电力设备新能源行业人形机器人专题(四)：经典五指灵巧手拆机，腱绳材料的选择

证券研究报告 2024年1月4日 作者： 光大环保电新 殷中枢、黄帅斌 经典五指灵巧手拆机：腱绳材料的选择 ——人形机器人专题（四） 请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 腱绳驱动的优势及适用场景 腱绳材料的选择与案例分析 1 投资建议 风险分析 主流腱绳材料分析 请务必参阅正文之后的重要声明 2 腱绳驱动的优势及适用场景 传动方式 特点 缺点 腱传动 由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者软管实现传动。腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种柔顺传动方式。 腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。 连杆传动 采用平面连杆机构传动，刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求。 结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高。 齿轮/蜗轮蜗杆传动 驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长。 结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高，手指的结构比较复杂，容易出现故障。 人工肌肉 （液压/气动） 液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式， 是模拟人肌肉的一种驱动方式。 由于材料和技术的限制，这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。 表1：不同传动方式对比 按灵巧手手指的传动方式可分为腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、人工肌肉（液压/气动）。传动系统的设计不仅决定了灵巧手的机械结构，而且直接影响到灵巧手的抓取稳定性和灵活性。腱传动对于空间狭小、传动精密的灵巧手空间设计较为友好，关键在于腱绳材料的选择；连杆、齿轮等传动方式更为直接，但对空间、设计的要求较高。 资料来源：小米技术微信公众号 请务必参阅正文之后的重要声明 3 腱绳驱动的优势及适用场景 腱绳传动使用腱绳传递动力。一般电机通过齿轮箱驱动滚珠丝杠，通过滚珠丝杠上的螺母把旋转运动转换为直线运动，腱绳形成一个腱环套在螺母上，螺母拉动连接在灵巧手手指指骨上的腱绳，实现手指绕关节轴的转动运动。其中为了引导腱绳的走线，避免腱绳之间的干扰，采用腱绳外包裹导管的形式。 图1：Robonaut 2 Hand 腱绳示意图 图2：shadow hand使用腱绳驱动 资料来源：Shadow Robot官网 资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》 请务必参阅正文之后的重要声明 4 腱绳驱动的优势及适用场景 传动方案 原理简图 驱动器数目 腱绳数目 特点 N 型 N 2N 驱动器数目少；需要预紧机构 N+1 型 N+1 N+1 腱绳数目少；单根腱绳负载大 2N 型 2N 2N 承载能力强、动态性能较好；驱动器数目多 资料来源：孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》 表2：不同传动方式对比 腱绳的传动方案对于腱驱动手指动力与运动的传递至关重要。目前，主流的腱绳传动方案有三种：N型、N+1型、2N型。其中，N、N+1、2N分别代表驱动N个独立自由度所需的驱动单元数目。 请务必参阅正文之后的重要声明 5 腱绳驱动的优势及适用场景 名称 机构简图 特点 串联弹性体 测量精度高、 传动系统动态性能差、 结构体积大、 电路易疲劳 包覆弹性体 结构尺寸小、 摩擦严重 偏置引导轮 结构尺寸较小、 摩擦较小、 传动系统动态性能好 资料来源：孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》 表3：常用腱绳张力测量方式 为了检测腱绳的受力情况， 腱绳张力传感器必不可少。目前腱绳张力的测量方式主要有三种：串联弹性体、包覆弹性体、偏置引导轮。 请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 腱绳驱动的优势及适用场景 腱绳材料的选择与案例分析 6 投资建议 风险分析 主流腱绳材料分析 请务必参阅正文之后的重要声明 7 腱绳材料的选择与案例分析 Utah/MIT 灵巧手发明于1982年由美国犹他大学工程设计中心与麻省理工学院人工智能实验室研制，共有32个驱动器、32跟腱绳、32个腱绳张力传感器，其腱绳材料选用Dacron and Kevlar混合制成。 图3：Utah/MIT 灵巧手 Robonaut 2 Hand 于2010年由NASA和GM（通用汽车公司）联合研制。 最初被选为肌腱材料的是Spectra™，因为它具有高强度和良好的耐磨特性。但经过测试，Spectra™固有的蠕变性与Robonaut 2 Hand 手指致动系统不兼容，进而导致滚珠丝杠致动器的行程有限。 经过广泛测试，研究团队选择 Vectran™ 作为肌腱材料，因为它具有高强度以及抗拉伸和蠕变能力。通过使用 Teflon™ 与 Vectran™ 混合编织，其耐磨性能得到改善。最终方案为：标称直径 1.2 毫米、断裂强度为 181 公斤的肌腱材料，以实现尺寸、强度和磨损寿命之间的最佳平衡。在加入相关润滑剂后，肌腱耐磨性超过100 万次循环。 图4：Robonaut Hand 资料来源：孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》 资料来源：Computer History Museum 请务必参阅正文之后的重要声明 8 腱绳材料的选择与案例分析 Yale Hand于2013年由耶鲁大学研制。