人形机器人行业深度报告：灵巧手持续迭代，关注技术路线收敛中的边际增量

报告核心观点◼下游场景推动灵巧手向仿人手迭代，市场前景广阔。2024年灵巧手市场规模达17.06亿美元，预计2025/2030年将增至19.21/30.36亿美元。工业机器人常用二指灵巧手执行简单夹取，人形机器人需求促使其向4指/5指及高自由度发展。◼从驱动方案来看，欠驱动、外置/混合置+电驱为主流，电机或由空心杯向无刷有齿槽切换。具体来看，1）欠驱动靠牺牲精度来降本和加速落地，应用更为广泛；2）外置驱动器和混合置牺牲一定精度短期简单场景落地更快。3）电驱动因模块化设计、精度高等特点为当前主流方案。4）特斯拉第三代灵巧手以无刷有齿槽电机替换部分空心杯电机，电机方案或将切换。◼传动方案涵盖齿轮/蜗轮蜗杆、连杆、丝杠、腱传动杆四类，各有优劣，均可映射至实际产品。其中，腱绳+丝杠复合传动可在保证灵活性的基础上提高传动精度，映射产品为特斯拉第三代灵巧手，契合未来趋势。◼从感知方案来看，多模态是既定趋势。1）力/力矩传感器趋于应变片式并向六维发展；2）柔性传感器（电子皮肤）技术路线多元，聚焦提升灵敏性和稳定性；3）MEMS压力传感器中，压阻式更成熟，多用于灵巧手指尖部位。◼特斯拉灵巧手迭代明确绳驱主流，实现自由度翻倍、传动升级、驱动切换及多模态感知突破。国内外产品普遍追求高自由度与多模态感知，凸显行业发展趋势。◼投资建议：推荐减速器+丝杠链企业【福达股份】，关注微型丝杠链【浙江荣泰】、【五洲新春】、【震裕科技】，关注腱绳链【大业股份】、【南山智尚】，推荐T链头部企业【拓普集团】。◼风险提示：人形机器人核心技术发展不及预期；人形机器人产业化落地进程不及预期；人形机器人零部件行业竞争加剧；人形机器人技术路线变更。 1.灵巧手：人形机器人与外界交互的媒介2.灵巧手方案百花齐放，路线仍未收敛3.从特斯拉灵巧手迭代展望未来趋势4.投资建议及风险提示 1.灵巧手：人形机器人与外界交互的媒介 数据来源：江苏远恒教育，因时机器人官网，东吴证券研究所◼灵巧手是一种末端执行器，相较于传统的工业机器人，其将手腕连接处的工具替换为手爪。◼人形机器人应用场景更为复杂，对灵巧手精细化提出要求，使得其从双指/多指向五指仿人手进行迭代。应用于工业机器人的双指/多指手爪功能较为单一，一般只支持夹取、上下料等简单工作；而人形机器人的灵巧手需要实现更为精细化的功能，比如捏取易碎物品、可适应不同物品的特性和形状等，故而要求其为仿人手打造。末端执行器的一种，灵巧手向仿人手迭代 图：灵巧手演变图：机器人末端执行器分类 数据来源：萝卜易机器人，焉知人形机器人，东吴证券研究所◼手的十三种基本的功能：悬垂、托举、触摸、推压、击打、动态操作、球形掌握、球形指尖握、柱状抓握、勾拉、二指尖捏、多指尖捏、侧捏等。手的功能建立在手与上肢的皮肤、筋膜、关节、肌肉等“执行器官”完整的基础上，并实现于神经系统多层级的精密调控与信息整合处理。◼人手自由度共有21个（不考虑手腕关节）：从解刨学角度看前端四指每个手指有4个自由度，其中掌指关节(MCP)具有2个轴线垂直相交的转动自由度，合计16个；大拇指5个，合计21个。◼灵巧手为了实现人手所能实现的功能，也要求具备与人手相差无几的自由度，以特斯拉OptimusGen3为例，预计拥有22个自由度。灵巧手与人手对比图：人手自由度 图：特斯拉Optimus灵巧手自由度 数据来源：CAAI认知系统与信息处理专委会，零零之间，东吴证券研究所◼灵巧手种类多样，在精度、灵活性、成本等多方面各有优劣：1）按照自由度数量可分为全驱动和欠驱动；2）按照驱动结构可分为驱动器外置、内置或混合制；按照具体驱动方式可进一步细分为电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动；3）按照机械传动形式可分为腱传动、连杆传动、齿轮/涡轮蜗杆传动、丝杠传动；4）按照感知技术可分为内部感知和外部感知。灵巧手类别多样，适用于不同应用场景图：灵巧手分类 ◼灵巧手价值量较高，以前瞻产业研究院数据为基准，预计灵巧手价值量占整机的10-20%左右，是成本占比最高的零部件之一。中商产业研究院数显示，2024年灵巧手市场容量为76.01万只，随着灵巧手功能持续完善，叠加下游人形机器人的放量，预计2025年灵巧手市场容量将达86.18万只，对应市场规模为19.21亿美元；2030年预计分别为141.21万只、30.36亿美元，5年复合增长率分别为10.38%、9.59%。灵巧手市场空间广阔数据来源：中商产业研究院，前瞻产业研究院，东吴证券研究所图：灵巧手市场容量预测 图：灵巧手市场规模预测 2.灵巧手方案百花齐放，路线仍未收敛 ◼按自由度，灵巧手分为全驱动和欠驱动。其中，全驱动指灵巧手的每一个自由度都配备一个独立的执行器；欠驱动指灵巧手的自由度数量大于所配备的执行器数量。