輕量化新材料、復雜身體結構增材制造、能源-結構-感知一體化設計以及惡劣環境防護等關鍵技術，打造具有高安全、高可靠、高環境適應性的人形機器人本體結構。數據來源：工信部，東方證券研究所 目前，機器人的輕量化主要是從材料和結構這兩個方面來實現。目前，機器人的輕量化主要是從材料和結構這兩個方面來實現?；诓牧系妮p量化，即使用新型小密度材料來搭建機器

20、人，如德國宇航局的 DL LW系列機器人采用碳纖維材料來搭建主體。而基于結構輕量化的方法則是在原有結構材料的基礎上，通過改變結構形狀來實現輕量化，如Albert 等對機器人胸部結構采用結構拓撲來實現輕量化。兩種方法均可達到輕量化的目標，但基于材料的方法，需采用新型材料，其成本高且加工難度大。與其相比基于結構優化的方法只需改變結構形狀，其成本低且容易實現，因而基于結構的輕量化因而基于結構的輕量化就成了機器人輕量化設計的主要方法。就成了機器人輕量化設計的主要方法。結構優化方法分為尺寸優化，形狀優化和拓撲優化這結構優化方法分為尺寸優化，形狀優化和拓撲優化這 3 種。種。1.尺寸優化就是通過改變結構尺

21、寸大小，實現結構優化目的；2.形狀優化就是以結構節點坐標為優化變量，達到優化結構形狀和尺寸的目的；3.拓撲優化是通過優化結構的開孔數量和位置等拓撲信息達到優化結構的目的。圖 2：尺寸優化、形狀優化和拓撲優化示意圖 數據來源：魏春梅等重載汽車傳動軸的拓撲優化與輕量化設計，東方證券研究所 在這三種方法中，拓撲優化不僅能夠完成相應結構的形狀和與尺寸優化，并且能夠改變結構材料的分布狀態，在節省材料的同時能夠使結構形狀與尺寸達到最優，其在建筑、機械、橋梁、航空等領域都有應用。由于拓撲優化方法具有自動收斂到最優材料分布的優點，有學者將該方法引入 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸

22、承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。6 重載機器人結構優化設計領域，表明其非常適合于機器人的結構優化設計。因此，運用拓撲優化因此，運用拓撲優化方法，進行機器人的結構優化設計，是解決當前輕量化機器人的一個重要手段。方法，進行機器人的結構優化設計，是解決當前輕量化機器人的一個重要手段。結構拓撲優化主要分為兩類：結構拓撲優化主要分為兩類：一類是離散結構的拓撲優化，用來確定并設計離散化的分析對象中各個獨立要素之間的連接形式、連接關系以及判斷要素的存在與否；第二類是連續體結構的拓撲優

23、化，大多數用來確定并設計均質連續體的空間構型，包括連接形式以及孔洞的形狀與位置等等。對于連續體拓撲優化的描述方法，比較常用的幾種方法有：變密度法，均勻化方法，水平集方法以及漸進結構優化法等。表 2：幾類主要的拓撲優化方法比較 類型類型 發展發展 優點優點 缺點缺點 均勻化法 最初的用于三維實體拓撲優化數學算法，總體上以單元的空間幾何形態作為設計變量，現幾乎被變密度法替代。理論清晰簡單，易于實現。靈敏度計算復雜，并且優化后的結構含有多孔質材料，不易制造。變密度法 由均勻化法發展而來，后來以SIMP以及RAMP作為典型數學模型，現成為被廣大拓撲軟件采用的計算方法。由于該數學模型簡單，可程序化程度高

24、，適用于大多數三維實體結構，是目前最為常用的拓撲優化計算的模型?；叶瓤臻g以及孔洞問題依賴過濾函數以及高次單元，收斂難度依賴人為懲罰因子的干預，拓撲邊界不明顯。漸進結構法 較為新型的算法之一，以刪除與保留單元作為特點，先慢慢融入其他算法的后續可操作處理中。具有刪除材料或者添加的雙向性，可以在沒有材料的設計空間內創建新的材料拓撲結構。依賴于網格的密集度以及劃分質量，拓撲邊界不清晰，對復雜結構難以收斂。水平集法 由處理圖像分割問題發展而來的一種算法，將結構的拓撲形態轉換為求高維函數的某個特殊水平面曲線的方法，正在發展中。理論發展程度高，相較其他法，可以得到最清晰的拓撲結構邊界信息。計算規模大分質量，

25、復雜結構難以收斂。數據來源：姚屏等結構拓撲優化方法及其機器人輕量化應用現狀及發展，東方證券研究所 1.1 拓撲優化在汽車軸承和 RV 減速器領域的應用 拓撲優化法在汽車拓撲優化法在汽車等等領域有所應用。領域有所應用。根據魏春梅等的重載汽車傳動軸的拓撲優化與輕量化設計，K57G0 傳動軸是一款用于重型汽車的傳動部件，主要由前傳動軸和后傳動軸兩部分組成。經過研究發現，此款傳動軸的后傳動軸存在較大優化空間，因此，主要針對后傳動軸進行輕量化設計。首先對后傳動軸的三維模型進行簡化，目的是提高有限元分析效率和可行性，簡化原則是在符合實際應用的前提下去掉一些質量不大或結構復雜的小零件，例如滾針、螺紋、墊片等

26、。圖 3：汽車 K57G0 后傳動軸幾何模型圖 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。7 數據來源：魏春梅等重載汽車傳動軸的拓撲優化與輕量化設計，東方證券研究所 后傳動軸主要由萬向節叉、凸緣叉、十字軸、花鍵、花鍵軸叉以及軸筒等六部分組成。經過研究后發現，此款傳動軸的凸緣叉、花鍵軸叉及萬向節叉偏重。因此，后傳動軸的輕量化設計主要針因此，后傳動軸的輕量化設計主要針對凸緣叉、花鍵軸叉及萬向節叉進行。對凸緣叉、花鍵軸叉及萬向

