人形机器人深度研究系列九：人形机器人轻量化：产业化前夕的进修课，应用为重

人形机器人轻量化：产业化前夕的进修课，应用为重——人形机器人深度研究系列九 证券分析师：曾朵红、谢哲栋；研究助理：许钧赫执业证书编号：S0600516080001、S0600523060001、S0600123070121联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn联系电话：021-601997982025年7月12日 摘要 ◆轻量化是人形机器人商业化前夕的进修课。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，因此特斯拉、优必选等主流主机厂正在发力。从路径上看，主要分为结构轻量化（参数优化/拓扑优化/形态优化/集成化来实现“0成本”轻量化）及材料轻量化（轻金属、工程塑料等）。由于轻量化之路刚刚开始，基于材料本身设计结构仍处早期，结构轻量化受制于技术路径未收敛及企业跨界能力有待提升等因素进展较慢，材料轻量化是当前的主流路径。 ◆工程塑料—PEEK：工程塑料金字塔的顶端。PEEK材料位于工程塑料金字塔的顶端，性能优异，具有机械特性好、耐热等级高、耐腐蚀、加工特性优异等特点，主要应用于航空航天及汽车、电子电器等领域。24年PEEK价格高达约30万元/吨，原材料氟酮为主要来源（成本占比50%），价格达12万元/吨，主要系氟酮和PEEK工艺&产能为铸就较高壁垒，其中PEEK的熔指、黏度、结晶性等核心指标的平衡以及后期进一步改性优化性能，过程冗长，变量多且难以控制。需求端，24年全球/中国PEEK市场空间为61/19亿元，预计2027年将达85/28亿元，CAGR分别为11%/13%。供给端，21年海外三大巨头（威格斯、索尔维、赢创）市占率合计达86%，中研股份仅8%。 ◆金属材料—镁合金：成熟应用，经济性凸显。镁合金是优质的轻质合金，具备比强度高、延展性好、抗电磁干扰能力强等有点，在汽车轻量化中已成熟应用。价格端，截至5月镁价处于低位，镁铝价格比仅0.87（价格比=1.29，镁铝成本基本一致），在轻量化的同时实现降本。应用端，宝武镁业和埃斯顿联合推出镁合金工业机器人“ER4-550-MI”，实现减重11%，能耗降低10%，节拍提升5%，同时在减震、电磁屏蔽和散热方面有所提升，而在人形机器人中镁合金能耗降幅有望更多，在骼、外壳等部件应用可期。 ◆工程塑料—尼龙PA：柔韧性优异，应用成熟。PA6和PA66是具有优异抗冲击性和柔韧性的工程塑料，需求成熟稳定，2018-2023CAGR不足5%，PA6格局分散，2022年产能CR4不足25%，PA66较为集中，CR3（神马股份、英威达、华峰集团）达75%。应用端，PA在汽车发动机、燃油供给系统、电气系统、底盘系统等已大量成熟应用，同时碳纤维增强后在工业机器人谐波减速器刚轮及第七轴驱动系统中的丝杠。 ◆人形机器人轻量化：材料为辅，应用为重。在整机重量分布中，关节模组占比较大（约40%），结构件次之（约30%），外壳占比仅10%，因此：1）谐波减速器：PEEK刚轮是减重首选，头部厂商已有专利布局，新进入者已发布相关产品（科达利子公司25年4月发布多款Peek材料谐波减速器）；2）滚柱丝杠：采用PEEK减重效果突出，可通过碳纤/玻纤改性增强，在强度和刚性层面达到要求，但加工难度大，精度&效率均难以保证；3）无框电机：轻量化的路径包括材料选择/集成化/磁路优化/制造工艺，其中核心是磁材选择和磁路设计；4）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，镁合金工艺成熟且性价比突出，短期推广可行性大，尼龙PA具备高强度&柔韧性&耐腐蚀性，长期2C端有望放量，当前1XTechnologies即采用编制尼龙作为外壳。综合测算下，百万台人形机器人（旋转&线性关节）中，PPS/改性PEEK/镁合金/改性尼龙市场空间分别为1/20/3/3亿元。综合考虑市场空间、竞争格局、技术难度：PEEK>镁合金>尼龙。 ◆投资建议：轻量化是人形机器人商业化前夕的进修课，材料轻量化是当前的主流路径，轻量化应用推荐标的：科达利，建议关注：肇民科技、恒勃股份，PEEK建议关注：中研股份、新瀚新材、中欣氟材，PA尼龙建议关注：南山智尚，镁合金推荐标的：旭升集团，建议关注：宝武镁业。 ◆风险提示：人形机器人销量不及预期，竞争加剧，价格下降 PART1轻量化：人形机器人量产前夕的进修课 PART2结构轻量化：方案确定后的0成本优化 PART3材料轻量化-镁合金 PART4材料轻量化-PEEK PART5材料轻量化-尼龙 PART6产业链标的梳理 PART7投资建议&风险提示 PART1轻量化：人形机器人量产前夕的进修课 轻量化：人形机器人商业化前夕的进修课 ◆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AIDay 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OrcaI、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。 轻量化：可分为结构轻量化和材料轻量化 ◆轻量化的两种路径：当前人形机器人轻量化的路径可以分为结构轻量化和材料轻量化—— ◆结构轻量化：通过参数优化/拓扑优化/形态优化/集成化来实现“0成本”轻量化；◆材料轻量化：当前主流的方式是采用镁铝合金或“以塑代钢”实现性能达标下的密度降低；◆——由于轻量化之路刚刚开始，基于材料本身设计结构仍处早期，未来可期。 PART2结构轻量化：方案确定后的0成本优化 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。 结构轻量化：当前技术路径仍在迭代，企业跨界能力有限 ◆结构轻量化空间广阔，当前受制于技术路径未收敛及企业跨界能力有待提升。 ◆技术路径尚未收敛：当前人形机器人整机及零部件方案百花齐放，且核心性能及功能实现尚未达到理想状态，技术路径日新月异，因此厂商暂未投入足够精力发力结构轻量化。 ◆当前零部件企业跨界设计&整合能力有限：人形机器人结构轻量化总体来说是“结构性工程”，需要从整机设计开始进行考虑，同时对于零部件性能、材料特性等具备深度了解，当前人形机器人本体厂商多为初创企业，相关人才、资源投入较少，而下游零部件厂商对整机设计涉足较少，跨界联合研发设计仍需加强。 PART3材料轻量化-镁合金： 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：抗腐蚀性、易燃易爆需特殊处理 ◆镁合金的主要缺点为抗腐蚀性低、易燃易爆，但当前已有成熟解决方案： ◆针对抗腐蚀性，目前解决方案包括表面钝化、电镀、烤漆、阳极氧化等； ◆针对易燃易爆，通过加入SF6保护气体形成致密保护膜，同时半固态技术能够有效增加镁合金的安全性和强度。半固态镁合金注射成型技术是压铸和注塑工艺的创新融合，能够有效减少表面缺陷明显提升产品质量 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。 PART4材料轻量化-PEEK： 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