灵巧手行业首次覆盖报告：机器人商业化落地的“功能触角”

Table_Summary0] 投资建议：目前，灵巧手行业主要产品仍以国外品牌为主导，受益于人形机器人的发展，国内企业纷纷跟进，推出自己的相关灵巧手产品，技术加速收敛海外，我们推荐具备灵巧手生产能力并具备产品的公司，以及灵巧手核心零部件厂商，重点推荐兆威机电、鸣志电器、捷昌驱动，受益标的为鼎智科技。 灵巧手是人形机器人的灵魂，降本是核心。灵巧手作为一种仿人手生理结构机器人，是一种拟人化并能实现智能控制的高级末端执行机构。灵巧手种类多样，按照传动方式与驱动结构划分，可以分为腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、液压传动和混合传动，其中腱绳传动方案一直是行业的主流方案。特斯拉发布原型机后，其展示的灵巧手方案多次迭代，其在降本为核心的路径中，驱动系统整体重构，2024年10月展示的灵巧手看，整体细节更加简洁，动作更加灵活，目前的灵巧手方案是电机通过行星滚柱丝杠驱动腱绳，同时自由度提升到22个，驱动装置前移至小臂。 空心杯电机是灵巧手驱动方案的优选，传动方案选择具备多样性。 驱动结构主要是指灵巧手模组的驱动源，目前大部分人形机器人均采用电驱模式，因此灵巧手的驱动源主要依靠电机。对于人形机器人而言，空心杯电机优势明显，各种特点都符合人形机器人需要。 传动方式看，腱绳方案依然较为主流，各家厂商传动方案整体看不尽相同，均存在一定创新性，在一级二级三级传动的各环节中，特斯拉选用电机+微型丝杠+腱绳的创新方案。 灵巧手触觉方案：感知技术是机器人商业化落地的“功能触角”。灵巧手的传感器主要包括内部传感器和外部传感器两类。内部传感器主要反馈灵巧手的姿态信息，决定灵巧手稳定能力。外部传感器包括接近觉传感器和触觉传感器，主要感知目标物体的位置、受力等信息，其中触觉传感器是灵巧手完成各项功能的关键。触觉传感器的核心任务是模拟人类皮肤的感知能力，其技术路线围绕“灵敏度”与“多功能”展开，因此在材料的选择上，触觉传感器偏好于具有柔软、低模量、易变形等属性的柔性材料。其中压阻式传感器结构简单、成本低，是较为常见的触觉传感器。远期看，电子皮肤是触觉传感的终极形态，其被视为未来电子技术的新兴发展方向。 风险提示：人形机器人产业化进程不确定性风险、技术研发不及预期的风险 表1：重点公司盈利预测与估值 1.灵巧手是机器人核心，绳驱方案有望成为主流 灵巧手，末端执行器的未来方向。作为机器人对外部环境的关键执行部件，手爪类末端执行器的精度和灵活性直接影响所执行任务的可能性和完成质量。 末端手爪可分为多指夹爪和多指灵巧手，其中多指夹爪只能对操作目标进行抓持，不能满足当前的多种类工作需要，如在复杂环境下实现拨、拧、捻、勾、划等精细操作，因此具备更高灵活性的多指灵巧手必要性就显而易见。灵巧手作为一种仿人手生理结构机器人，是一种拟人化并能实现智能控制的高级末端执行机构，其机械结构的特点能够使其在抓取操作的过程中始终保持与目标多点接触，采用适当的抓取方式和规划算法，可以对任意形状的物体施加任意的运动和力的作用，从而实现在不更换末端执行机构的情况下，对各种复杂形状的物体进行高精度、稳定地抓取，进而对所抓持的物体实施一定程度的精细操作。 图1：常见的末端夹爪类型 灵巧手历史由来已久，拟人化是核心方向。从发展历史角度看，从刚性夹爪到拟人化突破，灵巧手的演进始终围绕“拟人化操作”需求展开，其技术迭代可分为三个阶段：1）早期工业场景阶段（1960s-2000s），主要是气动/液压驱动主导。1961年，全球首台工业机械臂Unimate在通用汽车产线服役，其气动夹爪仅支持开合动作，负载能力＞50kg，但自由度为零，无法适应复杂任务。 1990年代，ABB推出IRB 6400机械臂，夹爪仍依赖液压驱动，在汽车焊接场景中表现稳定，但无法处理导线、布匹等柔性物体。2）仿生学突破阶段（2000s），腱绳传动技术落地推动了灵巧手技术的发展。1998年德国宇航中心（DLR）推出了DLR hand I。其具有四个手指，每个手指包括4个关节和3个自由度，每根手指都具有近30个传感器（包括触觉感知、关节位置、关节转矩、速度以及温度传感器等）。