27、節叉進行。根據拓撲優化分析結果及前期大量實驗數據可知：凸緣叉的兩側壁及中心應力較小，材料相對較多，存在較大的優化空間；花鍵軸叉最大應力集中在軸頸處，齒部應力較小，可適當減少齒數和中空化軸身來減輕重量；萬向節叉最大應力集中在耳孔壁底部截面突變處，由于最大應力較小，可采取削減耳孔壁的材料及加大內孔中空化使其輕量化，可優化部位。表 3：汽車 K57G0 后傳動軸拓撲優化前后的質量情況 優化前質量優化前質量 kg 優化后質量優化后質量 kg 質量減輕質量減輕 kg 質量減輕比重質量減輕比重%凸緣叉 9.23 6.874 2.356 25.5%花鍵軸叉 19.16 16.43 2.73 14.2%萬向節

28、叉 10.304 9.512 0.792 7.7%后傳動軸總體后傳動軸總體-8.235 10%數據來源：魏春梅等重載汽車傳動軸的拓撲優化與輕量化設計東方證券研究所 根據王明楠等基于拓撲優化的 RV 減速器輕量化優化設計，行星架中心位置原始應力應變小的地方出現大量消融的區域，使得行星架的設計區域產生大量的掏空空間，大大降低材料的使用率。優化后的行星架保留部分為灰色部分，褐色部分為過渡區域，紅色為去除部分。同理，對于針齒殼，褐色為過渡區域，灰色為保留區域，針齒殼的材料去除即紅色部分的位置與針齒殼靜力學分析應力云圖位置應力較小的地方一致。圖 4：RV 減速器中的行星架（左）和針齒殼（右）的拓撲優化

29、機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。8 數據來源：王明楠等基于拓撲優化的 RV 減速器輕量化優化設計，東方證券研究所 根據王明楠等基于拓撲優化的 RV 減速器輕量化優化設計，通過靜力學分析得出優化后行星架與針齒殼最大應力值分別為 101.79 MPa、2.3913 MPa，相比于優化前應力有微小降低，使用拓撲優化在保證 RV 減速器性能基礎上使主要部件質量得到了減輕。圖 5：拓撲優化后的行星架（左）和針齒殼（右）數

30、據來源：王明楠等基于拓撲優化的 RV 減速器輕量化優化設計，東方證券研究所 1.2 拓撲優化在機器人領域的應用 除此之外，拓撲優化法也逐步應用于機器人領域。除此之外，拓撲優化法也逐步應用于機器人領域。根據李錦忠等的有限元和拓撲聯合優化方法及其在機器人結構輕量化設計中的應用，拓撲優化應用于機械體的結構分析都是先根據優化前零部件的受力約束等情況，將單個零部件脫離出整體對其施加約束和載荷再進行獨立拓撲分析的過程，這種方法在機器人結構優化中也很常見。如如 Albert Albers 等分別對人形機器人等分別對人形機器人 ARMARIII胸部和手腕等結構進行了多種載荷作用下的情況分析胸部和手腕等結構進行

31、了多種載荷作用下的情況分析并對其獨立施加相應載荷情況后采用結構拓并對其獨立施加相應載荷情況后采用結構拓撲來實現輕量化，使得整體重量大為減輕；撲來實現輕量化，使得整體重量大為減輕；BaiYunfei 等人在機器人等人在機器人 SR-165 上，先對機器人上上，先對機器人上臂進行了單獨受力分析，然后在對上臂施加等效約束載荷后用臂進行了單獨受力分析，然后在對上臂施加等效約束載荷后用 SIMP 法進行了上臂拓撲優化，優法進行了上臂拓撲優化，優化后的上臂比原始結構各項性能均有所提高，且質量輕化后的上臂比原始結構各項性能均有所提高，且質量輕 55.6。圖 6：經拓撲優化等方法后，機器人 SR-165 的上

32、臂質量減輕 55.6%機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。9 數據來源：BaiYunfei 等Structural Topology Optimizationfor a Robot Upper Arm Based on SIMP Method，東方證券研究所 根據李錦忠等的有限元和拓撲聯合優化方法及其在機器人結構輕量化設計中的應用，Dongsen Ye 采用有限元分析的方法找出每個部件材料最大應力遠小于許用應力的位

33、置，再對其獨立施加等效約束載荷，采用結構進化拓撲的方法對其進行結構輕量化優化，優化后的結構剛度和振動特性與之前相比均有所提高，質量卻減小了，實現了機器人的輕量化。圖 7：經拓撲優化等方法后，機器人 IPR-1 減重 50.15%數據來源：Dongsen Ye 等The Lightweight Design of the Humanoid Robot Frameworks Based on Evolutionary Structural Optimization，東方證券研究所 根據詹穗鑫基于點陣結構的仿人機器人下肢輕量化研究，呂鑫等從材料和結構兩方面對六軸機器人進行輕量化設計，成功將質量減輕

34、26.5%。王權等使用變密度法優化了 WABIAN-2R 機器人的大腿結構，在強度、剛度、固有頻率不變的情況下移除了 48.5%的材料。段軍濤等采用序列二次規劃法對機器人腿部結構重要尺寸進行優化，完成了仿人機器人腿部結構設計。葛海波等用衍生式設計方法完全改變機器人腿部支架形狀，將機器人腿部支架減輕了超過 50%。1.3 反向式行星滾柱絲杠的結構輕量化應用 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。10 根據吳貴成短時高承

