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机械设备:灵巧手硬件的五大方向

机械设备2025-03-24祁岩五矿证券α
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机械设备:灵巧手硬件的五大方向

灵巧手硬件的五大方向 机械设备 评级:看好 日期:2025.03.25 证券研究报告|行业深度 报告要点 为什么关注灵巧手?1)人形机器人的核心能力是泛化性,而灵巧手是体现这种泛化性的核心。2)灵巧手是人形机器人成本占比最高的零部件。3)当前 阶段,灵巧手存在较大的升级优化空间,是产业链瓶颈环节。4)从AI数据闭环角度,灵巧手是人形机器人和外界交互的桥梁,是从物理世界采集数据的窗口。 按传动方式分类,灵巧手包括齿轮、连杆、绳驱三类。齿轮式一般将电机布置在手指位置,优点是传动效率高、容易布置,缺点是性能高度依赖电机,当前技术下该方案的手指粗大,手指惯性高、控制复杂;连杆式的优势是坚固易维 护,但由于连杆较厚且坚硬,难实现高灵巧性;绳驱式可以实现高灵巧度,但腱绳寿命有限,装配复杂性高。从当前市面灵巧手方案来看,国内企业侧重连杆,而海外企业更侧重腱绳。 我们看好微型电机、驱控芯片、微型丝杠、腱绳、传感器五大方向。 (1)随着手部自由度的提升,电机需求大幅度提升。由于灵巧手要求驱动单元具备大扭矩、小空间的特点,一般采用空心杯电机。随着灵巧手设计方案的改进,也出现了使用直流无刷电机的方案。微型电机价值量高,BOM成本占比高,价值量显著。 (2)随着自由度的提升,人形机器人对电机驱控芯片的需求大幅增长。人形机器人要求电机驱控芯片具备高性能、高可靠、低功耗、高集成、小尺寸的特点。驱控芯片当前国产化率低,国产替代空间广阔。同时头部企业有望依托产业链卡位,向产业链上下游进行延伸。 (3)随着灵巧手自由度的提升,微型丝杠的需求弹性显著。微型丝杠工作环境相对精密,对材料的要求特别高,技术壁垒进一步提升。 (4)腱绳是目前绳驱方案的短板所在。金属腱绳的摩擦小,但强度低、不能承受小回转半径、难以固定;超分子量聚乙烯纤维比强度大,但耐高温、抗蠕变性能较差。目前金属方案和超分子量聚乙烯纤维方案都在推进。 (5)触觉传感器是机器人与外部互动实现灵巧操作不可或缺的关键零部件,从工艺上分为MEMS和柔性传感器,从材料可以分为压阻式、电容式、压阻式、光电式等。当前触觉传感器主要集中在指尖,未来有望覆盖手掌、甚至整手,使用量将会大幅提升。当前MEMS工艺较为成熟,电子皮肤在灵敏度、分辨率等指标性能已有大幅提升,但大面积阵列化部署还面临高成本、拼接问题、电路连通性等难题。 投资建议: 建议关注:1)深耕精密传动系统,具备灵巧手整体设计能力和一体化供应能力的兆威机电;2)具备热处理、精密机加工能力,布局行星滚柱丝杠和微型丝杠的五洲新春;3)电机控制芯片环节的峰岹科技。 分析师祁岩 登记编码:S0950523090001:010-56307033 :qiyan1@wkzq.com.cn 联系人周越 :13167229763 :zhouyue@wkzq.com.cn 行业表现2025/3/24 31% 21% 11% 1% -9% -19% 2024/42024/62024/92024/12 机械设备沪深300 资料来源:Wind,聚源相关研究 《高端制造产业跟踪(2月):AI应用贯穿全 年,传统行业+AI的价值或被低估》(2025/3/7) 《FigureHelix模型如何影响投资逻辑?》 (2025/2/25) 《寻找人形机器人的确定性:旋转关节投资机遇拆解》(2025/2/13) 《高端制造产业跟踪(1月):DeepSeek爆火预示着投资方向的何种变化?》