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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。
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、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PEEK材料、
碳纤维复合材料、铝镁合金、
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热门材料简析
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。
肇民科技：PEEK工程注塑材料全面用于机器人零件减重系统。
沃特股份：PEEK材料运用于人形机器人领域。
中研股份：
公司PEEK材料与国内机器人龙头企业以及供应链企业已经开展合作。
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