35、載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，新一代高性能航天重大武器裝備的發展，促進了第三代新型反向式行星滾柱絲杠副（Inverted Planetary Roller Screw Mechanism，IPRSM）傳動技術的發展，使其已逐步替代第二代滾珠絲杠副成為航天航空領域重大裝備高集成度機電作動器（Integrative Electro-Mechanical Actuator,IEMA）的理想傳動部件。但目前但目前 IPRSM 仍按常規方法設計，存在體積重量大的問題，限制了其在對體積和重量敏感的航仍按常規方法設計，存在體積重量大的問題，限制了其在對體積和重量敏感的航天小型武器裝備上的應用。天小型武

36、器裝備上的應用。圖 8：反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 結構示意圖 圖 9：重大裝備高集成度機電作動器 IEMA 結構示意圖 數據來源：吳貴成短時高承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，東方證券研究所 數據來源：吳貴成短時高承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，東方證券研究所 因此，面向航天小型武器裝備對伺服傳動機構高承載輕量化的迫切需求，圍繞典型航天伺服機構短時高應力使用工況，以新型高性能 IPRSM 為對象，針對常規設計的 IPRSM 應用在航天小型武器裝備上存在的“冗余”問題，研究材料近屈服極限使用疲勞彈性失效行為與承載能力之間的關研究材料近屈服極限使用疲勞彈性失效行為與承載能力之間的

37、關系，并以其為核心提出短時高應力系，并以其為核心提出短時高應力 IPRSM 近滿載輕量化設計準則，近滿載輕量化設計準則，建立短時高承載 IPRSM 近滿載輕量化設計制造及評估與驗證方法，為實現航天伺服短時高應力傳動機構的高承載輕量化設計提供理論基礎和技術支撐。材料與結構設計相結合，材料與結構設計相結合，最大限度發揮材料的性能最大限度發揮材料的性能。首先作者吳貴成是從負載材料方面研究了典型航天伺服機構短時高應力工況下材料低周疲勞特性，建立了材料近限使用疲勞彈性失效壽命分散帶預測模型，給出材料近屈服極限使用低周疲勞彈性失效應力循環次數與應力之間的關系。而后作者吳貴成提出基于材料近限使用的短時高應力

38、 IPRSM 近滿載設計方法，從結構設計制造方從結構設計制造方面，研究面，研究 IPRSM 嚙合關系和螺紋牙載荷分布規律，建立短時高應力嚙合關系和螺紋牙載荷分布規律，建立短時高應力 IPRSM 近滿載強度設計準則近滿載強度設計準則和參數精確設計準則，給出近滿載設計流程和參數精確設計準則，給出近滿載設計流程；通過數值解算和干涉分析，完成設計算例，驗證短時高應力 IPRSM 近滿載設計方法的正確性和有效性。作者吳貴成以材料近限使用許用應力作為 IPRSM 零件最大工作應力進行設計的方法定義為近滿載設計，材料近限使用許用應力取值近屈服極限區間應力。近滿載設計核心是為了實現材料的近限使用，提高機構的承

39、載能力，而機構的承載能力又耦合零件結構參數精確設計及高精度制造等因素，因此，將近滿載設計分為近滿載強度設計和結構參數精確設計。因此，將近滿載設計分為近滿載強度設計和結構參數精確設計。表 4：常規反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 初始設定的結構參數 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。11 數量數量 螺距螺距 P/mm 螺紋頭數螺紋頭數mm 螺紋長度螺紋長度mm 嚙合點數嚙合點數 螺紋中徑螺紋中徑d/mm 牙型半角牙

40、型半角/滾柱 8 1.5 1 39 25 10 45 絲桿 1 1.5 3 39 25 30 45 螺母 1 1.5 3 220 25 50 45 數據來源：吳貴成短時高承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，東方證券研究所 根據短時高應力 IPRSM 近滿載設計方法得到的 IPRSM 滾柱、絲桿、螺母中徑分別為 7.5mm、22.5mm、37.5mm，而原有按照常規設計得到的 IPRSM 滾柱、絲桿、螺母中徑分別為 10mm、30mm、50mm。通過計算可知，根據短時高應力 IPRSM 近滿載設計方法得到的 IPRSM 相較于根據常規機械設計方法得到的 IPRSM 中徑減小中徑減小 25%，體

41、積減小約，體積減小約 43.8%。表明短時高應力。表明短時高應力IPRSM 近滿載設計方法能夠有效減小航天工況下近滿載設計方法能夠有效減小航天工況下 IPRSM 體積。體積。表 5：經近滿載設計優化后，航天伺服反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 的結構參數 數量數量 螺距螺距 P/mm 螺紋頭數螺紋頭數mm 螺紋長度螺紋長度mm 嚙合點數嚙合點數 螺紋中徑螺紋中徑d/mm 牙型半角牙型半角/滾柱 8 1.5 1 35 25 7.5 45 絲桿 1 1.5 3 36 25 22.5 45 螺母 1 1.5 3 220 25 37.5 45 數據來源：吳貴成短時高承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究

42、，東方證券研究所 圖 10：最終設計的航天伺服反向式行星滾柱絲杠副 IPRSM 示意圖 數據來源：吳貴成短時高承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，東方證券研究所 最后，作者吳貴成將近滿載 IPRSM 與 RVI 275 IPRSM 在尺寸、承載性能和傳動性能方面進行對比。其中 RVI 275 IPRSM 為技術水平國際先進的 ROLLVIS 公司生產的新型產品，其最大靜載荷與本文近滿載設計的 IPRSM 水平相當。與具有同等許用載荷的 RVI 275 型號 IPRSM 相比，近滿載 IPRSM 絲桿中徑為 22.5mm，小于 RVI 275 絲桿中徑 36mm；螺距為 1.5mm，小于RVI

