轻量化是人形机器人商业化前期前夕的进修课。轻量化可以解决当前人形机器人行业的几大痛点—续航、散热、 零部件性能不达标、灵活度不足等： 提高续航：通过减少重力势能&转动惯性实现静态&动态功耗降低，进而提升续航； 零部件要求降低：减重可以减少轴承、连接件的称重与摩擦，电机功率需求降低等； 提升灵活度：降低零部件惯性，控制更加灵活，进而提升通用性； 易于搬运：当前机器人需要两位成年男性搬运，减重后可单人搬运，易于推广。
轻量化：产业趋势确定，多家主机厂正发力
轻量化产业趋势确定，当前主流主机厂正在发力。特斯拉于AI Day 2022发布Optimus首个原型机，身高1.72 米，体重73kg，而2023年12月特斯拉发布第二代人形机器人，在增加颈部两个自由度及迭代为11自由度灵巧 手外，全身质量由73kg减少为63kg，实现行走速度提高30%。此外，在北京亦庄半程马拉松暨人形机器人半程 马拉松赛事中，青心Orca I 、行者二号、天工Ultra等均进行轻量化设计，减少跑步时冲击力并提升续航。
结构轻量化：参数优化—最简单、直接的轻量化方式
参数优化是最简单和直接的轻量化方式。参数优化是通过改变人形机器人的尺寸、零部件的布局、零部件及材 料的厚度等方式对结构的直接优化。例如通过加强某些连接件的刚性实现对“冗余”零部件的减少。同时，类 似人的不同关节，针对所有关节，根据承力与运动性能的需求进行定制化选型，达到“最适配”状态。
结构轻量化：拓扑优化—材料删减的进一步细化
拓扑优化是对材料删减的进一步细化的举措。拓扑优化是用于在给定的设计空间内，通过优化材料分布，以达 到在满足特定性能要求的同时，最大化结构性能或最小化材料用量的目标，目前已广泛应用于工程机械、航空 航天、汽车制造、建筑等领域。根据《短时高承载反向式行星滚柱丝杠副关键技术研究》，通过拓扑优化， 航天伺服反向式行星滚柱丝杠副IPRSM中径减少25%，体积减小约44%，同时具有更高的传动效率和传动 精度。
当前人形机器人轻量化仍处于早期阶段，同时大部分本体厂商均为初创公司，相关人才配置紧缺，我们预计随 产业进步加速，更多拓扑优化后的人形机器人零部件将逐步涌现。
结构轻量化：集成化—他山之石，化繁为简
参考新能源车，集成化趋势确定。与新能源车类似，人形机器人可在关节模组、结构件等领域进行集成化设计， 实现结构复用降本、小型化、轻量化。关节模组集成化：将伺服驱动器、电机、减速器、编码器等关键核心零部件集成为一体化关节模组，能够减少 连接件的使用同时节省空间，并且在大规模应用下易于更换，但需要关节厂商具备整体研发能力，研发难度较 大、周期较长。 结构件集成化&一体化：主要涉及一体化压铸技术，在汽车领域已颇为成熟，通过减少零件数量、简化生产工 序，实现车身减重与成本降低。人形机器人中结构件虽不及汽车复杂，但一体化压铸将部分零部件集成化& 一体化可一定程度减重并提升结构强度。
镁合金：低密度金属，已在汽车轻量化中成熟应用
镁合金是优质的轻质合金。镁金属具备：1）比铝高的比强度；2）良好的延展性；3）良好的热销散性、减震性 及机械加工性；4）振动阻尼特性好；5）抗电磁干扰能力强；6）完全可回收和充足的可用性。 镁铝合金已在汽车轻量化中成熟应用。以奥迪A8为例，自1993年应用全铝车身框架结构（ASF）技术，将铝、 钢、镁和碳纤维增强复合材料结合，显著减轻车身重量，同时其减振器支座横撑采用镁制材料，完善了轻量化 结构设计。
