人形机器人行业系列报告（二）：动力、传动、传感：灵巧手分析框架与零部件选型

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2024年1月15日 行业研究 动力、传动、传感：灵巧手分析框架与零部件选型 ——人形机器人行业系列报告（二） 电力设备新能源 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。从应用领域来看，目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。 灵活度设计：灵活度设计是一个取舍与平衡的过程，原因在于更多的灵活度意味着更强的功能性，但背后需要更多的驱动器与更复杂的结构，必然带来鲁棒性的下降。对于功能性的衡量，通常采用Cutkosky 抓取分类法。多数高灵活度灵巧手需要面临的一个任务是单关节双自由度的实现，目前具有代表性的传动形式有三种：（1）双轴正交结构；（2）球/孔结构；（3）差动齿轮组。 动力源：包括选择动力源的种类、位置及数量，以及适配的减速器。目前电机驱动已成为主流驱动方式。电机类型包括直流无刷电机、无框力矩电机、空心杯有刷电机、空心杯无刷电机，减速器类型包括谐波减速器和行星减速器。 传动结构：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。 传感系统：根据传感器在机器人手中的布局和功能，可将传感器分为两类：内在传感器和外在传感器。内在传感器反馈机器人本体的运动或动态信息，如手关节角度、关节扭矩和肌腱应变，而外在传感器感知外部环境，如压力、力、温度和平滑度。 行业判断：1）作为人形机器人与外界交互的重要媒介，灵巧手是机器人功能性的直接体现。这一方面决定了其在人形机器人体系中的重要地位，另一方面预示着五指灵巧手与人形机器人功能对应，在硬件层面可选的方案数量将大于其他部位；2）五指灵巧手可以不依附于人形机器人而单独存在，如机械臂、远程操作手套、假肢等，这决定了五指灵巧手的远期市场容量的进一步扩大；3）五指灵巧手作为一个功能单元，相较人形机器人其他部位，其自身零部件数量更多，硬件结构更为复杂，需要集合整手的运动控制、末端传感、人机交互等，最终可能造成五指灵巧手环节的竞争更加多层次，也容易演化成为单独环节。 投资建议： 1） 动力源。建议关注：空心杯电机领域的鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、拓邦股份；直流无刷电机领域的德昌股份；无框力矩电机领域的步科股份；减速器环节：行星减速器建议关注中大力德、双环传动；谐波减速器建议关注绿的谐波；丝杠建议关注贝斯特； 2） 传动结构。主要集中在腱绳材料，建议关注钢丝方案的大业股份，潜在超高分子量聚乙烯纤维材料受益标的同益中、恒辉安防； 3） 传感系统。建议关注：（一）六维力传感器：柯力传感、东华测试、八方股份；（二）触觉传感器：汉威科技、奥迪威；（三）身体平衡（IMU）：华依科技、芯动联科。 风险分析：（1）产业化进程不及预期；（2）竞争加剧风险；（3）核心技术进步不及预期。 买入（维持） 作者 分析师：殷中枢 执业证书编号：S0930518040004 010-58452071 yinzs@ebscn.com 分析师：黄帅斌 执业证书编号：S0930520080005 0755-23915357 huangshuaibin@ebscn.com 分析师：和霖 执业证书编号：S0930523070006 021-52523853 helin@ebscn.com 行业与沪深300指数对比图 -10%-4%3%9%16%12/2202/2304/2306/2308/23电力设备新能源沪深300 资料来源：Wind 相关研报 经典五指灵巧手拆机：科研及通用篇——人形机器人专题（三）（2023-11-27） 经典五指灵巧手拆机：医疗假肢篇——人形机器人专题（二）（2023-11-18） 经典五指灵巧手拆机：航空航天篇——人形机器人专题（一）（2023-11-16） 要点 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 电力设备新能源 投资聚焦 随着大模型等AI技术取得突破性进展，作为其重要载体的人形机器人受到广泛关注。2023年10月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，称人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。为此，我们撰写一系列有关人形机器人的报告，对相关产品、技术进行梳理，并提示相关的投资机会。 我们的创新之处 我们创新性提出人形机器人灵巧手的分析框架，从灵活度设计、动力源、传动结构、传感系统四个层次进行了阐述，同时结合已有的灵巧手案例，对各方面设计结构进行说明。 股价上涨的催化因素 （1） 重大节点性事件催化。人形机器人产业正处于产业化前夕，容易受到重大节点性事件催化，如特斯拉举办AI DAY，Optimus产品发布新进展，以及其他国内外人形机器人厂商发布新产品等； （2） 人形机器人技术取得突破性进展。人形机器人的成熟建立在AI大模型、自动驾驶等多项前沿技术之上，底层技术的快速成熟有助于进一步推动人形机器人产业化落地； （3） 订单与投资。随着人形机器人在诸多场景落地，产业将迎来实质性落地。如果行业内披露相关订单、投资计划，将对股价形成催化。 投资观点 （1）动力源。建议关注空心杯电机领域的鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、拓邦股份；直流无刷电机领域的德昌股份；无框力矩电机领域的步科股份；减速器环节：行星减速器建议关注中大力德、双环传动；谐波减速器建议关注绿的谐波；丝杠建议关注贝斯特； （2）传动结构。主要集中在腱绳材料，建议关注钢丝方案的大业股份，潜在超高分子量聚乙烯纤维材料受益标的同益中、恒辉安防； （3）传感系统。建议关注：（一）六维力传感器：柯力传感、东华测试、八方股份；（二）触觉传感器：汉威科技、奥迪威；（三）身体平衡（IMU）：华依科技、芯动联科。 中庚基金 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 电力设备新能源 目 录 1、 机器人灵巧手设计与关键技术 ........................................................................................... 6 1.1、 灵巧手发展历史 ..................................................................................................................................... 6 1.2、 灵巧手的分析框架 .................................................................................................................................. 7 2、 欠驱动与全驱动：灵活度设计 ........................................................................................... 9 2.1、 全手自由度设计 ..................................................................................................................................... 9 2.2、 单关节双自由度实现 ............................................................................................................................ 11 2.3、 自由度优先级 ....................................................................................................................................... 12 3、 动力源 ............................................................................................................................ 13 3.1、 动力源分类 ........................................................................................................................................... 13 3.2、 动力源位置及数量 ................................................................................................................................ 15 3.3、 电机与减速器选型 ................................................................................................................................ 17 4、 传动 ................................................................................................................................ 23 4.1、 腱传动 .................................................................................................................................................. 24 4.2、 连杆传动 .............................................................................................................................................. 26 4.3、 齿轮传动 .............................................................................................................................................. 27 4.4、 特斯拉灵巧手 ....................................................................................................................................... 27 5、 传感器 .....................................