【东方证券】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.pdf

2024-03-12

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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。

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。

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 DLＲ LWＲ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到优化结构的目的。

在这三种方法中，拓扑优化不仅能够完成相应结构的形状和与尺寸优化，并且能够改变结构材料的分布状态，在节省材料的同时能够使结构形状与尺寸达到最优，其在建筑、机械、桥梁、航空等领域都有应用。由于拓扑优化方法具有自动收敛到最优材料分布的优点，有学者将该方法引入重载机器人结构优化设计领域，表明其非常适合于机器人的结构优化设计。因此，运用拓扑优化方法，进行机器人的结构优化设计，是解决当前轻量化机器人的一个重要手段。结构拓扑优化主要分为两类：一类是离散结构的拓扑优化，用来确定并设计离散化的分析对象中各个独立要素之间的连接形式、连接关系以及判断要素的存在与否；第二类是连续体结构的拓扑优化，大多数用来确定并设计均质连续体的空间构型，包括连接形式以及孔洞的形状与位置等等。对于连续体拓扑优化的描述方法，比较常用的几种方法有：变密度法，均匀化方法，水平集方法以及渐进结构优化法等。

1.1 拓扑优化在汽车轴承和 RV 减速器领域的应用

拓扑优化法在汽车等领域有所应用。根据魏春梅等的《重载汽车传动轴的拓扑优化与轻量化设计》，K57G0 传动轴是一款用于重型汽车的传动部件，主要由前传动轴和后传动轴两部分组成。经过研究发现，此款传动轴的后传动轴存在较大优化空间，因此，主要针对后传动轴进行轻量化设计。首先对后传动轴的三维模型进行简化，目的是提高有限元分析效率和可行性，简化原则是在符合实际应用的前提下去掉一些质量不大或结构复杂的小零件，例如滚针、螺纹、垫片等。

后传动轴主要由万向节叉、凸缘叉、十字轴、花键、花键轴叉以及轴筒等六部分组成。经过研究后发现，此款传动轴的凸缘叉、花键轴叉及万向节叉偏重。因此，后传动轴的轻量化设计主要针对凸缘叉、花键轴叉及万向节叉进行。根据拓扑优化分析结果及前期大量实验数据可知：凸缘叉的两侧壁及中心应力较小，材料相对较多，存在较大的优化空间；花键轴叉最大应力集中在轴颈处，齿部应力较小，可适当减少齿数和中空化轴身来减轻重量；万向节叉最大应力集中在耳孔壁底部截面突变处，由于最大应力较小，可采取削减耳孔壁的材料及加大内孔中空化使其轻量化，可优化部位。

根据王明楠等《基于拓扑优化的 RV 减速器轻量化优化设计》，行星架中心位置原始应力应变小的地方出现大量消融的区域，使得行星架的设计区域产生大量的掏空空间，大大降低材料的使用率。优化后的行星架保留部分为灰色部分，褐色部分为过渡区域，红色为去除部分。同理，对于针齿壳，褐色为过渡区域，灰色为保留区域，针齿壳的材料去除即红色部分的位置与针齿壳静力学分析应力云图位置应力较小的地方一致。

根据王明楠等《基于拓扑优化的 RV 减速器轻量化优化设计》，通过静力学分析得出优化后行星架与针齿壳最大应力值分别为 101.79 MPa、2.3913 MPa，相比于优化前应力有微小降低，使用拓扑优化在保证 RV 减速器性能基础上使主要部件质量得到了减轻。

1.2 拓扑优化在机器人领域的应用

除此之外，拓扑优化法也逐步应用于机器人领域。根据李锦忠等的《有限元和拓扑联合优化方法及其在机器人结构轻量化设计中的应用》，拓扑优化应用于机械体的结构分析都是先根据优化前零部件的受力约束等情况，将单个零部件脱离出整体对其施加约束和载荷再进行独立拓扑分析的过程，这种方法在机器人结构优化中也很常见。如 Albert Albers 等分别对人形机器人 ARMARIII 胸部和手腕等结构进行了多种载荷作用下的情况分析并对其独立施加相应载荷情况后采用结构拓扑来实现轻量化，使得整体重量大为减轻；BaiYunfei 等人在机器人 SR-165 上，先对机器人上臂进行了单独受力分析，然后在对上臂施加等效约束载荷后用 SIMP 法进行了上臂拓扑优化，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％。

