【行业研究报告】机械设备-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

⚫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
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。
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