机器人行业深度研究：机器人灵巧手的发展历程及未来发展方向探讨

敬请参阅最后一页特别声明 1 投资逻辑： 本篇报告聚焦机器人灵巧手，主要探讨灵巧手的演变历程、分类方式以及未来有可能的发展方向。  什么是机器人灵巧手？  综合机器人学和运动学理论，我们认为灵巧手是指数不少于3，自由度不低于9的末端执行器。  从技术角度看，自20世纪70年代以来，多指灵巧手的研究经历了三个阶段：（1）20世纪70年代——20世纪90年代，灵巧手开始搭载电机、腱绳等驱动器或传动系统部件，可以完成基本的抓持等动作。（2）20世纪90年代-2010年，受益嵌入式硬件的发展，灵巧手具备更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。（3）2010年至今，通过欠驱动等结构设计来简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的重要方向。  机器人灵巧手有哪些类型？  根据驱动器位置分为驱动器内置、外置和混合置灵巧手，内置微型驱动器有望成发展方向。（1）驱动器外置具有外观设计拟人化、驱动器选型自由、可以采用更大的驱动电机等优势，但存在驱动器与手本体距离远，须借助腱绳连接、可维护性差等缺点。（2）驱动器内置利于传感器直接测量、利于更换维护，但通信和控制难度大，灵巧手尺寸偏大，关节灵活度下降。（3）驱动器混合置可以提高手指输出力矩、控制体积大小，但仍需借助腱绳传动。因此，在灵巧手内安装微型驱动器，既能保证传感器直接测量，又能减少灵巧手体积，有望成为未来发展方向。  根据驱动器类型分为电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动，电机驱动是主流。（1）电机驱动具有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是灵巧手主要驱动方式，缺点在于质量体积大、成本高。（2）气压/液压驱动灵巧手具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点，但由于气压/液压的控制相对较难导致灵巧手运动过程不平稳，无法进行手指位置的精确控制。（3）形状记忆合金具有驱动速度快、负载能力强等优势，但存在疲劳和寿命问题。  根据传动方式分为腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动。（1）腱传动对手指关节远距离驱动，可以减小手指的尺寸，具有结构紧凑、研制灵活等优势，缺点在于控制精度不高、抓取力不大，腱绳易磨损。（2）连杆传动易于实现强力抓取、迟滞性较低，传动精确，但传动机构复杂，对零部件的制造精度要求高且拟人性不足。（3）齿轮/蜗轮蜗杆传动较为精密、传递效率高、稳定性好，但存在结构复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。  灵巧手未来有哪些发展方向？  方向1：内置微型驱动器：可以避免因腱绳连接带来的设计难度大的缺点，同时利于传感器直接测量，方便维修。  方向2：多感知能力融合：利于提高灵巧手精细抓取能力和智能化水平，是未来灵巧手发展的另一重要方向。  方向3：多自由度：自由度是灵巧手灵巧性的决定因素，提升自由度是未来灵巧手的又一发展方向。 投资建议 机器人灵巧手核心零部件包括伺服电机、传感器、减速器、滚珠丝杠等。考虑当前灵巧手零部件市场空间大，且随着人形机器人产业链发展成长前景较好，建议重点关注：空心杯电机领域的鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利；传感器领域的柯力传感、汉威科技；减速器领域的绿的谐波、双环传动；滚珠丝杠领域的秦川机床、恒立液压。 风险提示 人形机器人发展不及预期，国产替代进展不及预期，行业竞争加剧。 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 内容目录 1.什么是机器人灵巧手？.......................................................................... 4 1.1 灵巧手是指数≥3，自由度≥9的末端执行器 ................................................... 4 1.2 机器人灵巧手的前世今生.................................................................. 4 2.机器人灵巧手有哪些类型？...................................................................... 6 2.1 根据灵巧手驱动器位置划分................................................................ 7 2.2 根据灵巧手驱动器类型划分................................................................ 9 2.3 根据灵巧手传动方式划分................................................................. 12 3.灵巧手未来有哪些发展方向？................................................................... 15 3.1 方向1：内置微型驱动器 ................................................................. 15 3.2 方向2：多感知功能融合 ................................................................. 16 3.3 方向3：多自由度 ....................................................................... 17 4.投资建议..................................................................................... 18 5.风险提示..................................................................................... 18 图表目录 图表1： 灵巧手是特殊的末端执行器 ............................................................... 4 图表2： 日本TWENDY-ONE灵巧手拥有4指、13个自由度.............................................. 4 图表3： 机器人两指夹持器 ....................................................................... 4 图表4： 多指抓持手分类 ......................................................................... 5 图表5： 初始阶段的多指灵巧手 ................................................................... 5 图表6： 第二阶段系统集成度更高、感知能力更加丰富的多指灵巧手 ................................... 6 图表7： 欠驱动灵巧手代表产品 ................................................................... 6 图表8： 机器人多指灵巧手分类 ................................................................... 7 图表9： DARPA Extrinsic及其驱动模块Cobot ...................................................... 7 图表10： Robonaut 2灵巧手结构图................................................................ 7 图表11： Dexhand灵巧手......................................................................... 8 图表12： DLR/HIT–II灵巧手及其关节传动结构 ..................................................... 8 图表13： DLR/HIT II灵巧手手指结构.............................................................. 8 图表14： 意大利iCub机器人及其灵巧手 ........................................................... 9 图表15： 韩国RoboRay机器人及其灵巧手 .......................................................... 9 图表16： Stanford/JPL Hand结构图............................................................... 9 图表17： 德国DLR-I Hand示意图 ................................................................ 10 bZpXkZrUtVgWnUcV9PcM8OoMmMoMmPfQmMrOeRpNqR6MmNmPMYoPyQMYqQvN行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 3 图表18： 德国Festo公司研制的气动仿生灵巧手 ................................................... 10 图表19： 上海交大联合MIT开发的气压驱动灵巧手 ................................................. 10 图表20： Stefan Schulz等人研制的微液压驱动的仿生灵巧手........................................ 11 图表21： 日本Hitachi灵巧手 ................................................................... 11 图表22： 中国计量大学基于SMA驱动的三指灵巧手 ................................................. 11 图表23： 电机驱动综合性能相对更好 ............................................................. 11 图表24： 特斯拉Optimus等机器人灵巧手采用电机驱动 ............................................. 12 图表25： 腱传动原理 ........................................................................... 12 图表26： Utah/MIT灵巧手....................................................................... 13 图表27： CEA dexterous灵巧手.................................................................. 13 图表28： Shadow Hand仿生灵巧手..............................