汽车行业深度：特斯拉引领灵巧手技术升级，驱动、传动和感知方案迭代催生新投资机遇

汽车行业分析师：刘欣畅S0740522120003liuxc03@zts.com.cn 汽车行业分析师：白臻哲S0740524070006baizz@zts.com.cn 汽车行业首席分析师：何俊艺S0740523020004hjy@zts.com.cn 汽车行业分析师：汪越S0740525010002wangyue07@zts.com.cn 汽车行业分析师：毛䶮玄S0740523020003maoyx@zts.com.cn 12025年4月2日 灵巧手：灵巧手作为人形机器人末端执行器，在机器人与环境的交互以及任务执行中起到关键作用。人手拥有21个自由度，灵巧手进行仿人手设计是为了方便机器人复用人类生产所用工具，因此机器人灵巧手的复杂程度远超其他机器人部件。灵巧手设计的关键要素包括驱动、传动和感知，设计朝着更多自由度、更接近人手和更轻量化方向发展。 特斯拉Optimus灵巧手复盘，自由度+驱动+传动+感知全面升级。Optimus一代灵巧手拥有6个主动自由度，驱动采用空心杯电机，传动采用齿轮箱（齿轮+蜗杆）+金属腱绳方案，每个手指搭配霍尔效应传感器，缺点在于无法精密抓取，仅适合用于工厂环境。1）Optimus新一代灵巧手核心变化：①单手自由度提升至22个；②电机增加至13/17个；③无刷有齿槽电机替换部分空心杯电机；④采用行星齿轮箱+行星滚柱丝杠+腱绳三级传动方案；⑤触觉传感器覆盖更广，集成六维力传感器。2）基于以上变化，我们展望未来：①特斯拉方案引起其他本体厂模仿；②灵巧手可用场景或从工厂升级至C端；③降本是设计方案的重要考量因素。 驱动：电机是灵巧手理想驱动方案，数量一般与自由度对应。空心杯电机因其平稳、低噪音、结构紧凑等优势被用于灵巧手，海外大厂在专业绕线设备和绕组设计上具有优势，2022年五大空心杯电机企业占据67%市场份额。无刷有槽电机尺寸相对较大，但可将灵巧手电机外置于手臂，从而降低空间的限制，无刷有槽电机未来有机会替代部分空心杯电机，帮助灵巧手降本和供应链国产化。建议关注：兆威机电、鸣志电器、拓邦股份、鼎智科技、伟创电气、禾川科技。 传动：减速器持续创新，腱绳传动广泛使用，丝杠为重要增量。1）减速器：行星和谐波减速器可用于灵巧手中，行星减速器价格优势明显，国产化空间显著，建议关注：中大力德、绿的谐波。2）腱绳：腱绳传动灵活柔性，是应用最多的传动形式，主流腱绳材料包括钢丝绳和超高分子量聚乙烯纤维，建议关注：同益中、南山智尚、石化油服、恒辉安防、大业股份。3）丝杠：价值量高且为灵巧手新增部件，与腱绳复合传动可实现优势互补，行星滚柱丝杠具备高精度和传动效率，目前成本较高，随着降本有望逐步取代滚珠丝杠成为主流传动方案，目前国产化率还较低，建议关注：五洲新春、恒立液压、北特科技、长盛轴承、双林股份。 感知：感知能力是灵巧手应用的基础。1）六维力传感器：常安装于手腕脚腕关节，高价值品类，建议关注：东华测试、柯力传感、安培龙。2）柔性触觉传感器：覆盖面积增加，感知维度精度增加，未来传感器有望从灵巧手拓展至全身更多部位，建议关注：汉威科技、福莱新材、申昊科技。 风险提示：人形机器人商业化进度不及预期；人形机器人降本进度不及预期；市场竞争加剧；灵巧手及相关配件国产化不及预期；政策支持不及预期；市场空间测算偏差的风险；研究报告中使用的公开资料可能存在信息滞后或更新不及时的风险。2 ◼1）在特斯拉Optimus概念阶段，市场认知在集中于T链Tier 1、执行器和减速器等价值量高、壁垒高的环节；2）Optimus不断迭代升级，行情围绕每次技术升级方向展开；3）Optimus即将量产，叠加华为等多家大厂入局，机器人行情向外围标的扩散。 