43、 275 螺距4mm；正傳動效率91%、逆傳動效率89%，大于RVI 275 正傳動效率82%，逆傳動效率 77%；傳動精度均為 G5 級。上述結果表明，在航天伺服短時高應力工況下，近滿載上述結果表明，在航天伺服短時高應力工況下，近滿載 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。12 IPRSM 相較于具有同等應用載荷的國外相較于具有同等應用載荷的國外 IPRSM 具有體積和重量減小約具有體積和重量減小約 30%，同時，

44、具有更高的，同時，具有更高的傳動效率和傳動精度，綜合性能優異。傳動效率和傳動精度，綜合性能優異。表 6：短時高承載 IPRSM 和 RVI 275 IPRSM 性能指標對比 短時高承載短時高承載 IPRSM RVI 275 性能比較性能比較 絲桿中徑 mm 22.5 27 小 16.7%滾柱中徑 mm 7.5 9 小 16.7%螺母中徑 mm 37.5 54 小 16.7%導程 mm 4.5 5 相當 螺紋頭數 3 3 相當 許用載荷 kN 101 100 相當 正傳動效率 0.91 0.82 高 9%逆傳動效率 0.89 0.77 高 12%傳動精度 G5 G5 相當 數據來源：吳貴成短時高

45、承載反向式行星滾柱絲杠副關鍵技術研究，東方證券研究所 1.4 人形機器人中線性和旋轉執行器輕量化的測算分析 特斯拉人形機器人特斯拉人形機器人自由度：共自由度：共52個，手以外有個，手以外有 28個關節（軀干個關節（軀干2個、肩臂個、肩臂 14個、髖腿個、髖腿12個）、個）、靈巧手靈巧手 6 個主動關節（兩只個主動關節（兩只 22 個）個）、脖頸、脖頸 2 個自由度個自由度。身體。身體 28 個運動關節方案：分為旋轉和線個運動關節方案：分為旋轉和線性性 2 大類執行器，每類包括大類執行器，每類包括 3 種旋轉執行器和種旋轉執行器和 3 種線性執行器。種線性執行器。14個旋轉執行器：由電機+諧波減

46、速器+力矩傳感器+位置傳感器+交叉滾子軸承+向心止推滾珠軸承構成。14 個線性執行器：由電機+行星滾柱/梯形/滾珠絲杠+力矩傳感器+位置傳感器構成。圖 11：特斯拉人形機器人共 52 個自由度 數據來源：Tesla Al Day、東方證券研究所 旋轉執行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉的關節，線性執行器分布于膝肘等擺動角度不大的單自由度關節和腕踝兩個雙自由度但是體積緊湊的關節。擎天柱腿部的線性執行器主要分布負責支撐和承力的髖關節、膝關節及踝關節，具有前后擺動自由度，采用線性執行器驅動器關節的第一個優勢是空間利用率高，第二個優勢是線性執行器的螺桿傳動機構通過合理設計可以具備自鎖 機械設備行業深度

47、報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。13 能力；上肢的肘關節屈伸采用線性執行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力，讓擎天柱擁有強壯的二頭??；前臂的兩個線性執行器構成并聯關節主要目的是降低腕關節的尺寸。圖 12：特斯拉人形機器人采用的旋轉和線性執行器示意圖 數據來源：Tesla Al Day、東方證券研究所 結合前文對于絲杠、軸承、減速器的輕量化案例分析，我們認為通過優化結構去除冗余質量是具備可能性的。當前處在人形機器人產業早期階段

48、，對應的設計方案在不斷地更新迭代，其中也可能包含對絲杠、軸承、減速器等產品的結構和質量的優化升級。以特斯拉人形機器人為例，以特斯拉人形機器人為例，其包其包含了含了 14 個旋轉執行器和個旋轉執行器和 14 個線性執行器，即個線性執行器，即 56 個軸承類產品（個軸承類產品（14 個角接觸球軸承個角接觸球軸承+14 個交叉個交叉滾子軸承滾子軸承+14 個滾珠軸承個滾珠軸承+14 個四點接觸軸承）、個四點接觸軸承）、14 個行星滾柱絲杠和個行星滾柱絲杠和 14 個諧波減速器，個諧波減速器，假設假設旋轉執行器和旋轉執行器和線性線性執行器相應的總質量減輕執行器相應的總質量減輕 10%、20%、30%、

49、40%、50%，則人形機器人單機，則人形機器人單機可減輕可減輕 3.8、7.7、11.5、15.3、19.1千克千克。2023年 12月 12日，特斯拉發布了第二代人形機器人擎天柱 Optimus Gen2，重量減輕 10kg。由此比較可知，結構輕量化也可能是未來人形機器人輕量化的重要方向之一。表 7：特斯拉人形機器人包含 56 個軸承類產品、14 個絲杠類產品和 14 個減速器類產品 所屬執行器種類所屬執行器種類 產品產品 數量數量/個個 軸承 旋轉執行器 角接觸球軸承 14 軸承 旋轉執行器 交叉滾子軸承 14 軸承 線性執行器 滾珠軸承 14 軸承 線性執行器 四點接觸軸承 14 軸承類

50、合計軸承類合計 56 絲杠 線性執行器 行星滾柱絲杠 14 減速器 旋轉執行器 諧波減速器 14 數據來源：Tesla Al Day、東方證券研究所 表 8：不同情況下，第一代特斯拉人形機器人旋轉和線性執行器減輕的質量/kg 總質量總質量 質量減輕質量減輕 10%質量減輕質量減輕 20%質量減輕質量減輕 30%質量減輕質量減輕 40%質量減輕質量減輕 50%旋轉執行器 22.46 2.25 4.49 6.74 8.98 11.23 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投

