人形机器人“好用”的关键：特斯拉Optimus22自由度灵巧手方案解析

特斯拉Optimus22自由度灵巧手方案解析 投资评级：（）报告日期：推荐维持2025年01月03日 ◼分析师：林子健◼SAC编号：S1050523090001 投 资 要 点 灵巧手的需求来源于柔性制造 人体结构是最适应现代文明的进化形态，同理，“人造人”是最贴近人类日常生产生活需求的机器人形态。将自动化生产线转变为柔性制造车间，需要寻求智能的解决方案，而这种解决方案可以由灵巧手和人形机器人来缔造，并且有机器学习和类脑智能技术的加持，数字化的日常生活都能成为人形机器人的学习资料，智能性将持续深化。可以让机器人像人一样使用工具的灵巧手，是提升机器人柔性操作能力的关键部件，是柔性制造避不开的一环。 特斯拉OptimusGen3灵巧手有三大变化，三大变化均指向丝杠用量提升 我们推测，特斯拉下一代灵巧手方案是N自由度、N腱绳、N执行器方案。根据10月10日特斯拉在发布会上的演示视频，特斯拉新一代灵巧手采用腱绳驱动的传动方式，肌腱的一端固定在指尖(骨骼)中，另一端连接到执行器(肌肉)。目前Opimus灵巧手自由度为22个，已与人手处于相当水平。我们推测，特斯拉手部执行器数量在17/22个。 ➢驱动器外置带来自由度提升：驱动器后置集成在手臂上可以放入更多的驱动器，直接增加灵巧手的自由度； ➢采用丝杠替代蜗杆：二者作用均是将旋转运动转变为直线运动，采用丝杠能有效提升灵巧手的精度和载荷能力，提高传动效率； ➢采用腱绳替代扭力弹簧：上一代机器人手指伸展主要依靠扭力弹簧复原，但现在采用一根单独的腱绳完成伸展，灵活性进一步提高。 诚信、专业、稳健、高效 投 资 要 点 Optimus灵巧手后续进展演绎 灵巧手工程量占据Optimus工程量的50%。灵巧手作为机器人上最重要的末端执行器，我们认为其设计和构造必然会随着机器人的应用场景改变而改变。现阶段仍然没有办法打造出同时具备低成本、长寿命、高精细化的灵巧手。这一代22自由度的Optimus灵巧手已经在自由度上接近人手，但腱绳结构还是存在一定程度上的不足。在实际应用中出于实用性和成本考虑，灵巧手必然、会迭代出多个版本，使得不同场景中的机器人可以灵活搭配上不同灵巧手来完成相对确定场景中的工作。应用场景特性不同，采购不同版本的灵巧手的成本会低于采购不同版本的机器人，灵巧手是机器人走向“好用”的关键。 灵巧手关键零部件解析 灵巧手价值量最高的三个部件即丝杠、电机、减速器，推荐标的包括： 1）丝杠：双林股份、贝斯特、北特科技、五洲新春；2）空心杯电机和减速器：鸣志电器、兆威机电、雷赛智能；3）总成：捷昌驱动、兆威机电。 诚信、专业、稳健、高效 机器人下游应用不及预期地缘政治风险研发进度不及预期 1.灵巧手是机器人最重要的末端执行器 2.特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向手部丝杠价值量上升 目录CONTENTS 3.灵巧手关键零部件解析 4.风险提示 灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.1、灵巧手是机器人一种复杂的末端执行器，其需求来源于柔性制造 末端执行器决定机器人的工作性能。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。机器人的末端执行器主要分为工业机械手和仿人多指灵巧手。传统的工业机械手大多是针对特定的工作任务、特定被夹持零件而设计的，可以有效地执行简单的重复性任务。工业机械手自由度少，结构简单，易于控制，但是灵活性低，没有配置传感器，无法进行精确的位置控制和力控制，通用性差。 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器。相比于工业机械手，灵巧手具有以下优点：1）仿人多指灵巧手通常具有多根手指，每根手指都具有多个关节和多个自由度，具有很高的灵活性；2）仿人多指灵巧手配置了必要的传感器，可以精确控制灵巧手的操作；3）灵巧手的每根手指都可以看作是一个微小的连杆机器人，这种微小的外形尺寸使得灵巧手具有很高的操作精度；4）仿人多指灵巧手通常都通用性强，可以对目标物体实施多种仿人操作，对类人工作环境的适用性强，可以实现在未知和非结构环境中对不同形状的物体进行抓取。 