人形机器人作为一个大的赛道，公众号也前前后后写了40多篇各模块及代表公司的分析对比文章，今天一起跟大家分享人形机器人轻量化及减重方面的看法和思考。如有对人形机器人相关产业链的公司感兴趣可以查看我的公众号主页下栏文章列表或直接点击最近几篇的文章链接参考如下：
第四十五篇：揭秘：人形机器人核心部件之国内外头部空心杯电机参数大比拼
第四十九篇：揭秘人形机器人大模型-通用性及商业化问题终结者
本篇文章目录为如下6个方面：
一、人形机器人为什么要考虑轻量化和减重问题
二、人形机器人现有的外骨骼及各主要零部件主流方案材料探究
三、人形机器人本体及主要零部件的轻量化减重可行性方案和实现路径会是什么样的？
四、关于当前关于人形机器人减重的几种热门材料简析
五、如何看待3D打印在人形机器人轻量化减重的作用
六、主要轻量化相关的标的公司
人形机器人在2024年继续成为AI人工智能走向场景落地的最重要载体，特别是英伟达在GTC上针对机器人发布的整体解决方案为人形机器人又添了一把火。然而，人形机器人在续航和商业化落地方面重要的一环就是如何实现轻量化和减重。本文将从五个方面对人形机器人结构轻量化及本体减重进行探讨。
一、人形机器人为什么要考虑轻量化和减重问题
整体来说人形机器人的轻量化和减重对于提升其运动性能、延长续航时间降低能耗、增强灵活性和可操作性具有重要意义，简单来说主要体现在如下几个方面。
1、提高运动性能：轻量化的人形机器人具有更高的运动性能，可以更快地完成各种动作，提高工作效率。
2、 延长续航时间：减轻重量有助于降低机器人在运动过程中的惯性力，减少对驱动系统的负担，从而减轻身体重量可以降低能耗，从而延长机器人的续航时间，提高其工作效率。
3、减少对地面的压力：轻量化的人形机器人对地面的压力更小，有利于保护地面，避免对环境造成破坏。
4、便于携带和运输：轻量化的机器人更便于携带和运输，有利于机器人的推广和应用。
5、提高安全性能：轻量化的人形机器人在发生碰撞时，对人体的伤害更小，有利于保障人身安全。
二、人形机器人现有的外骨骼及各主要零部件主流方案材料探究
目前，人形机器人的主要材料整天来看包括金属合金、塑料、陶瓷和复合材料等。金属合金因其高强度和良好的加工性能而被广泛应用于机器人的骨骼和关节部分。塑料则因其轻质和成本低廉而被用于外壳和非承重结构。陶瓷材料因其高硬度和耐磨性而被用于关节轴承和切割工具。复合材料，如碳纤维和玻璃纤维增强塑料，因其轻质、高强度和良好的抗疲劳性能而被用于机器人的外骨骼和关键结构件。
1、外骨骼材料：目前，人形机器人的外骨骼主要采用高强度合金钢、铝合金、非金属工程复合材料碳纤维、PEEK等。
2、 机电执行器材料：作为机器人整体价值量最高和最为核心的硬件部件，目前机电执行器是主流的路线，核心部件包括以碳钢材质为主的精密结构件及轴承部件，以及以铜基材、铝基材为主的电动零部件等。
3、 传感器材料：传感器用于获取机器人各部位的运动状态，目前主要采用应变片、硅基电路板、激光等传感器。
4、 控制系统材料：控制系统是机器人的大脑，目前主要采用硅基电路板微处理器、FPGA、DSP等控制芯片。
三、人形机器人本体及主要零部件的轻量化减重可行性方案和实现路径会是什么样的？
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，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（数据来源：魏春梅等《重载汽车传动轴的拓扑优化与轻量化设计》）。
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。
当然除了结构和材料优化外，通过制造工艺、模块化设计和电池系统的性能优化也能间接到达轻量化和减重的目的。