根据李锦忠等的《有限元和拓扑联合优化方法及其在机器人结构轻量化设计中的应用》， Dongsen Ye 采用有限元分析的方法找出每个部件材料最大应力远小于许用应力的位置，再对其独立施加等效约束载荷，采用结构进化拓扑的方法对其进行结构轻量化优化，优化后的结构刚度和振动特性与之前相比均有所提高，质量却减小了，实现了机器人的轻量化。

根据詹穗鑫《基于点阵结构的仿人机器人下肢轻量化研究》，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。段军涛等采用序列二次规划法对机器人腿部结构重要尺寸进行优化，完成了仿人机器人腿部结构设计。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%。

1.3 反向式行星滚柱丝杠的结构轻量化应用

根据吴贵成《短时高承载反向式行星滚柱丝杠副关键技术研究》，新一代高性能航天重大武器装备的发展，促进了第三代新型反向式行星滚柱丝杠副（ Inverted Planetary Roller Screw Mechanism，IPRSM）传动技术的发展，使其已逐步替代第二代滚珠丝杠副成为航天航空领域重大装备高集成度机电作动器（Integrative Electro-Mechanical Actuator,IEMA）的理想传动部件。但目前 IPRSM 仍按常规方法设计，存在体积重量大的问题，限制了其在对体积和重量敏感的航天小型武器装备上的应用。

因此，面向航天小型武器装备对伺服传动机构高承载轻量化的迫切需求，围绕典型航天伺服机构短时高应力使用工况，以新型高性能 IPRSM 为对象，针对常规设计的 IPRSM 应用在航天小型武器装备上存在的“冗余”问题，研究材料近屈服极限使用疲劳弹性失效行为与承载能力之间的关系，并以其为核心提出短时高应力 IPRSM 近满载轻量化设计准则，建立短时高承载 IPRSM 近满载轻量化设计制造及评估与验证方法，为实现航天伺服短时高应力传动机构的高承载轻量化设计提供理论基础和技术支撑。材料与结构设计相结合，最大限度发挥材料的性能。首先作者吴贵成是从负载材料方面研究了典型航天伺服机构短时高应力工况下材料低周疲劳特性，建立了材料近限使用疲劳弹性失效寿命分散带预测模型，给出材料近屈服极限使用低周疲劳弹性失效应力循环次数与应力之间的关系。而后作者吴贵成提出基于材料近限使用的短时高应力 IPRSM 近满载设计方法，从结构设计制造方面，研究 IPRSM 啮合关系和螺纹牙载荷分布规律，建立短时高应力 IPRSM 近满载强度设计准则和参数精确设计准则，给出近满载设计流程；通过数值解算和干涉分析，完成设计算例，验证短时高应力 IPRSM 近满载设计方法的正确性和有效性。作者吴贵成以材料近限使用许用应力作为 IPRSM 零件最大工作应力进行设计的方法定义为近满载设计，材料近限使用许用应力取值近屈服极限区间应力。近满载设计核心是为了实现材料的近限使用，提高机构的承载能力，而机构的承载能力又耦合零件结构参数精确设计及高精度制造等因素，因此，将近满载设计分为近满载强度设计和结构参数精确设计。

根据短时高应力 IPRSM 近满载设计方法得到的 IPRSM 滚柱、丝杆、螺母中径分别为 7.5mm、 22.5mm、37.5mm，而原有按照常规设计得到的 IPRSM 滚柱、丝杆、螺母中径分别为 10mm、 30mm、50mm。通过计算可知，根据短时高应力 IPRSM 近满载设计方法得到的 IPRSM 相较于根据常规机械设计方法得到的 IPRSM 中径减小 25%，体积减小约 43.8%。表明短时高应力 IPRSM 近满载设计方法能够有效减小航天工况下 IPRSM 体积。

最后，作者吴贵成将近满载 IPRSM 与 RVI 27×5 IPRSM 在尺寸、承载性能和传动性能方面进行对比。其中 RVI 27×5 IPRSM 为技术水平国际先进的 ROLLVIS 公司生产的新型产品，其最大静载荷与本文近满载设计的 IPRSM 水平相当。与具有同等许用载荷的 RVI 27×5 型号 IPRSM 相比，近满载 IPRSM 丝杆中径为 22.5mm，小于 RVI 27×5 丝杆中径 36mm；螺距为 1.5mm，小于RVI 27×5 螺距4mm；正传动效率91%、逆传动效率89%，大于RVI 27×5 正传动效率82%，逆传动效率 77%；传动精度均为 G5 级。上述结果表明，在航天伺服短时高应力工况下，近满载IPRSM 相较于具有同等应用载荷的国外 IPRSM 具有体积和重量减小约 30%，同时，具有更高的传动效率和传动精度，综合性能优异。