镁合金：经济性凸显，渗透率有望提升
镁价处于低位，经济性凸显。根据星源卓镁招股说明书，当镁合金与铝合金价格比等于1.29时，生产相同产品 所耗用的原材料及加工成本基本一致，镁铝价格比在1.2-1.3时镁具备更高性价比，足以取代铝合金并大规模应 用于工业生产，截至5月镁铝价格比仅0.87，性价比显著，镁合金的使用不仅能够实现轻量化，还可以实现降本。
镁合金：在工业&人形机器人进行初步尝试
埃斯顿镁合金工业机器人亮相，人形机器人应用可期。宝武镁业和埃斯顿机器人联合推出镁合金工业机器人新 品“ER4-550-MI”，其轻量化设计相较于铝合金版本减轻自重11%，因此该款机器人不仅提升了5%的节拍速 度，还在减震、电磁屏蔽和散热方面有所提升，增强了机器人运行的稳定性。此外，在能耗方面，采用镁合金 的机器人能耗降低了10%（仅通过盖板、底座、控制臂等壳体部件轻量化）。在人形机器人应用中，由于人形 可移动性及结构部件数量较多，镁合金应用的能耗降幅有望更多，在骨骼、外壳等部件应用可期。
PEEK：工程塑料金字塔的皇冠
PEEK材料位于工程塑料金字塔的顶端，性能优异。PEEK属于特种工程塑料的一种，最早由英国帝国化学公司 于1978年开发，具有机械特性好、耐热等级高、耐腐蚀、同时具备注塑成型、挤出成型和切削加工等优异的加 工特性等特点，在交通运输、航空航天、电子信息、能源及工业、医疗健康等多个领域得到广泛应用。 对比其他塑料材料，PEEK性能全面，刚性优于绝大多数特种工程塑料的同时兼具韧性，在耐热、耐腐蚀方面均 表现优异，是全球性能最好的热塑性材料之一。 对比金属，PEEK性能全面占优，比强度大，绝缘能力强，耐化学性优异，是“以塑代钢”的优选材料；
PEEK：原材料是成本的核心来源，核心是氟酮
PEEK的核心原材料为DFBP。聚醚醚酮(PEEK)材料产业上游原材料主要为DFBP（二氟二苯甲酮，简称氟 酮），DFBP作为聚醚醚酮(PEEK)材料的关键原材料，按照一般化学反应原理及行业生产经验计算，每生产 1吨PEEK需要消耗0.8吨DFBP单体;中游包括PEEK颗粒、PEEK粉末、PEEK增强颗粒等PEEK材料制造。
当前PEEK生产中原材料占比高，其中氟酮为主要成本来源。根据中研股份招股书，直接材料成本占比约70%， 而氟酮约占PEEK粗粉成本的50%。2024年PEEK纯树脂价格约在30万元/吨，氟酮价格约12万元/吨，价格水平 较高。
氟酮的主要应用于生产PEEK，原料易得，但工艺&产能为铸就较高壁垒。氟酮最大的应用场景即生产PEEK， 2024年占比超90%，上游产业链主要包括氟苯、对氟甲苯、苯胺、氢氟酸、氟化氢、四氯化碳、亚硝酸钠等化 合物的原材料以及中间体，原材料易得性高且价格较低。而在合成氟酮的过程中，由于会产生大量中间产物且 不稳定，对技术路线选择及工艺控制要求较高，同时关键步骤氟化反应需要在高温、高压或强酸性等苛刻的条 件下进行，对生产设备要求较高且易燃易爆、产生大量废水废气，安全把控&准入条件苛刻。
尼龙：柔韧性优异且兼具刚性的工程塑料
PA6（尼龙6）具有优异的抗冲击性和柔韧性，适用于需要 一定弹性的部件。PA6表面质量良好，加工性能优越，且 在特定条件下展现出更佳的尺寸稳定性。PA66具有更高的 熔点，从而提供卓越的耐热性，这对于暴露在高温环境下 的部件至关重要。其更高的刚性和强度使其更适用于对机 械稳定性要求较高的结构性组件。