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.1、灵巧手是机器人一种复杂的末端执行器，其需求来源于柔性制造 灵巧手的需求来源于柔性制造。为批量解决高强度、高重复的工作自动化流水线应运而生，但单条生产线只能生产一种或几种固定规格的同类产品。与“刚性”相对，“柔性”体现在适应外部环境变化的能力，即小批量生产、同一条生产线多类型生产等；也体现在适应内部变化的能力，即在内部设备故障等干扰条件下迅速调整生产节奏不影响生产效率。人体结构是最适应现代文明的进化形态，同理，“人造人”是最贴近人类日常生产生活需求的机器人形态。将自动化生产线转变为柔性制造车间，需要寻求智能的解决方案，而这种解决方案可以由灵巧手和人形机器人来缔造，并且有机器学习和类脑智能技术的加持，数字化的日常生活都能成为人形机器人的学习资料，智能性将持续深化。可以让机器人像人一样使用工具的灵巧手，是提升机器人柔性操作能力的关键部件，是柔性制造避不开的一环。 人手一共有24个自由度。拇指5个自由度，其余4指各4个自由度，另外还有腕的外展、腕的曲度、掌的弧度3个自由度。从结构上，远侧指间关节和近侧指间关节形成了转动副，掌指关节形成了球形副。转动副可以实现弯曲/伸展运动，在空间有1个自由度；球形副不仅可以实现弯曲/伸展运动，还能实现侧摆运动，球形副在空间中有2个自由度。 诚信、专业、稳健、高效 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类 根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类： ➢全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制，在某种程度上能够像人手一样完成全部的动作指令甚至要求更高的灵巧动作。但是，全驱动也意味着需要更多的驱动器，会使手掌体积变大、安装困难、操作复杂。 ➢欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分则进行耦合随动。欠驱动手硬件集成度高，整体系统简洁高效、体积小、质量轻，便于进行动力学分析。但是，欠驱动机械手的高集成性一定程度上也是牺牲高自由度性能的结果，存在功能性不足，尤其是对于精度要求比较高的手指精巧控制无法胜任。 ➢优势：具有完全可重复的运动轨迹，适合某些功能性和精细操作较高的场合。在工业场合，例如组装、测量等情况下有更好的表现，而且多一个执行器，也使得全驱动方案对比欠驱动方案在握持物体时具有更大的扭矩。 ➢优势：对比全驱动方案，少一个甚至少两个执行器，对节省手臂、手腕的空间和重量，都是非常大的提升，而且具有更好的顺应性。 ➢缺点：不具备完全重复的运动轨迹，在需要精密操作的情景下，表现可能不如全驱动方案，甚至不如耦合方案。 ➢缺点：对控制策略的要求较高，当没有合理的运动学分析控制时，整体的灵活性其实并不如欠驱动的方案。 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类 灵巧手的传动系统对操作的稳定性和灵活性有重要影响，传动方式有连杆传动、绳驱传动和齿轮传动三种。连杆传动广泛用于工业、假肢领域，刚度大，易于强力抓取物体，但重量体积较大，柔性不足。绳驱传动主要用于科研领域和人形机器人领域，灵活度高、结构简单，但控制精度不足，寿命短，已有Shadow等灵巧手落地，也是特斯拉机器人配备的灵巧手类型；齿轮传动主要应用于工业机器人，每根手指可独立操纵，灵活性强，但结构复杂、易发生故障，成本较高。 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类 灵巧手逐渐按照是否存在线绳、钢丝、皮带等柔性传动部件分为腱驱动和直接驱动两种形式。 ➢腱驱动：可以节省手指体积，手指的拟人程度更高，腱绳能够提供较大的关节力矩，但由于腱绳传力的柔性限制，传力有一定的延迟，影响位置控制的精度，而且预紧程度会直接影响控制效果，对控制系统的设计要求较为严格。 ➢直接驱动：将电机和驱动电路内置在手指内，手指体积较大，且不能提供较大的关节力矩，但其控制精度较高且模块化手指之间可以相互替代，可维修程度很高。 相较而言，腱驱动的设计方式便于实现远距离传动，采用键驱动的形式将部分驱动系统放置于灵巧手外部，能有效减小灵巧手的整体尺寸。 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.3、驱动器外置腱驱动灵巧手兼具灵活性、小体积与可靠性 驱动器外置腱驱动灵巧手主要运作原理如下： 电机和滚珠/滚柱丝杠外置于手臂中，电机通过减速箱带动滚珠丝杠，电机轴的转动被转化为丝杠螺母的平移运动，丝杠螺母拉动腱绳，腱绳另一端连接到手指指骨上，拉动手指绕关节轴旋转。由于手腕的俯仰和侧摆运动会扭动腱绳的位置和形状，为了消除手腕运动对腱绳的影响，在腱绳外面套上硬质弹簧，类似自行车刹车线的原理。当手腕运动时，硬质弹簧能保证腱绳中的张力不受影响。但弹簧的引入又增大了腱绳受到的摩擦力，为了减小腱绳与弹簧之间的摩擦力，在腱绳和弹簧之间套入Teflon管，既能提高传动效率，又解决了腱绳与弹簧之间的长时间摩擦带来的磨损问题。 1、灵巧手是机器人最重要的末端执行器 1.3、驱动器外置腱驱动灵巧手兼具灵活性、小体积与可靠性 远程驱动能有效减小手指的体积和重量，由于腱绳只能传递拉力，腱绳的数目大于手指自由度时才能对手指的每一个自由关节进行完全确定的控制。经过证明，当腱绳数目比自由关节数目多1时，就可以使用腱绳来独立控制所有的自由关节。以3自由度的食指为例，4根腱绳即可完全控制3个自由关节。N+1型腱驱动方案能有效的减少腱绳数目，但会引入腱绳运动和手指关节运动之间的耦合性，即驱动一个关节需要多根腱绳的参与，一根腱绳的运动会牵引多个关节，对控制算法更高要求。 N型驱动方案驱动器数目最少，有利于减小驱动系统的整体尺寸。同时，可以有效降低电气系统与控制系统的复杂程度，提高可靠性。在“N型”的传动方案中，两根腱绳构成了一条闭环回路。为了调整回路中腱绳长度误差，并使腱绳工作在张紧状态，腱驱动手指中需要引入预紧机构对腱绳张力进行调整。如果采用欠驱动，驱动器数量进一步降低。 特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向丝杠价值量上升 2、特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向丝杠价值量上升 ➢手和手指布局：灵巧手设计模仿人手，包括手掌区域和五个手指，每个手指具有近侧构件和远侧构件，能够围绕相应关节枢轴旋转。 ➢腱绳布线：使用腱绳而非传统齿轮或连杆系统来驱动手指运动，腱绳的布线设计允许更自由的手指运动和更高效的力传递。 资料来源：人形机器人研究院，TESLA，华鑫证券研究 诚信、专业、稳健、高效 2、特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向丝杠价值量上升 2.1、特斯拉Optimus一代灵巧手专利解析 ➢运行方式：当电缆416被驱动器302拉动时，末端420可以与远端部件408或其结构啮合，以使近端部件402或远端部件408中的至少一个移动。例如，当电缆416被驱动器302拉动时，末端420可以与远端部件408或其结构啮合，从而导致近端部件402围绕第一枢轴406旋转和/或远端部件408围绕第二枢轴414旋转。 ➢大拇指：具有两个空心杯电机模组执行器302a和302f，分别控制弯曲/伸展和外展/内收运动。 ➢其他4指：由于特斯拉一代灵巧手采用的是2指关节，与我们常规的人手相比少了一组关节，因此每个手指有一个空心杯电机模组执行器搭配对应的扭簧，具有1个主动自由度和1个由腱绳牵引的被动自由度指关节，能够实现复杂的抓握。 诚信、专业、稳健、高效 2、特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向丝杠价值量上升 2.1、特斯拉Optimus一代灵巧手专利解析 ➢驱动装置：本专利灵巧手采用空心