51、資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。14 線性執行器 15.82 1.58 3.16 4.75 6.33 7.91 合計 38.28 3.8 7.7 11.5 15.3 19.1 數據來源：Tesla Al Day、東方證券研究所測算 2.輕量化：材料優化輕量化：材料優化 機器人輕量化材料的選擇需要滿足機器人的服役條件。在機器人本體自重中所占比例最大的是機器人本體結構材料，這些結構材料需要滿足以下的要求：1.強度高：強度高：在工業生產中機器人結構材料必須保證一定的強度，否則將會增加安全事故的產生并影響機器人的使用壽命。2.較大的彈性模量和彈性極限：較大的彈性模量和彈性極限：機

52、器人需要在服役過程中承受外力，因此需要具有抵抗彈性變形的能力，同時要盡可能的避免服役過程中的塑性變形，這是機器人精確控制的基礎。3.較大的震動阻尼：較大的震動阻尼：因為機器人部件啟動，制動的過程中會由于自身慣性，造成局部受力，并產生局部的震動，為了精確定位，穩定傳動，需要材料本體吸收這部分的震動阻尼。4.輕量化：輕量化：機器人材料的輕量化可以減少使用能耗，降低運動慣性從而降低部件受力，同時減少傳動部件的負擔。在特殊服役環境下，如航天領域，輕量化的結構能夠盡可能的為其他部件設計提供自重余量。傳統的工業機器人制造中，使用的最常見材料是各種合金鋼等，這些材料有著較高的強度以及較低廉的成本，在傳統的機

53、械設備中所占比重極高。鑄鐵、合金鋼常見于包裝、焊接、搬運等功用的機器人，在對于衛生有著較高要求的食品包裝、醫藥衛生等領域應用的機器人中，不銹鋼也有著較為廣泛的應用，如德國庫卡機器人有限公司（KUKA）的 KR15SL 型機器人等。鐵基材料的密度普遍較大，約為 7.845t/m3，碳鋼的密度更高，而不銹鋼的密度略低。因而大量使用不銹鋼材料，勢必會導致機器人本體質量增加。機器人本體材料的輕量化必須盡可能的用其他材料取代鋼鐵材料?？傮w來看，當前機器人常用的輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、碳纖維復合材料、工程塑料等，總體來看，當前機器人常用的輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、碳纖維復合材料、工程塑料等，這些

54、類型材料具有不同的屬性特點，在不同的領域中有著不同的適用性。這些類型材料具有不同的屬性特點，在不同的領域中有著不同的適用性。2.1 鎂合金、鋁合金和碳纖維復材 鎂合金鎂合金 鎂合金作為目前最輕的金屬結構材料，其密度不到鋼鐵的1/4，比強度遠高于鋼鐵材料。鎂合金作為輕質材料在航空航天等領域已經發揮了不可取代的作用，同樣應用于機器人領域，在提升機器人機動性、降低能耗等方面有著顯著優勢。鎂合金已經應用在了許多先進的機器人上，鎂合金已經應用在了許多先進的機器人上，如：日本本田株式會社（Honda）通過采用鎂合金材質制作機器人外殼的方法，極大降低了機器人的自重，并提高了機器人阿斯莫（ASIMO）的機動性

55、，使得其步行速度提高了 50%；瑞典阿西亞布朗勃法瑞公司（簡稱“ABB”）的 YuMi 機器人采用鎂合金雙臂，通過精確的抓取控制，真正意義上實現了人機協作。雖然鎂合金在機器人上得到了初步應用，但是鎂合金自身也有著不可忽視的缺點。由于現有牌號由于現有牌號鎂合金的強度和韌性無法與鋼鐵材料相比，實現輕量化的同時也制約了機器人的能力，鎂合金的強度和韌性無法與鋼鐵材料相比，實現輕量化的同時也制約了機器人的能力，如鎂合金手臂難以實現大抓取量，難以在工業，尤其是重工業、大型設備制造領域得到廣泛的應用。因此，在關鍵部件上，目前鎂合金還不能完全取代鋼鐵、鋁合金等材料。通過不斷優化鎂合金的 機械設備行業深度報告

56、結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。15 生產工藝，同時調配鎂合金中合金元素比例進行合金成分優化，提高鎂合金的整體性能，對于機器人行業的應用和發展都有著重要的意義。同時，通過結構優化，實現鎂合金在已有機器人系統中非受力部件的替代也是實現機器人輕量化的重要途徑之一。鋁鋁合金合金 鋁合金也是機器人制造中常用的輕量化材料之一，鋁合金比鎂合金的質量略重，但比起鋼鐵材料仍然有著巨大的輕量化優勢。鋁合金的密度約為鐵合金的1/3，比強度也遠高于鐵合金

57、，因此同樣在低強度的服役環境下。鋁合金在機器人領域已經有了非常廣泛的應用。鋁合金在機器人領域已經有了非常廣泛的應用。如：由德國 KUKA 開發的 LBRiiWA 人機協作機器人輕量化是通過采用鋁制材料的結構設計實現的；我國華南理工大學研制的一種具有梯度網狀結構的鋁合金壓鑄機械臂及其制造方法，在保證機械臂所需強度的前提下，減輕了機械臂本體的質量，提高了機械臂的機動性能，同時多孔結構的設計也避免了凝固過程中產生的鑄造缺陷，提高了機器人手臂的成品率。通過不同牌號鋁合金的復合，能夠同時利用不同牌號鋁合金性能上的優勢，達到整體的材料最優化。南京工程學院設計的人體感應機械臂、機械手套件，采用了鋁合金與鈦合