(2025/2/7) 《高端制造产业跟踪(12月):OpenAI重启 机器人,产业化再加速》(2025/1/3) 《高端制造产业跟踪(11月):Optimus人形机器人手部有新突破,华为入局人形机器人加速其落地》(2024/12/16) 《碳化硅陶瓷渣浆泵:开启行业弯道超车新 引擎》(2024/11/22) 《高端制造产业跟踪(10月):三大机遇驱动高端制造板块迎来利好》(2024/11/11) 《迈向高质量发展——竞争维度提升带来工程机械竞争格局优化》(2024/11/7) 《政策逐步加码,重视市场拐点》 (2024/10/14) 风险提示:1、产业量产进度不及预期;2、技术路线变化的风险;3、产品价格大幅下降的风险。 内容目录 灵巧手是机器人夹爪的升级,是人形机器人的核心价值之一4 为什么关注灵巧手4 灵巧手三大传动方案详解4 灵巧手方案对比:国内侧重连杆,海外侧重腱绳9 特斯拉:腱绳传动的代表9 因时:基于微型伺服丝杠的11自由度方案10 灵心巧手:连杆传动的高自由度方案11 兆威机电:连杆+直驱组合方案12 灵巧手硬件五大方向13 微型电机:BOM占比高,价值量显著13 驱控芯片:国产替代空间广阔16 微型丝杠:用量有望大幅提升18 腱绳:绳驱方案的短板所在20 触觉传感器:稀缺的价值增量环节23 投资建议26 风险提示27 图表目录 图表1:夹爪VS灵巧手4 图表2:灵巧手分类5 图表3:灵巧手三大传动方式对比5 图表4:DLR-HIT-Hand第一代(左)和第二代(右)6 图表5:DLR-HIT-HandII的手指结构6 图表6:KITECH-hand使用的伺服电机6 图表7:KITECH-hand手部结构6 图表8:ILDA灵巧手的连杆设计7 图表9:ILDA灵巧手手指的零部件7 图表10:Robonaut2灵巧手7 图表11:R2手指的驱动器结构7 图表12:R2手的电机布置8 图表13:R2安装了传感器测量腱绳在管道中的张力8 图表14:DLRHandArmSystem前臂集成了大量的电机8 图表15:DLRHandArmSystem8 图表16:拮抗驱动设计方案9 图表17:DLRHandArmSystem手的掌指关节9 图表18:特斯拉第一代灵巧手手指零部件10 图表19:特斯拉第一代灵巧手采用蜗轮蜗杆10 图表20:特斯拉WEROBOT活动展示的新一代灵巧手10 图表21:因时灵巧手内部结构11 图表22:LinkerHandUltra12 图表23:LinkerHandO712 图表24:灵心巧手产品展示12 图表25:兆威灵巧手伺服系统13 图表26:兆威机电灵巧手13 图表27:市场灵巧手方案对比13 图表28:无刷空心杯电机VS有刷空心杯电机14 图表29:无刷空心杯电机结构14 图表30:有刷空心杯电机结构14 图表31:空心杯电机绕线方式15 图表32:直流无刷电机价格显著低于空心杯电机15 图表33:有刷直流电机VS无刷直流电机15 图表34:电机驱动控制示意图16 图表35:电机控制板16 图表36:峰岹科技的方案可以降低成本、减少元器件面积16 图表37:峰岹科技的芯片集成角度传感器17 图表38:峰岹科技的关节方案17 图表39:2023年中国市场前十大BLDC电机主控及驱动芯片公司17 图表40:因时的微型伺服电缸18 图表41:行星滚柱丝杠的指标优势18 图表42:全球代表性行星滚柱丝杠企业区域分布19 图表43:中国行星滚柱丝杠市场竞争格局19 图表44:灵巧手用的微型行星滚柱丝杠20 图表45:灵巧手微分行星滚柱丝杠20 图表46:机器人用钢丝绳20 图表47:聚乙烯的分类21 图表48:高性能纤维对比21 图表49:UHMWPE纤维的应用领域22 图表50:UHMWPE产能(万吨))22 图表51:中国超高分子量聚乙烯十年发展对比22 图表52:触觉传感器的分类23 图表53:帕西尼的mems传感器24 图表54:某压阻式传感器制作工艺流程图24 图表55:智元机器人的视触觉传感器24 图表56:digit360视触觉传感器24 图表57:不同原理柔性触觉传感器对比24 图表58:四种典型柔性触觉传感器示意图25 图表59:部分触觉传感器企业25 图表60:华威科的电子皮肤26 图表61:墨现科技的灵巧手指尖传感器26 图表62:福莱新材的柔性传感器26 图表63:他山科技触觉传感器芯片26 灵巧手是机器人夹爪的升级,是人形机器人的核心价值之一 为什么关注灵巧手 人形机器人的核心能力是泛化性,而灵巧手是体现这种泛化性的核心。