在腱绳方面，使用经100磅测试的Spectra纤维。 在很大的载荷下，肌腱容易磨损并切断原型材料。为了防止这种情况，将3.18mm的钢腱导销压入指状物中，从而提供更硬的滑动接触，摩擦力显著降低。 SDM hand问世时间在2010年，由耶鲁大学和哈佛大学共同研制。 肌腱材料选用预拉伸的尼龙涂层不锈钢丝，一端固定在远端连杆上，并穿过低摩擦尼龙 11 管到达底座。 图5：SDM hand 图6：Yale Hand 资料来源：Raymond R. Ma《A Modular, Open-Source 3D Printed Underactuated Hand》 资料来源：Aaron M. Dollar《The Highly Adaptive SDM Hand: Design and Performance Evaluation》 请务必参阅正文之后的重要声明 9 腱绳材料的选择与案例分析 Metamorphic hand由King's College London (KCL) 与天津大学于2011年联合研制。 为了简化手的控制，采用了欠驱动策略和肌腱传动。材料方面，选用直径为0.5 mm的Carl Stahl不锈钢丝。 图7：Metamorphic hand 图8：PISA/IIT hand PISA/IIT hand于2012年由 Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）、Università di Pisa（比萨大学）共同发明。 手指的驱动是通过使用被动防脱轨滑轮穿过所有关节的单个Dyneema腱来实现的。肌腱动作使手指和拇指弯曲并内收，抵消韧带的弹力，并实现自适应欠驱动，而无需差速齿轮。 资料来源： M.G. Catalano《Adaptive synergies for the design and control of the PisaIIT SoftHand》 资料来源：GUOWU WEI《Kinematic Analysis and Prototype of a Metamorphic Anthropomorphic Hand with a Reconfigurable Palm》 请务必参阅正文之后的重要声明 10 腱绳材料的选择与案例分析 图9：Washington Hand Washington Hand发明时间为2016年，作者华盛顿大学。 Washington Hand手指骨架充分模仿人体结构。使用钩编韧带来模拟指骨关节处的掌侧韧带和侧韧带，激光切割橡胶片用于模拟软组织，提供类似人类的顺应性。 肌腱方面，使用三块激光切割橡胶片来模拟弹性滑轮机构。由高强度Spectra®（屈服强度200 N）制成的屈肌腱通过几个铆钉加固端口穿过橡胶腱护套。 资料来源：Zhe Xu《Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration》 请务必参阅正文之后的重要声明 11 腱绳材料的选择与案例分析 David's Hand共有两个版本，David's Hand I和David's Hand II发明时间分别为2010年和2014年。 David's Hand I选用钢丝为肌腱材料，缺点是体积太大，无法插入手掌，尤其是在组装和维护过程中的双曲面。组装过程中钢丝不可避免的的折叠大大缩短了使用寿命。 David's Hand II先后考虑了Kevlar或Aramid肌腱，因为其在磨损、折叠和抗蠕变方面更为突出。然而，这些材料的终止是复杂的，因为打结会显著削弱肌腱，并且很难实现。最终David's Hand II使用编织Dyneema材料，以防止拼接。Dyneema肌腱的测试显示，其磨损明显小于钢或Kevlar肌腱（尤其是滑动接触）。 DLR Hand I和DLR Hand II分别于1998年和2001年发明，均通过 SPECTRA®肌腱实现向手指关节的力传递。 图10：David's Hand 图11：DLR Hand I和DLR Hand II 资料来源：德国宇航中心官网 资料来源：德国宇航中心官网 请务必参阅正文之后的重要声明 12 腱绳材料的选择与案例分析 DEXHAND是德国宇航中心(DLR)于 2011 年研制的面向空间应用的多指灵巧手。传动系统使用聚合物Dyneema腱和谐波传动装置，将电机扭矩传递至关节。 Spacehand 是DEXHAND的升级版本，专为在地球同步轨道上长期运行而设计。 手指的设计可主动产生30N 的指尖力。 DEXHAND 传动系统使用聚合物Dyneema腱，该腱非常耐用，但对于长期任务而言，蠕变率过高。 因此，Spacehand 选择了一种新材料——“Marlow Ropes”编织的高性能 Zylon 纤维。测试环境包括真空下的太阳模拟、真空下伽马辐射的辐射测试、在不同材料上滑动的耐久性测试以及模拟负载条件下的蠕变测试。同时，用于手指基部多次引导的滑动材料也接受了相同的测试。在任务的预期环境条件下，所有材料均未表现出任何明显的退化。 图12：DEXHAND 图13：Spacehand 资料来源：Maxime Chalon《Spacehand:a multi-fingered robotic hand for space》 资料来源：Maxime Chalon《Dexhand:a Space qualified multi-fingered robotic hand》 请务必参阅正文之后的重要声明 13 腱绳材料的选择与案例分析 绳驱灵巧手 发布时间 腱绳牌号 腱绳材料 设计初衷 指尖力 Utah-MIT 1982 Dacron and Kevlar 聚酯纤维（涤纶）+芳纶纤维（凯夫拉） 科研 DLR 1998 Spectra® 高强度聚乙烯纤维 航空（太空操作） 30N（DLR HAND II） Robonaut 2 Hand 2010 Teflon™ with Vectran™ 特氟龙+芳纶纤维 航空（太空操作） SDM hand 2010 尼龙涂层不锈钢缆 不锈钢丝 工业 David's Hand I 2010 钢丝 航空（太空操作） 20N指尖力 Metamorphic