58、金做了機械手套用于感知人體手部動作，在制造、醫療、救災等領域有著廣泛的應用前景。除了在工業應用領域，鋁合金由于其低廉的價格，在教育類（如 Arduino）及服務類機器人方面都有著廣泛的應用。鋁合金在機器人應用上的缺陷與鎂合金類似，同樣要在其輕量化和強度之間取舍。鋁合金和鎂合同樣要在其輕量化和強度之間取舍。鋁合金和鎂合金的比強度低于鋼材，這意味著達到一定強度所需要的鋁金的比強度低于鋼材，這意味著達到一定強度所需要的鋁/鎂合金所需的體積要大于鋼材。因此采鎂合金所需的體積要大于鋼材。因此采用鋁用鋁/鎂合金需要對于機器人的結構和機械部件進行重新設計。鎂合金需要對于機器人的結構和機械部件進行重新設計。碳

59、纖維碳纖維復材復材 碳纖維是一種含碳量在 95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。碳纖維材料的強度遠高于鋼鐵，比強度甚至高達鋼鐵材料的 43 倍，其密度由于成分不同，只有鋼鐵材料的 1/61/4 之間。由于碳纖維復材所具有的這些優異的性質，其在機器人工業領域方面是近幾年的研究熱點。由于碳纖維復材所具有的這些優異的性質，其在機器人工業領域方面是近幾年的研究熱點。如：英國謝菲爾德大學先進制造研究中心的加工、復合材料和集成制造專家聯合制造出可重構碳纖維復合材料機器人機床，這種模塊化的碳纖維機器人機床可以由 2 個人輕松操作搬運和組裝，極大提高了生產效率；為了兼顧輕量化和安全性，2012 年美國仿生

60、控股有限公司（EksoBionic）推出的康健型的下肢外骨骼系統 Ekso 的關鍵部位采用了大量的鋁合金、鈦合金和碳纖維的復合材料；日本松下電器產業株式會社(Panasonic)在 2015 年 9 月推出的質量僅為 6kg 的可穿戴式機器人“AssistSuite”，其零部件主要采用了碳纖維復合材料，機器人用于輔助重物裝卸作業。北京郵電大學研制的一款新型機器人碳纖維臂桿，采用碳纖維降低了機器人手臂的自重，從而減少了震動、運動慣性、降低了能耗，同時實現了機器人手臂更加平穩的移動。由無錫威盛新材料科技有限公司(簡稱“RSN”)提供的相關產品數據證明，使用碳纖維復合材料制作的機械臂，能夠有著比起傳

61、統鋼鐵材料和鋁合金更加均勻的載荷分布，整體質量比鋁合金材質減輕了 30%，比鋼鐵材質輕了 70%，臂架重心因此而降低了 10%，振動減少了40%，精準度由 0.03mm 提升到 0.01mm，安全穩定性和工作效率都得到了有效提升。機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。16 目前我國碳纖維在機器人領域方面的應用處于一個高速增長的階段，隨著碳纖維國產化，碳纖維的價格下降更加推動了碳纖維機器人的發展。近些年，碳纖維機器人方

62、面專利申請的數量快速增長，反映出我國在碳纖維機器人領域飛速的進步。然而，碳纖維復合材料自身的物理和化學性質使得其難以在一些極端環境下服役。碳纖維復合材料自身的物理和化學性質使得其難以在一些極端環境下服役。如：雖然碳纖維材料的蠕變較少，但是其本身具有易燃的特性，這就使得其在高溫環境如消防等領域的應用受到限制。另外碳纖維復合材料雖然強度較高，但是其材料的各向異性以及容易撕裂的特性使得其另外碳纖維復合材料雖然強度較高，但是其材料的各向異性以及容易撕裂的特性使得其在制作部件的過程中需要進行復雜的在制作部件的過程中需要進行復雜的應力計算和設計。應力計算和設計。2.2 機器人材料輕量化技術的發展方向 材料

63、自身性能提升材料自身性能提升 不同的輕量化材料有著不同的物理化學性質，在不同環境下服役的機器人也有著不同應用，如：鎂合金機器人能夠廣泛適用于醫療、服務、精密制造、人機交互等生活及輕工業領域，但是由于其強度限制，難以勝任鑄造、焊接、大質量搬運等重工業環境下的服役。另外，鎂合金的塑性影響到了其加工性能。由于機器人普遍結構復雜，鎂合金較差的韌性提高了其作為機器人材料的成本。鋁合金同樣輕質，由于其低廉的價格，使其在生活生產領域有著更廣泛的應用。在模型、教育類機器人上，鋁合金是最佳選擇。但是鋁合金同樣具有塑性問題，同時鋁合金熱穩定性很差，在極端溫度的服役條件下容易發生蠕變，不適用在鑄造和消防等領域的應用

64、。碳纖維作為一種全新的高強度材料，其強度遠高于鋼鐵，而且作為一種柔性材料，具有很強的加工性，容易成型。碳纖維與其他材料的復合能夠使得其性能得到更加完善的發揮。碳纖維與高強度樹脂的復合能夠極大地增強樹脂材料的強度。碳纖維復合材料雖然其軸向抗拉強度極大，但是縱向容易撕裂，因此在設計部件的時候需要進行復雜的應力計算，同時碳纖維增強樹脂材料易燃，因此同樣不適用于高溫作業。雖然上述輕量化材料在機器人領域有著極大的應用前景，但是這些材料自身的性能限制了其在機器人領域的應用。因此，材料自身性能的提升對于機器人材料輕量化有著極其重要的意義。添加合金元素提升鎂合金材料的塑性，能夠降低其加工成本，通過施加鍍層和涂