DLR-I在手指末端关节采用了腱驱动，所有驱动及传动装置，控制系统，传感器及通信系统均集成在灵巧手的内部，使灵巧手系统独立于仿人机器人/臂成为一个模块化的局部自主系统。2000年，DLR研制成功了DLR II灵巧手。所有手指关节均采用无刷直流电机-同步带-谐波齿轮（基关节由锥齿轮实现侧摆和俯仰）的传动方式。2012年，德国宇航中心（DLR）发布DLR Hand II，通过12个电机驱动19自由度，首次实现硬币抓取等高精度操作，负载比达到1:10，但成本高达5万美金。此后，哈尔滨工业大学2016年研发的HIT Hand IV，采用差动腱轮机构将电机数量压缩至6个，成本仅为DLRHand II的一半，其也是成为首个进入工业测试的国产灵巧手。3）商业化拐点（2022年至今），2023年，特斯拉Optimus Gen-2推出最新灵巧手方案，其采用6电机直驱+腱绳差速设计，自由度11个，成本降至1500美金，首次突破消费级市场成本阈值。 图2：腱驱动技术推动了灵巧手技术的发展 灵巧手种类多样，传动方式是核心维度。从驱动器放置位置划分，可以分为外置式灵巧手、内置式灵巧手和驱动器混合置式灵巧手，目前内置式灵巧手是主流方案。按照传动方式与驱动结构划分，可以分为四种，即腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、液压传动和混合传动（主要是特斯拉方案），其中腱绳传动方案一直是行业的主流方案。 表2：灵巧手的分类多样 主流厂商以海外为主，国内亦有成熟产品。从目前主要的灵巧手厂商看，SCHUNK、Shadow Robot、Clone Robotics等都是较为知名的品牌，如英国Shadow Robot公司推出的Shadow dexterous hand，德国SCHUNK的SF5H hand，德国FESTO的柔性多指灵巧手Bionic Soft Hand都是目前市面上已经较为成熟的商品化多指灵巧手产品。除去这些专业的灵巧手厂商，海外包括特斯拉、波士顿动力等均有自己的灵巧手产品推出。对国内而言，因时机器人的RH56BF3仿人型多指灵巧手是较为代表性的多指灵巧手产品，此外腾讯RoboticsX实验室、智元机器人、帕西尼，包括国内的部分电机传动公司，如兆威机电等均推出自己的灵巧手方案，产品方案和技术也逐步向成熟。 表3：国内外主流灵巧手厂商产品对比 特斯拉灵巧手方案持续迭代，降本是核心。2022年10月，特斯拉发布原型机，其展示的灵巧手方案为六空心杯电机驱动方式，5个手指拥有11个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，传动方案为电机+涡轮蜗杆+绳驱的方案，在空心杯关节之后引入了一级蜗轮蜗杆，一方面是针对线传动做旋转方向的转换，另一方面是利用蜗轮蜗杆的自锁特性去提升灵巧手的负载能力。但是，该种方案从成本和传动效率、运动延迟度等各方面均存在不足，因此，Optimus在此后多个版本的方案中对灵巧手进行整体升级，在降本为核心的路径中，驱动系统整体重构，2024年10月展示的灵巧手看，整体细节更加简洁，动作更加灵活，目前的灵巧手方案是电机通过行星滚柱丝杠驱动腱绳，同时自由度提升到22个，驱动装置前移至小臂。 图3：特斯拉二代灵巧手专利图（2023年） 图4：一代方案使用蜗轮蜗杆的方案 图5：2024年10月活动特斯拉展示的灵巧手细节 图6：特斯拉最新灵巧手方案自由度和灵活度大幅提升 2.灵巧手驱动和传动方式：电机、微型丝杠和腱绳 2.1.驱动方式：空心杯电机具备优势 驱动方式：电机位置决定灵巧手驱动方案的设计。驱动结构主要是指灵巧手模组的驱动源，目前大部分人形机器人均采用电驱模式，因此灵巧手的驱动源主要依靠电机。驱动器，即电机的放置位置，直接影响到灵巧手的方案设计，同时，灵巧手的自由度多少也会反过来影响驱动器安装位置。