1.4 人形机器人中线性和旋转执行器轻量化的测算分析

特斯拉人形机器人自由度：共 52 个，手以外有 28 个关节（躯干 2 个、肩臂 14 个、髋腿 12 个）、灵巧手 6 个主动关节（两只 22 个）、脖颈 2 个自由度。身体 28 个运动关节方案：分为旋转和线性 2 大类执行器，每类包括 3 种旋转执行器和 3 种线性执行器。 14个旋转执行器：由电机+谐波减速器+力矩传感器+位置传感器+交叉滚子轴承+向心止推滚珠轴承构成。 14 个线性执行器：由电机+行星滚柱/梯形/滚珠丝杠+力矩传感器+位置传感器构成。

旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，线性执行器分布于膝肘等摆动角度不大的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。擎天柱腿部的线性执行器主要分布负责支撑和承力的髋关节、膝关节及踝关节，具有前后摆动自由度，采用线性执行器驱动器关节的第一个优势是空间利用率高，第二个优势是线性执行器的螺杆传动机构通过合理设计可以具备自锁能力；上肢的肘关节屈伸采用线性执行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力，让擎天柱拥有强壮的二头肌；前臂的两个线性执行器构成并联关节主要目的是降低腕关节的尺寸。

结合前文对于丝杠、轴承、减速器的轻量化案例分析，我们认为通过优化结构去除冗余质量是具备可能性的。当前处在人形机器人产业早期阶段，对应的设计方案在不断地更新迭代，其中也可能包含对丝杠、轴承、减速器等产品的结构和质量的优化升级。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。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。由此比较可知，结构轻量化也可能是未来人形机器人轻量化的重要方向之一。

2.轻量化：材料优化

机器人轻量化材料的选择需要满足机器人的服役条件。在机器人本体自重中所占比例最大的是机器人本体结构材料，这些结构材料需要满足以下的要求： 1. 强度高：在工业生产中机器人结构材料必须保证一定的强度，否则将会增加安全事故的产生并影响机器人的使用寿命。 2. 较大的弹性模量和弹性极限：机器人需要在服役过程中承受外力，因此需要具有抵抗弹性变形的能力，同时要尽可能的避免服役过程中的塑性变形，这是机器人精确控制的基础。 3. 较大的震动阻尼：因为机器人部件启动，制动的过程中会由于自身惯性，造成局部受力，并产生局部的震动，为了精确定位，稳定传动，需要材料本体吸收这部分的震动阻尼。 4. 轻量化：机器人材料的轻量化可以减少使用能耗，降低运动惯性从而降低部件受力，同时减少传动部件的负担。在特殊服役环境下，如航天领域，轻量化的结构能够尽可能的为其他部件设计提供自重余量。

传统的工业机器人制造中，使用的最常见材料是各种合金钢等，这些材料有着较高的强度以及较低廉的成本，在传统的机械设备中所占比重极高。铸铁、合金钢常见于包装、焊接、搬运等功用的机器人，在对于卫生有着较高要求的食品包装、医药卫生等领域应用的机器人中，不锈钢也有着较为广泛的应用，如德国库卡机器人有限公司（KUKA）的 KR15SL 型机器人等。铁基材料的密度普遍较大，约为 7.845t/m3，碳钢的密度更高，而不锈钢的密度略低。因而大量使用不锈钢材料，势必会导致机器人本体质量增加。机器人本体材料的轻量化必须尽可能的用其他材料取代钢铁材料。总体来看，当前机器人常用的轻量化材料包括镁合金、铝合金、碳纤维复合材料、工程塑料等，这些类型材料具有不同的属性特点，在不同的领域中有着不同的适用性。