65、層的方式對鎂合金進行阻燃，也能夠擴展其在各個領域上的應用。鋁合金材料也能夠通過不斷的成分優化，達到其強度、韌性、耐蝕性等性能的最佳組合，甚至獲得接近鋼鐵材料的力學性能。碳纖維材料可以通過尋找不同的復合體形成不同類型的復合材料，發揮其高強度的優勢?？梢哉f，目前材料仍然是制約機器人服役性能的重要因素，材料性能的不斷提升，是機器人性能可以說，目前材料仍然是制約機器人服役性能的重要因素，材料性能的不斷提升，是機器人性能獲得突破的關鍵。獲得突破的關鍵。材料輕量化和結構設計相互耦合材料輕量化和結構設計相互耦合 機器人輕量化技術的關鍵是材料輕量化和設計輕量化，兩者相輔相成，才能夠共同發揮輕量化機機器人輕量化

66、技術的關鍵是材料輕量化和設計輕量化，兩者相輔相成，才能夠共同發揮輕量化機器人的優勢。器人的優勢。進行結構優化，在低承載部位采用蜂窩或者中空結構減少材料的使用，或針對機器人的功能進行全新設計，去除冗余部件，均能夠有效降低機器人的自重。如：美國波士頓動力公司（BostonDynamics）為美國軍方研制的類人型機器人 Atlas，利用 3D打印技術，實現了在機械腿部部件上鋁鈦合金的中空結構，極大減輕了自重。不失強度的結構優化設計不僅能夠節省材料，降低自重，更能夠利用材料的尺寸效應（即材料缺 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后

67、部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。17 陷的總體數量按照其尺寸的減小而降低），降低材料缺陷數量，將輕量化材料的強度優勢盡可能發揮。多種輕量化材料一體化應用多種輕量化材料一體化應用 與新型輕量化材料開發同步，多種材料的復合，多材料的一體化應用也是機器人輕量化技術發展與新型輕量化材料開發同步，多種材料的復合，多材料的一體化應用也是機器人輕量化技術發展的大趨勢。的大趨勢。由于機器人結構復雜，所采用的部件有許多，不同的位置所需的材料也有著不同的要由于機器人結構復雜，所采用的部件有許多，不同的位置所需的材料也有著不同的要求。求。

68、機器人關節部位機器人關節部位普遍在高載荷、高磨損、大應力的環境下服役。這些部位的材料多采用力學性能較好的鋼鐵材料，如能夠開發出具有相似性能的輕量化材料滿足該環境下的服役性能，就能夠有效減少鋼鐵材料的應用，從而有效降低機器人的自重。另外，機器人的非承載部件機器人的非承載部件，如一些人形機器人的頸部，就可以采用強度低一些的輕量化材料。因此在機器人制造之前進行精細的計算，根據各個部件的不同力學性能需求，盡可能在滿足服役環境的條件下進行輕量化的選材。3.投資建議投資建議 機器人輕量化后可大幅提高運動的機動性和工作效率，進而改善操作速度和動作準確度，同時減機器人輕量化后可大幅提高運動的機動性和工作效率，

69、進而改善操作速度和動作準確度，同時減輕運動慣性，提高機器人的本質安全性。因此，輕量化后的人形機器人效率會更高，對控制或關輕運動慣性，提高機器人的本質安全性。因此，輕量化后的人形機器人效率會更高，對控制或關節的要求可能會下降，所需的執行功能的難度也可能會降低，這有利于推動量產節點的提前和降節的要求可能會下降，所需的執行功能的難度也可能會降低，這有利于推動量產節點的提前和降低大規模量產的門檻。低大規模量產的門檻。我們認為全球包括中國的優秀制造業企業積累了深厚的結構輕量化的成功經驗，或將之復制到人形機器人領域，建議關注產業鏈相關公司：1）絲杠和軸承：）絲杠和軸承：五洲新春(603667，買入)、北特

70、科技(603009，未評級)、恒立液壓(601100，未評級)、貝斯特(300580，未評級)、秦川機床(000837，未評級)、鼎智科技(873593，未評級)、禾川科技(688320，未評級)、新坐標(603040，未評級)、金沃股份(300984，未評級)等；2）減速器：）減速器：綠的諧波(688017，未評級)、夏廈精密(001306，未評級)、中大力德(002896，未評級)、秦川機床(000837，未評級)、豐立智能(301368，未評級)、昊志機電(300503，未評級)、國茂股份(603915，未評級)、雙環傳動(002472，未評級)、豪能股份(603809，未評級)、精鍛科

71、技(300258，買入)、漢宇集團(300403，未評級)等。4.風險提示風險提示 人形機器人進展不及預期：人形機器人進展不及預期：人形機器人目前還處于初期階段，技術路線等尚未完全確定，發展進程可能不及市場預期；輕量化輕量化進展進展不及預期：不及預期：人形機器人是軟硬件結合的產品，在不斷迭代升級中，輕量化的優化進展可能不及市場預期；國產替代進程不及預期：國產替代進程不及預期：目前國內相關廠商的技術與國外頭部廠商相比仍有較大差距，若技術突破進展不及預期，將影響到國產替代進程；行業競爭加?。盒袠I競爭加?。喊殡S人形機器人放量以及行業降本趨勢下，新參與者可能會增加，產品價格可能會有所下降，行業競爭可能

72、會有所加劇。假設條件變化影響測算結果：假設條件變化影響測算結果：文中測算基于設定的前提假設基礎之上，若相關假設的數量、減輕 機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本證券研究報告最后一頁的免責申明。18 比例、重量等發生改變，存在假設條件發生變化導致結果產生偏差的風險。機械設備行業深度報告 結構輕量化經驗或可復制至人形機器人的軸承、絲杠和減速器 有關分析師的申明，見本報告最后部分。其他重要信息披露見分析師申明之后部分，或請與您的投資代表聯系。并請閱讀本