1、 结构优化：通过采用拓扑优化、形状优化等方法，对机器人结构进行优化，减轻重量。
2、 材料选择：选用轻质、高强度、高刚度的材料，如碳纤维复合材料、铝镁合金、PEEK材料、复合陶瓷材料、工程塑料等。
3、 制造工艺：采用先进的制造工艺，如3D打印、激光焊接等，提高材料利用率，减轻重量。
4、 模块化设计：将机器人各部件模块化设计，便于更换和升级，实现轻量化。
5、 电源系统：优化能源管理系统，采用能量密度更高的电池产品，提高能源利用率和降低重量。
四、关于当前关于人形机器人减重的几种热门材料简析
随着人形机器人不断升温和随着AI赋能其潜在的应用场景越来越广泛，轻量化材料的研究和应用成为了机器人领域的一个重要方向。结合在工作中接触到和机器人方案交流中理解的一些信息，针对几款有代表性的轻量化和可用于减重的材料如碳纤维、PEEK材料、铝镁合金、一体压铸式不锈钢、聚酰胺、改性尼龙这几种材料进行对比探讨，看看机器人的减重空间谁更有性价比。
1、碳纤维
碳纤维是一种轻质、高强度、高刚度的材料，具有出色的耐腐蚀性和热稳定性。它的密度约为1.5-2.0 g/cm³，比强度和比模量都很高，分别是钢的5倍和3倍。
碳纤维作为一种优质的材料，潜在可以用在机器人的骨架支架、关节连杆和外壳覆盖件等
1）骨架和支架：碳纤维的高强度和高刚度使其非常适合作为机器人骨架和支架的材料，提供必要的结构支撑。
2）关节和连杆：碳纤维轻质的特点可以减少关节和连杆的重量，提高机器人的灵活性和能耗效率。
3）外壳和覆盖件：碳纤维的美观和耐腐蚀性使其适合用作机器人外壳和覆盖件，提供保护同时保持轻量化。
当然我们可以通过对其优缺点进一步加深了解：
优点：
1）轻质：碳纤维的密度低，可以显著减轻机器人的重量。
2）高强度和高刚度：碳纤维具有出色的力学性能，可以提供足够的支撑力和刚度。
3）耐腐蚀性：碳纤维具有很好的耐腐蚀性，适用于各种环境。
缺点：
1）成本高：碳纤维的制造成本较高，限制了其在大规模应用中的使用。
2）脆性：碳纤维在受到冲击或过载时容易发生断裂。
2、PEEK材料
PEEK学名叫聚醚醚酮，是一种高性能的热塑性塑料，具有出色的机械性能、耐热性和耐化学性。PEEK的密度约为1.3 g/cm³，市场价在120-240元/kg，比强度和比模量较高，当然如果说一定要用在机器人上可以在如下3块可以考虑使用：
1）齿轮和传动部件：PEEK材料的高强度和耐化学性使其适合用于制造齿轮和其他传动部件，即使在高速和高负载下也能保持性能。
2）电子设备外壳：PEEK的耐热性和电绝缘性使其成为机器人外壳的理想选择，保护内部电子元件。
3）关节轴承：PEEK的自润滑性和耐磨损性使其适用于制造关节轴承，减少摩擦和磨损。
当然PEEK材料的优缺点也很明显：
优点：
1） 轻质：PEEK材料的密度较低，可以减轻机器人的重量。
2） 高强度和高刚度：PEEK具有出色的力学性能，可以提供足够的支撑力和刚度。
3） 耐热性和耐化学性：PEEK具有很好的耐热性和耐化学性，适用于高温和腐蚀环境。
缺点：
1） 成本高：PEEK材料的成本较高，限制了其在大规模应用中的使用。
2） 脆性：PEEK在受到冲击或过载时容易发生断裂。
3、铝镁合金
铝镁合金是一种轻质、高强度、高刚度的金属材料，具有优良的耐腐蚀性和可加工性。铝镁合金的密度约为1.8 g/cm³，比强度和比模量较高，在机器人上的应用可以用在如下2个部位：
1）结构框架：铝镁合金的轻质和高强度使其适合用作机器人结构框架，提供整体支撑。
2）执行器外壳：铝镁合金的导热性和可加工性使其适合用于制造执行器外壳，帮助散热并保持重量轻。
铝镁合金的优缺点总结如下：
优点：
1） 轻质：铝镁合金的密度较低，可以减轻机器人的重量。
2） 高强度和高刚度：铝镁合金具有出色的力学性能，可以提供足够的支撑力和刚度。