2.1 镁合金、铝合金和碳纤维复材

镁合金

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，其密度不到钢铁的1/4，比强度远高于钢铁材料。镁合金作为轻质材料在航空航天等领域已经发挥了不可取代的作用，同样应用于机器人领域，在提升机器人机动性、降低能耗等方面有着显著优势。镁合金已经应用在了许多先进的机器人上，如：日本本田株式会社（Honda）通过采用镁合金材质制作机器人外壳的方法，极大降低了机器人的自重，并提高了机器人阿斯莫（ASIMO）的机动性，使得其步行速度提高了 50%；瑞典阿西亚布朗勃法瑞公司（简称“ABB”）的 YuMi 机器人采用镁合金双臂，通过精确的抓取控制，真正意义上实现了人机协作。虽然镁合金在机器人上得到了初步应用，但是镁合金自身也有着不可忽视的缺点。由于现有牌号镁合金的强度和韧性无法与钢铁材料相比，实现轻量化的同时也制约了机器人的能力，如镁合金手臂难以实现大抓取量，难以在工业，尤其是重工业、大型设备制造领域得到广泛的应用。因此，在关键部件上，目前镁合金还不能完全取代钢铁、铝合金等材料。通过不断优化镁合金的生产工艺，同时调配镁合金中合金元素比例进行合金成分优化，提高镁合金的整体性能，对于机器人行业的应用和发展都有着重要的意义。同时，通过结构优化，实现镁合金在已有机器人系统中非受力部件的替代也是实现机器人轻量化的重要途径之一。

铝合金

铝合金也是机器人制造中常用的轻量化材料之一，铝合金比镁合金的质量略重，但比起钢铁材料仍然有着巨大的轻量化优势。铝合金的密度约为铁合金的1/3，比强度也远高于铁合金，因此同样在低强度的服役环境下。铝合金在机器人领域已经有了非常广泛的应用。如：由德国 KUKA 开发的 LBRiiWA 人机协作机器人轻量化是通过采用铝制材料的结构设计实现的；我国华南理工大学研制的一种具有梯度网状结构的铝合金压铸机械臂及其制造方法，在保证机械臂所需强度的前提下，减轻了机械臂本体的质量，提高了机械臂的机动性能，同时多孔结构的设计也避免了凝固过程中产生的铸造缺陷，提高了机器人手臂的成品率。通过不同牌号铝合金的复合，能够同时利用不同牌号铝合金性能上的优势，达到整体的材料最优化。南京工程学院设计的人体感应机械臂、机械手套件，采用了铝合金与钛合金做了机械手套用于感知人体手部动作，在制造、医疗、救灾等领域有着广泛的应用前景。除了在工业应用领域，铝合金由于其低廉的价格，在教育类（如 Arduino）及服务类机器人方面都有着广泛的应用。铝合金在机器人应用上的缺陷与镁合金类似，同样要在其轻量化和强度之间取舍。铝合金和镁合金的比强度低于钢材，这意味着达到一定强度所需要的铝/镁合金所需的体积要大于钢材。因此采用铝/镁合金需要对于机器人的结构和机械部件进行重新设计。

碳纤维复材

碳纤维是一种含碳量在 95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维材料的强度远高于钢铁，比强度甚至高达钢铁材料的 43 倍，其密度由于成分不同，只有钢铁材料的 1/6～1/4 之间。由于碳纤维复材所具有的这些优异的性质，其在机器人工业领域方面是近几年的研究热点。如：

英国谢菲尔德大学先进制造研究中心的加工、复合材料和集成制造专家联合制造出可重构碳纤维复合材料机器人机床，这种模块化的碳纤维机器人机床可以由 2 个人轻松操作搬运和组装，极大提高了生产效率；

为了兼顾轻量化和安全性，2012 年美国仿生控股有限公司（EksoBionic）推出的康健型的下肢外骨骼系统 Ekso 的关键部位采用了大量的铝合金、钛合金和碳纤维的复合材料；

日本松下电器产业株式会社(Panasonic)在 2015 年 9 月推出的质量仅为 6kg 的可穿戴式机器人“AssistSuite”，其零部件主要采用了碳纤维复合材料，机器人用于辅助重物装卸作业。

北京邮电大学研制的一款新型机器人碳纤维臂杆，采用碳纤维降低了机器人手臂的自重，从而减少了震动、运动惯性、降低了能耗，同时实现了机器人手臂更加平稳的移动。

由无锡威盛新材料科技有限公司(简称“RSN”)提供的相关产品数据证明，使用碳纤维复合材料制作的机械臂，能够有着比起传统钢铁材料和铝合金更加均匀的载荷分布，整体质量比铝合金材质减轻了 30%，比钢铁材质轻了 70%，臂架重心因此而降低了 10%，振动减少了 40%，精准度由 0.03mm 提升到 0.01mm，安全稳定性和工作效率都得到了有效提升。