73、證券研究報告最后一頁的免責申明。19 分析師申明 每位負責撰寫本研究報告全部或部分內容的研究分析師在此作以下聲明：每位負責撰寫本研究報告全部或部分內容的研究分析師在此作以下聲明：分析師在本報告中對所提及的證券或發行人發表的任何建議和觀點均準確地反映了其個人對該證券或發行人的看法和判斷；分析師薪酬的任何組成部分無論是在過去、現在及將來，均與其在本研究報告中所表述的具體建議或觀點無任何直接或間接的關系。投資評級和相關定義 報告發布日后的 12個月內行業或公司的漲跌幅相對同期相關證券市場代表性指數的漲跌幅為基準（A 股市場基準為滬深 300 指數，香港市場基準為恒生指數，美國市場基準為標普 500

74、指數）；公司投資評級的量化標準公司投資評級的量化標準 買入：相對強于市場基準指數收益率 15%以上；增持：相對強于市場基準指數收益率 5%15%；中性：相對于市場基準指數收益率在-5%+5%之間波動；減持：相對弱于市場基準指數收益率在-5%以下。未評級 由于在報告發出之時該股票不在本公司研究覆蓋范圍內，分析師基于當時對該股票的研究狀況，未給予投資評級相關信息。暫停評級 根據監管制度及本公司相關規定，研究報告發布之時該投資對象可能與本公司存在潛在的利益沖突情形；亦或是研究報告發布當時該股票的價值和價格分析存在重大不確定性，缺乏足夠的研究依據支持分析師給出明確投資評級；分析師在上述情況下暫停對該股

75、票給予投資評級等信息，投資者需要注意在此報告發布之前曾給予該股票的投資評級、盈利預測及目標價格等信息不再有效。行業投資評級的量化標準行業投資評級的量化標準：看好：相對強于市場基準指數收益率 5%以上；中性：相對于市場基準指數收益率在-5%+5%之間波動；看淡：相對于市場基準指數收益率在-5%以下。未評級：由于在報告發出之時該行業不在本公司研究覆蓋范圍內，分析師基于當時對該行業的研究狀況，未給予投資評級等相關信息。暫停評級：由于研究報告發布當時該行業的投資價值分析存在重大不確定性，缺乏足夠的研究依據支持分析師給出明確行業投資評級；分析師在上述情況下暫停對該行業給予投資評級信息，投資者需要注意在此

76、報告發布之前曾給予該行業的投資評級信息不再有效。免責聲明 本證券研究報告（以下簡稱“本報告”）由東方證券股份有限公司（以下簡稱“本公司”）制作及發布。本公司不會因接收人收到本報告而視其為本公司的當然客戶。本報告的全體接收人應當采取必要措施防止本報告被轉發給他人。本報告是基于本公司認為可靠的且目前已公開的信息撰寫，本公司力求但不保證該信息的準確性和完整性，客戶也不應該認為該信息是準確和完整的。同時，本公司不保證文中觀點或陳述不會發生任何變更，在不同時期，本公司可發出與本報告所載資料、意見及推測不一致的證券研究報告。本公司會適時更新我們的研究，但可能會因某些規定而無法做到。除了一些定期出版的證券研

77、究報告之外，絕大多數證券研究報告是在分析師認為適當的時候不定期地發布。在任何情況下，本報告中的信息或所表述的意見并不構成對任何人的投資建議，也沒有考慮到個別客戶特殊的投資目標、財務狀況或需求?？蛻魬紤]本報告中的任何意見或建議是否符合其特定狀況，若有必要應尋求專家意見。本報告所載的資料、工具、意見及推測只提供給客戶作參考之用，并非作為或被視為出售或購買證券或其他投資標的的邀請或向人作出邀請。本報告中提及的投資價格和價值以及這些投資帶來的收入可能會波動。過去的表現并不代表未來的表現，未來的回報也無法保證，投資者可能會損失本金。外匯匯率波動有可能對某些投資的價值或價格或來自這一投資的收入產生不良影

78、響。那些涉及期貨、期權及其它衍生工具的交易，因其包括重大的市場風險，因此并不適合所有投資者。在任何情況下，本公司不對任何人因使用本報告中的任何內容所引致的任何損失負任何責任，投資者自主作出投資決策并自行承擔投資風險，任何形式的分享證券投資收益或者分擔證券投資損失的書面或口頭承諾均為無效。本報告主要以電子版形式分發，間或也會輔以印刷品形式分發，所有報告版權均歸本公司所有。未經本公司事先書面協議授權，任何機構或個人不得以任何形式復制、轉發或公開傳播本報告的全部或部分內容。不得將報告內容作為訴訟、仲裁、傳媒所引用之證明或依據，不得用于營利或用于未經允許的其它用途。經本公司事先書面協議授權刊載或轉發的

79、，被授權機構承擔相關刊載或者轉發責任。不得對本報告進行任何有悖原意的引用、刪節和修改。提示客戶及公眾投資者慎重使用未經授權刊載或者轉發的本公司證券研究報告，慎重使用公眾媒體刊載的證券研究報告。HeadertTable_Address東方證券研究所 地址：上海市中山南路 318 號東方國際金融廣場 26 樓 電話：傳真：021-63325888 021-63326786 東方證券股份有限公司經相關主管機關核準具備證券投資咨詢業務資格，據此開展發布證券研究報告業務。東方證券股份有限公司及其關聯機構在法律許可的范圍內正在或將要與本研究報告所分析的企業發展業務關系。因此，投資者應當考慮到本公司可能存在對報告的客觀性產生影響的利益沖突，不應視本證券研究報告為作出投資決策的唯一因素。