3） 耐腐蚀性：铝镁合金具有很好的耐腐蚀性，适用于各种环境。
缺点：
1） 弹性模量较低：铝镁合金的弹性模量相对较低，可能导致在某些应用中产生较大的变形。
4、一体压铸式不锈钢
一体压铸式不锈钢是一种高强度、高刚度的金属材料，具有出色的耐腐蚀性和可加工性。不锈钢的密度约为7.9 g/cm³，比强度和比模量较高。一体压铸式不锈钢这块如果用在机器人上主要集中在2个位置：
1）连接件和支架：不锈钢的高强度和耐腐蚀性使其适合用于制造连接件和支架，保证结构的稳定性和耐久性。
2）负载支撑结构：在需要承受高负载的部位，如脚部或手部，不锈钢可以提供必要的强度。
当然他的优缺点也非常明显：
优点：
1） 高强度和高刚度：一体压铸式不锈钢具有出色的力学性能，可以提供足够的支撑力和刚度。
2） 耐腐蚀性：不锈钢具有很好的耐腐蚀性，适用于各种环境。
缺点：
1） 重量较大：不锈钢的密度较高，相比其他轻量化材料，机器人的重量会增加。
2） 成本较高：不锈钢材料的成本较高，限制了其在大规模应用中的使用。
5、聚酰胺和改性尼龙
聚酰胺和改性尼龙是一种轻质、高强度、高刚度的热塑性塑料，具有优良的耐磨性和耐化学性。聚酰胺和改性尼龙的密度约为1.1-1.2 g/cm³，比强度和比模量较高。如果用在机器人上潜在的位置主要体现在：
1）缓冲和减震部件：这些材料的韧性和耐磨性使其适合用于制造缓冲和减震部件，如脚垫或防撞装置。
2）线缆保护套：聚酰胺和改性尼龙可以用于制造线缆保护套，保护内部线缆免受磨损和损坏。
聚酰胺和改性尼龙的优缺点主要体现在：
优点：
1. 轻质：聚酰胺和改性尼龙的密度较低，可以减轻机器人的重量。
2. 高强度和高刚度：聚酰胺和改性尼龙具有出色的力学性能，可以提供足够的支撑力和刚度。
3. 耐磨性和耐化学性：聚酰胺和改性尼龙具有很好的耐磨性和耐化学性，适用于各种环境。
缺点：
1. 脆性：聚酰胺和改性尼龙在受到冲击或过载时容易发生断裂。
五、如何看待3D打印在人形机器人轻量化应用
3D打印作为增材制造，其技术在人形机器人轻量化减重中扮演着越来越重要的角色。通过3D打印，可以实现复杂结构的一体化制造，减少零件数量和连接件，从而降低整体重量。此外，3D打印支持按需制造，可以根据设计要求精确控制材料分布，实现材料的最优利用。其减重作用可以整体理解为如下5个方面：
1. 定制化设计：3D打印可根据需求定制形状，实现轻量化设计。
2. 材料利用率高：3D打印可实现材料的高效利用，降低成本。
3. 一体化制造：3D打印可实现机器人零部件的一体化制造，提高性能。
4. 缩短研发周期：3D打印可快速制造原型，缩短研发周期。
六、附机器人轻量化主要公司
轻量化材料方面主流比较有看点的是PEEK和碳纤维，PEEK材料这块中研股份、沃特股份、金发科技、新瀚材料是国内比较核心的几家；碳纤维这块因为涉及应用场景和产品系列主要有光大同创、光威复材、吉林化纤、吉林碳谷、中复神鹰、中简科技等；轻量化的另一块主要是增材制造，这块分金属材料和非金属材料，我关注比较多的是铂力特、华曙高科、先临三维、极光科技这几家。
人形机器人的轻量化和减重是实现高性能、高效率、安全可靠的关键。通过结构优化、材料选择、制造工艺、模块化设计和能源管理等方面来探索实现机器人的轻量化。同时因为人形机器人还在不断探索阶段，结构的轻量化和减重是一个复杂而重要的问题。通过选择合适的材料、优化结构设计、改进制造工艺和集成化设计等方法来逐步探索，相信人形机器人的轻量化减重将会取得更大的突破，也为后续人形机器人在各个领域的应用带来更多的可能性。
人形机器人或者说具身智能目前还在产业发展从0-1的阶段，更多的还是对行业相关技术能力的公司进行了解分析为后面布局安排，我们也欢迎机器人行业从业者和对人形机器人有一定理解的志同道合的朋友关注公众号交流分享，谢谢。