目前我国碳纤维在机器人领域方面的应用处于一个高速增长的阶段，随着碳纤维国产化，碳纤维的价格下降更加推动了碳纤维机器人的发展。近些年，碳纤维机器人方面专利申请的数量快速增长，反映出我国在碳纤维机器人领域飞速的进步。然而，碳纤维复合材料自身的物理和化学性质使得其难以在一些极端环境下服役。如：虽然碳纤维材料的蠕变较少，但是其本身具有易燃的特性，这就使得其在高温环境如消防等领域的应用受到限制。另外碳纤维复合材料虽然强度较高，但是其材料的各向异性以及容易撕裂的特性使得其在制作部件的过程中需要进行复杂的应力计算和设计。

2.2 机器人材料轻量化技术的发展方向

材料自身性能提升不同的轻量化材料有着不同的物理化学性质，在不同环境下服役的机器人也有着不同应用，如：

镁合金机器人能够广泛适用于医疗、服务、精密制造、人机交互等生活及轻工业领域，但是由于其强度限制，难以胜任铸造、焊接、大质量搬运等重工业环境下的服役。另外，镁合金的塑性影响到了其加工性能。由于机器人普遍结构复杂，镁合金较差的韧性提高了其作为机器人材料的成本。

铝合金同样轻质，由于其低廉的价格，使其在生活生产领域有着更广泛的应用。在模型、教育类机器人上，铝合金是最佳选择。但是铝合金同样具有塑性问题，同时铝合金热稳定性很差，在极端温度的服役条件下容易发生蠕变，不适用在铸造和消防等领域的应用。

碳纤维作为一种全新的高强度材料，其强度远高于钢铁，而且作为一种柔性材料，具有很强的加工性，容易成型。碳纤维与其他材料的复合能够使得其性能得到更加完善的发挥。碳纤维与高强度树脂的复合能够极大地增强树脂材料的强度。碳纤维复合材料虽然其轴向抗拉强度极大，但是纵向容易撕裂，因此在设计部件的时候需要进行复杂的应力计算，同时碳纤维增强树脂材料易燃，因此同样不适用于高温作业。

虽然上述轻量化材料在机器人领域有着极大的应用前景，但是这些材料自身的性能限制了其在机器人领域的应用。因此，材料自身性能的提升对于机器人材料轻量化有着极其重要的意义。添加合金元素提升镁合金材料的塑性，能够降低其加工成本，通过施加镀层和涂层的方式对镁合金进行阻燃，也能够扩展其在各个领域上的应用。铝合金材料也能够通过不断的成分优化，达到其强度、韧性、耐蚀性等性能的最佳组合，甚至获得接近钢铁材料的力学性能。碳纤维材料可以通过寻找不同的复合体形成不同类型的复合材料，发挥其高强度的优势。可以说，目前材料仍然是制约机器人服役性能的重要因素，材料性能的不断提升，是机器人性能获得突破的关键。

材料轻量化和结构设计相互耦合

机器人轻量化技术的关键是材料轻量化和设计轻量化，两者相辅相成，才能够共同发挥轻量化机器人的优势。进行结构优化，在低承载部位采用蜂窝或者中空结构减少材料的使用，或针对机器人的功能进行全新设计，去除冗余部件，均能够有效降低机器人的自重。如：

美国波士顿动力公司（BostonDynamics）为美国军方研制的类人型机器人 Atlas，利用 3D 打印技术，实现了在机械腿部部件上铝钛合金的中空结构，极大减轻了自重。不失强度的结构优化设计不仅能够节省材料，降低自重，更能够利用材料的尺寸效应（即材料缺陷的总体数量按照其尺寸的减小而降低），降低材料缺陷数量，将轻量化材料的强度优势尽可能发挥。

多种轻量化材料一体化应用

与新型轻量化材料开发同步，多种材料的复合，多材料的一体化应用也是机器人轻量化技术发展的大趋势。由于机器人结构复杂，所采用的部件有许多，不同的位置所需的材料也有着不同的要求。

机器人关节部位普遍在高载荷、高磨损、大应力的环境下服役。这些部位的材料多采用力学性能较好的钢铁材料，如能够开发出具有相似性能的轻量化材料满足该环境下的服役性能，就能够有效减少钢铁材料的应用，从而有效降低机器人的自重。

另外，机器人的非承载部件，如一些人形机器人的颈部，就可以采用强度低一些的轻量化材料。因此在机器人制造之前进行精细的计算，根据各个部件的不同力学性能需求，尽可能在满足服役环境的条件下进行轻量化的选材。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）