尼龙66作为性能更为优越的尼龙品种，虽然前期受制于己 二腈的进口依赖，价格相对较高，但随着我国企业开始推 进己二腈国产化，尼龙66的价格已经有所下行，下游应用 也进一步扩展。
尼龙：行业需求成熟稳定，PA66终端主要应用于汽车&电子
我国已成为尼龙6主要消费国，行业需求整体成熟稳定。2019-2023年我国尼龙6表观消费量从317.66万吨增长 至434.91万吨，CAGR达到8.17%。而2022年我国尼龙66表观消费量达到54.4万吨，2018-2022年CAGR为 1.77%。
中国尼龙6主要应用于民用消费品领域，尼龙66主要应用于工业制造领域。2022年尼龙6下游主要有锦纶纤维、 工程塑料、薄膜等领域，分别占比70%、17%、8%，其中主要用于地毯制造，以及与其他材料混纺用于袜子、 伞布生产等。 PA66主要下游为汽车制造（汽车发动机、电器、车体，高铁车体，大型船舶的涡轮、螺旋桨轴、 螺旋推进器、滑动轴承等部件）、电子电器等。民用领域因PA66相较于PA6价格较高、国内尼龙66行业供给有 限而发展缓慢，仅应用于高端瑜伽服、速干服、弹力锦纶外衣、冲锋衣等。
人形机器人轻量化：关节模组是减重的核心
人形机器人整机重量分布中，关节模组占比较大。当前通用人形机器人关节模组（以旋转模组为例）约1~2kg， 约占全身重量40%左右，结构件（如轴承、连杆等）约占全身重量30%，外壳占比约10%，其他（如电池、传 感器、控制器等）占比20%。其中，关节模组中以减速器重量占比最大（600g左右，占比45%），电机其次 （500g，占比35%左右），外壳仅约10%（用于关节模组尾部保护驱动器等）。
刚轮是谐波减速器减重的核心。按照重量分布拆分，谐波的重量来源主要是刚轮和柔轮，其中柔轮需要同时具 备高强度和良好的弹性（高弹性模量），PEEK等工程塑料难以胜任，仍需使用钢材，而刚轮对于刚性&强度& 耐磨度&热稳定性要求较高，对于弹性要求较低，可通过使用PEEK等工程塑料进行减重并提升强度。
电机以塑代钢可一定程度减重，但主要为刚性&绝缘。无框电机的主要重量来源是定子和转子，其中转子一般 由永磁体、基座组成，定子一般由硅钢片、线圈、基座，其中除基座外均需要电磁性能，无法被塑料替代，而 基座重量占比小，且主要作用为保持部件位置，强度需求一般，且目前使用PPS等工程塑料方案成熟，有一定 减重效果，但主要为刚度&绝缘。
壳体及结构件：需求是刚性&韧性，性能要求相对较低
壳体及结构件需要刚性&韧性共同提供支撑及保护，但相对核心传动部件来说，性能要求较低。外部壳体及结 构件约占人形机器人总重量的10~20%，其性能要求主要为较高的强度与抗冲击性（保护内部元件而非壳体本 身）、耐腐蚀性、电磁屏蔽性，目前主要应用铝合金。后续来看，如延续金属方案，镁合金性能更优且性价比 突出、加工工艺成熟，短期内推广可行性大；若采用塑料方案，因其性能要求并不苛刻，尼龙（PA）以其低密 度、高耐磨性及抗冲击性、柔韧性、耐腐蚀性、高强度（使用PA66或玻纤改性等）等性能能够较好胜任，目前 1X Technologies的Neo Gamma即采用编织尼龙材质作为外壳，在减重的同时还可以降低与人接触时的伤害 风险，在人形机器人打开2C端市场时有望大规模应用。
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