早期的多指灵巧手都是属于驱动器外置式多指灵巧手，且自由度不够高，随着电子元器件的发展，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式方式，但是目前的机器人多指灵巧手研制中，发现完全的驱动内置式多指灵巧手很难做到整个手指的全部驱动，逐步有混合式多指灵巧手的出现。 表4：国内外主流灵巧手厂商产品对比 电机的重量和成本是灵巧手降本关键。理论上看，外置电机在前臂能使整个手掌和手指释放更多的空间并且重量更轻，但是从近几年的灵巧手方案，以及电机小型化微型化的发展方向来看，集成电机于手掌或手腕处并非难事。从成本端看，灵巧手的成本结构主要围绕驱动、传动与传感三大模块展开。根据特斯拉Optimus灵巧手方案，包括电机在内的驱动系统占灵巧手整体成本约一半，因此电机的重量和成本是灵巧手轻量化和降本的关键。 图7：外置电机的灵巧手Utah/MIT hand 图8：内置电机的灵巧手HIT-DLR hand II 空心杯电机优点明显，适配人形机器人灵巧手的特殊需求。空心杯电动机属于微型直流永磁伺服电动机，与传统电机的不同之处在于，空心杯电机结构为转子无铁芯，转子无铁芯的结构设计一是可以降低电机质量，二是可以降低电机的机械损耗，便于延长电机寿命，从根本上杜绝了因铁芯而产生的铁耗，提升效率。作为高效率的能量转换装置，空心杯电机优点明显：1）节能性：能量转换效率高，其最大效率一般在70%以上；2）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）运行稳定且十分可靠，转速波动很小，能够容易的控制在2%以内；4）重量轻，体积小：空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻超过三分之一。由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可逾越的技术障碍，其在军事、各类工业产品、工业机器人、仿生义肢等广泛应用。对于人形机器人而言，空心杯电机各种特点都符合人形机器人需要，随着人形机器人未来放量，空心杯电机有望迎来需求爆发。 图9：空心杯电机的结构 图10：空心杯电机磁体需沿其径向方向充磁 图11：空心杯电机部分重点下游应用领域 无刷齿槽电机成本优势明显，技术进步背景下空心杯电机可能非必选项。参考鸣志电器和Maxon的各类产品价格对比，可以发现，无刷直流电机的成本更低，约为空心杯的50%甚至更低，同时，在现有技术下，无刷电机虽然体积略大，但是在最大效率和扭矩上都能做到和空心杯电机的性能的明显收敛。因此选择空心杯还是普通电机似乎差距不算很大。并且，对于手部而言，其特点更多体现在能方便走线，但中空走线同时意味着更长的横径和更大的体积，且价格也较一般电机更贵，因此对于需要更多电机的灵巧手而言，空心杯电机可能是非必选项。 2.2.传动方式：腱绳是主流方案，各厂商均有创新 根据第一章的分类情况，灵巧手的传动方式主要为腱绳传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动、液压传动等几种，其中腱绳方案在当前是主流设计方案。从传动层级角度去看，灵巧手的传动系统需将电机动力逐级传递至关节再到指尖，形成多关节协同运动，其核心分为三级，即一级传动、二级传动和三级传动。整体看，一级传动和二级传动是关键。 表5：灵巧手传动级别分类 表6：国内外主流灵巧手厂商产品对比 一级传动：行星减速器/行星齿轮箱或是主流方案。对于一级传动而言，因为减速器的作用不仅是在其中起到的增扭的效果，更重要是精度控制。从性能对比来看，谐波的精度最高，其他减速器的精度一般在1弧分以上，且多级减速器的精度会逐步减弱。另外，从传动效率看，谐波和行星要比蜗轮蜗杆的效率更高。但是由于谐波减速器价格偏贵，因此在国内大部分的厂商选型中，行星减速器是主流方案，而对于灵巧手而言行星齿轮箱是更具性价比的方案。 图12：精密行星齿轮箱减速机工作原理图 二级&三级传动：腱绳方案是主流，特斯拉选用微型丝杠+腱绳。很多时候二级传动和三级传动并没有明显区分，部分厂商会同时使用二级+三级传动，有的厂商则单独使用二级或三级传动。整体看，主要的传动方式包括肌腱驱动、齿轮驱动、连杆驱动、流体（液