目目录录 一、灵巧手：机器人执行任务的关键，特斯拉Optimus灵巧手历经迭代 灵巧手复杂程度远超机器人其他部件，自由度向仿人手方向发展灵巧手驱动、传动、感知方案多，各有优劣特斯拉Optimus Gen3灵巧手对自由度、电机、传动方案、感知能力进行全面升级 二、关键要素：驱动方案、传动方案、感知方案 电机：需求量随自由度增加而增加，空心杯电机小型化匹配灵巧手需求，无刷有齿槽电机或成为降本替代方案减速器：行星&谐波减速器在灵巧手均有应用，行星减速器价格优势明显，国产化空间显著腱绳：结合丝杠或成为主流传动方式，材料可选钢丝或超高分子量聚乙烯纤维丝杠：结合腱绳复合传动或成主流，价值量最高增量零部件，行星滚柱丝杠降本后会成为主流方案传感：六维力传感器价值量高用于灵巧手手腕，柔性触觉传感使用面积增加 三、投资建议：关注价值量高环节+技术演进方向，技术壁垒与降本速度或为公司主要竞争力 兆威机电：微型驱动+传动切入灵巧手，布局整机解决方案中大力德：精密减速器国产化标的，机器人布局领先北特科技：汽车底盘领军者拓展机器人丝杠，产能布局领先柯力传感：六维力传感器进度领先，布局触觉传感完善生态四、风险提示 ◼灵巧手是人形机器人末端执行器，通过模仿人手结构可实现装配、拆卸、抓取等复杂任务，常安装于机器人腕部末端，对提升机器人柔性与易用性至关重要，其性能优劣很大程度决定机器人整体工作表现。◼人手拥有21个自由度，复杂程度远超机器人其他部件。人手的每根手指各有3个俯仰（Pitch）的自由度，共15个。食指、中指、无名指、小拇指在指根关节各有1个旋转（Roll）自由度，大拇指有2个旋转（Roll）自由度，总计6个。整体人手自由度为21个，此外手腕关节还有额外6个自由度。 ◼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。 ◼灵巧手主要的驱动方式包括4种：液压驱动、电机驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动。◼灵巧手的主要传动方式有连杆传动、齿轮传动、带传动以及线绳传动。 ◼灵巧手结构设计发展主要有三个方向：①可变自由度设计，通过变体结构，针对不同对象用不同自由度模式拾取以提高成功率；②高度仿生化，引入更多自由度，部分或完全实现人类手部手势和动作，以替代人手作业；③轻量化，设计能用较少自由度实现高自由度结构功能的新型结构，通过减少驱动器数量，在不降低拾取和运动性能的前提下实现机械手轻量化。 ◼Optimus一代灵巧手拥有6个主动自由度，驱动采用空心杯电机，传动采用齿轮箱（齿轮+蜗杆）+金属腱绳方案，每个手指搭配霍尔效应传感器，缺点在于无法精密抓取，仅适合用于工厂环境。 ➢齿轮箱+腱绳传动：由1个齿轮和1个蜗杆组成，齿轮固定于电机输出轴，蜗杆的滑轮与腱绳相连。电机运转时，输出轴旋转经齿轮、蜗杆、滑轮传动，最终拉动腱绳 ➢6电机驱动：内部结构为6个电机和齿轮箱，5个电机可驱动对应手指的近端指节和远端指节运动，第6个电机负责驱动拇指外展或内收 ➢5指11自由度：Optimus一代灵巧手包括1个手掌和5个手指，各手指含近端、远端部件及基部件，近端与手掌、远端与近端部件间可相对旋转，手指能独立驱动 来源：特斯拉灵巧手专利WO2024/073138A1,机器人前瞻公众号，中泰证券研究所 ◼Optimus一代灵巧手拥有6个主动自由度，驱动采用空心杯电机，传动采用齿轮箱（齿轮+蜗杆）+金属腱绳方案，每个手指搭配霍尔效应传感器，缺点在于无法精密抓取，仅适合用于工厂环境。 ➢传感：使用霍尔效应传感器，手指包含一个磁铁，手指的运动影响磁场被霍尔效应传感器监测 ➢单指的关键部件有近端指节、远端指节、枢轴和腱绳。近指节与手掌相连，远指节和近指节相接，均可绕枢轴转动。腱绳一端连接电机或齿轮箱，另一端与远指节及其结构啮合 ➢腱绳传动：电机拉动腱绳，拉力经腱绳传导至远指节部件，致使近指节部件绕第一枢轴旋转，或远指节部件绕第二枢轴旋转 来源：特斯拉灵巧手专利WO2024/073138A1,机器人前瞻公众号，中泰证券研究所 ◼Optimus新一代灵巧手核心变化主要包括驱动系统外置于手臂中，自由度由11个提升至22个并且采用丝杠替代蜗杆与腱绳组成复合传动系统。 ➢驱动系统外置于手臂中：驱动系统外置于手臂中摆脱掌内空间狭小限制，可增加更多自由度，同时电机体积容忍度增加 ➢自由度提升：Optimus gen3灵巧手自由度由11个提升至22个 ◼Optimus新一代灵巧手核心变化：（1）自由度提升，单手从11个增至22个；（2）电机增加，主动自由度从6个预计提升至17个，所需电机数量增加至13/17个；（3）切换无刷有齿槽电机，电机位置移至手臂，体积限制解开，无刷有齿槽电机替换部分空心杯电机；（4）采用行星齿轮箱+行星滚柱丝杠+腱绳三级传动方案，提升传动效率、精度、载荷及远距离传动能力；（5）传感系统升级，触觉传感器覆盖更广，集成六维力传感器。 ◼展望：（1）特斯拉灵巧手具有示范效应，特斯拉方案引起其他本体厂模仿；（2）能力越来越接近人手，可用场景或从工厂升级至C端；（3）降本是设计方案的重要考量因素。 ➢电机需求提升：若除拇指以外每个手指由1个电机驱动，电机需求预计由6个提升至13个,若由2个电机驱动，则电机需求提升至17个 ➢丝杠+腱绳复合传动：Optimus Gen3保留了末端腱绳的传动方式，电机端将蜗杆替换为微型丝杠，有效提高传动效率并提升灵巧手操控精度和负载能力 丝杠替代蜗杆 来源：特斯拉灵巧手专利，X平台TeslaOptimus账号，中泰证券研究所 目目录录 一、灵巧手：机器人执行任务的关键，特斯拉Optimus灵巧手历经迭代 灵巧手复杂程度远超机器人其他部件，自由度向仿人手方向发展灵巧手驱动、传动、感知方案多，各有优劣特斯拉Optimus Gen3灵巧手对自由度、电机、传动方案、感知能力进行全面升级 二、关键要素：驱动方案、传动方案、感知方案 电机：需求量随自由度增加而增加，空心杯电机小型化匹配灵巧手需求，无刷有齿槽电机或成为降本替代方案减速器：行星&谐波减速器在灵巧手均有应用，行星减速器价格优势明显，国产化空间显著腱绳：结合丝杠或成为主流传动方式，材料可选钢丝或超高分子量聚乙烯纤维丝杠：结合腱绳复合传动或成主流，价值量最高增量零部件，行星滚柱丝杠降本后会成为主流方案传感：六维力传感器价值量高用于灵巧手手腕，柔性触觉传感使用面积增加 三、投资建议：关注价值量高环节+技术演进方向，技术壁垒与降本速度或为公司主要竞争力 兆威机电：微型驱动+传动切入灵巧手，布局整机解决方案中大力德：精密减速器国产化标的，机器人布局领先北特科技：汽车底盘领军者拓展机器人丝杠，产能布局领先柯力传感：六维力传感器进度领先，布局触觉传感完善生态四、风险提示 ◼电机是灵巧手理想驱动方案，电机数量与自由度对应。电机具有体积小、响应快、调控方便、稳定性好、精度高、输出力矩稳定的优点。一般情况下，灵巧手的自由度与驱动电机相对应，灵巧手自由度增加也会带动驱动电机需求增长。◼电机分类：按电源分直流（有刷/无刷）和交流（异步/同步）电机，按用途分驱动电机和控制（伺服/步进）电机。◼直流电机运行原理：电机运行依据电磁感应定律，电流流经转子线圈产生与定子固定磁场互斥的磁场推动转子转动，同时借助换向器及电刷改变线圈电流方向，使转子磁场始终与定子磁场互斥，从而实现持续旋转。 ◼空心杯电机是一种直流永磁的伺服控制电机，主要应用于末端灵巧手。 ◼空心杯电机的无铁芯结构有效提升了电机性能，具备效率高、响应快、转速高、噪声小、寿命长等特点，空心杯电机按照换向方式可分为空心杯有刷电机和空心杯无刷电机两类。 ◼空心杯电机特点：（1）无齿槽效应：低速运行平稳，低振动，低噪音，转子可控制在任意位置；（2）结构紧凑：磁路设计更优，功率密度更高，温升低，效率高；（3）低电感：高动态响应，高加速度。 ➢优点：高工作效率、高功率密度、无齿槽效应和转矩滞后、低启动转矩、转子与定子间无径向作用力、低噪声、快速响应、高峰值转矩、正弦波形平滑、良好的散热效果 ◼空心杯电机核心技术壁垒在于绕线，其直接决定电机体积、转速、功率密度和良率等性能。空心杯电机因无齿槽、无定子槽的独特结构，需高精度悬空绕线，对导线参数把控严苛，且要