工业机器人一般使用专用的夹爪进行操作。夹爪是针对特定任务设计的执行器,具有成本低、效率高的优势,但通用性差。而人形机器人的操作对象具有不确定性,需要执行器具备高度的灵活性,也就是 需要灵巧手。我们认为人形机器人所提供的价值,将主要通过灵巧手的方式展现。 灵巧手是人形机器人成本占比最高的零部件。不同人形机器人的方案不同,灵巧手的成本占比也有波动。目前灵巧手价格占人形机器人整机成本约20%-30%,是占比最高的零部件 当前阶段,灵巧手存在较大的升级优化空间,是产业链瓶颈环节。当前灵巧手还只能完成人手的部分功能,软硬件均有较大提升空间,是当前阶段人形机器人硬件上的最大瓶颈。马斯 克也曾坦言,灵巧手的研发难度和工程量可能占到整机开发的一半。 从AI数据闭环角度,灵巧手是人形机器人和外界交互的桥梁,是从物理世界采集数据的窗口。因此,灵巧手是人形机器人传感器最丰富的零部件,在AI的数据闭环中有独特意义。 图表1:夹爪VS灵巧手 资料来源:钧舵机器人JodellRobotics,因时,五矿证券研究所 灵巧手三大传动方案详解 当前阶段,灵巧手方案尚未定型,技术路线多样。可以从自由度数量、驱动方式、驱动力来源等多个角度进行分类。其中,传动方式是最重要的分类依据。依据传动方式的不同,灵巧手的方案可以分为三大类:齿轮传动(包括蜗轮蜗杆)、连杆传统、腱绳传动。其中齿轮传动、连杆传动的驱动器位于灵巧手内,而腱绳传动的驱动器一般位于手臂,位于灵巧手外。 齿轮传动 (蜗轮蜗杆) 记忆合金 气压 连杆 液压 键绳 欠驱动 电机 驱动器外置 驱动器内置 全驱动 驱动力来源 传动方式 自由度数量 灵巧手 图表2:灵巧手分类 资料来源:五矿证券研究所 优点缺点 图表3:灵巧手三大传动方式对比 腱绳传动由腱绳加上滑轮、软管实现传动。腱绳一般具腱绳本身刚度有限,影响位置精度有很高的抗拉强度和很轻的重量,容易实现多控制时需要一定预紧力,容易产生自由度和远距离动力传输,节省空间和成本,摩擦;腱绳布局容易产生力矩和运 是一种柔顺传动方式 动的耦合,增加了控制难度和复杂性 连杆传动采用平面连杆机构传动,刚度好、出力大、负结构冗杂、笨重、柔性不足、抗冲载能力强、加工制造容易、易获得高精度,结击性能较弱,对手内空间配置要求 构指尖的接触依靠几何封闭实现,能够较好实现多种运动规律和运动轨迹的要求 齿轮/蜗轮蜗杆通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转运动变为直线运 高 结构冗杂、笨重、柔性不足、抗冲 动,拉动驱动器和手指指尖的弹簧驱动手指产击性能较弱,对手内空间配置要求 生动作。驱动更加灵活的,但是手指闭合时间较长 高、手指结构复杂易出现故障 资料来源:灵心数据智能平台,五矿证券研究所 齿轮传动(驱动器内置):该方案的电机位于灵巧手手指,通过齿轮或定时皮带驱动关节的结构。这种结构可能具有较高的关节驱动效率,手部的结构也容易布置。这种方案的缺点主要 在于:1)手的大小和性能高度依赖于电机,尤其是手指部分。在当前的电机技术下,很难将手的体积做到正常人类大小;2)由于电机的重量,手指部分的惯性较高,因此需要复杂的控制机制;3)受限于空间,力传感器的布置困难。 电机直接驱动方案的代表包括DLR-HIT-HandII和KITECH-hand。 DLR-HIT-HandII是哈尔滨工业大学和德国航空航天中心联合设计的一款灵巧手,该手具有 15个自由度,五指相同,每个手指有3个自由度和4个关节,后两个关节机械耦合。该手 采用超扁平BLDC电机和微型谐波驱动器。受限于硬件,该手的尺寸、重量都偏大。比如该手使用的谐波减速器直径为20mm,单指长度可达169.1mm,整手重量1.5kg。DLR-HIT-HandII手部还配备了多个传感器,如每个关节的应变片式关节扭矩传感器、特定的关节角度传感器、指尖的六维传感器等。