◼全驱动灵巧手可通过独立的执行器分别来操纵灵巧手的各个关节臂部位，精度更高，具备更强的适应性，但成本更高、结构更为复杂；欠驱动灵巧手通过有限的驱动单元来拉动其余不具备执行器的部位，精度较低，但结构简单且成本较低，可以满足大部分特定场景。◼由于全驱动灵巧手壁垒较高，当前，以欠驱动灵巧手为主流方案的厂商更多。部分厂商将全驱动与欠驱动相结合，在功能性要求较高的手指（食指等）上采用全驱动方案，在功能性要求较低的手指（小拇指等）上采用欠驱动方案，以满足精度和成本要求。驱动方案：全驱动精度更高，欠驱动泛用性更强图：全驱动和欠驱动灵巧手构造对比图：全驱动和欠驱动灵巧手厂商对比数据来源：刘菲等《弹性欠驱动四指灵巧手设计与实验》，陶世减速机，知乎-任赜宇《欠驱动or全驱动？》，东吴证券研究所 ◼按驱动器所在位置可以把灵巧手分为外置和内置两种，混合置应运而生。其中，1）外置指将驱动器放在手部外部或手臂上，使手指更为纤细并且可以采用更大功率的驱动器以满足手指抓取的需求，但同时具有精度较低、无法反映手指关节位置和驱动力的缺点；2）内置指将驱动器集成在手指内部，具有更高的精度，但集成式驱动器会导致灵巧手的体积变大，会影响其灵活度；3）混合置指将主要的驱动器内置，便于精确控制，将辅助的驱动器外置便于提高抓取力。虽然混合置结合了内置和外置的一部分优点，但其由于部分驱动器外置，仍需要采用腱传动，结构复杂、重量较大。◼当前内置虽为当前市场的主流方案，但从短期来看，采用外置和混合置方案的灵巧手负载能力更强，ToB简单场景落地更快。随着后续技术的不断优化，精细化场景需求提升，驱动器内置式灵巧手需求量也将上升驱动方案：外置+混合置短期落地更快图：内置和外置驱动器灵巧手构造对比数据来源：Festo官网，舵轮加驱控V不走寻常路，焉知人形机器人，东吴证券研究所 图：驱动器内置和外置厂商 ◼按照驱动方式，灵巧手可分为电驱动、气压驱动、液压驱动、形状记忆合金驱动（SMA）。◼相较于其余驱动方式，当前电机驱动为主流，其具备控制精度高、响应速度快、模块化设计等优点，适用于较为精密的工作场景，与人形机器人更契合。液压驱动虽然工艺成熟，具有负载大的优点，但控制精度较低、响应速度慢，与工业机械更契合。驱动方案：电机驱动为主流方案驱动类型电驱动气压驱动优点控制精度高、响应速度快、模块化设计易于操作、重量轻、造价低缺点功率密度低无法精确运动，气动驱动器装备困难典型产品特斯拉Optimus灵巧手Shadow灵巧手、Utah/M.I.T.灵巧手表：不同驱动种类的灵巧手特性数据来源：章华《全驱动机械灵巧手的设计与分析》，马凝《全驱动五指灵巧手结构设计及控制系统的研究》，东吴证券研究所 液压驱动形状记忆合金驱动使用寿命长、质量轻噪声小、结构紧凑、质量轻控制精度低、响应速度慢、体积大工作效率低、易发生疲软德国卡尔斯鲁厄大学STEFANSCHULZ团队产品Hitachi灵巧手 ◼电驱动灵巧手所采用的电机可分为空心杯电机、无刷直流电机、无框力矩电机三大类。◼空心杯电机因其体积小、转速高等优势为当前灵巧手电机主流方案，典型产品为特斯拉一代灵巧手；无框力矩电机可以提高部件的负载能力，在人形机器人手臂中用量较多，与灵巧手的精细化场景匹配度较低且成本较高，当前应用较少。◼无刷有齿槽电机是无刷直流电机的一种，是高集成化和成本的折中选择。特斯拉二代灵巧手将电机从手部移到小臂，空间的释放使得无刷有齿槽电机的应用空间显现。虽然其相较空心杯电机而言，在响应速度和精度上略有不足，但成本较低、使用寿命较长，顺应灵巧手降本趋势。空心杯电机无刷直流电机结构采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子，属于直流永磁的伺服、控制电机。永磁体转子+绕组定子，无电刷原理线圈与永磁场直接作用，无铁芯摩擦，无无涡流造成电能损耗，且因重量和转动惯量低而减少转子自身机械能消耗电子换向（霍尔传感器/编码器）控制旋转磁场，实现无接触的换向。优势超高响应速度（毫秒级）、轻量化、高效率（一般在80%以上）、低转动惯量高效率（可达90%以上）、长寿命（无电刷磨损）、低噪音转速非常高，可达每分钟数万转转速较高，但通常在10000转以下响应速度启动、制动迅速，相应极快，机械时间常数小于28ms小于无刷空心杯电机噪音极低较低，无电刷摩擦及换向电流噪声运行稳定性转速波动小，作为微型电动机其转速波动能够容易地控制在2%以内。稳定性较好驱动方案：空心杯或向无刷有齿槽切换表：灵巧手各类电机区别数据来源：观研天下，东吴证券研究所 无框力矩电机无外壳设计，转子和定子直接集成到负载轴基于电磁感应，精确控制定子绕阻电流产生的磁场与转子永磁体磁场相互作用，无框结构优化磁场分布和力矩传递效率。效率在80%-90%，转动惯量较低通常在每分钟数千转以下，侧重稳定力矩输出，高转速时受散热和机械强度影响。响应速度极快，能在毫秒级甚至微秒级对控制信号进行精确力矩调整。小运行稳定，能能长时间保持稳定力矩输出，受干扰小，可通过闭环控制提高稳定性。 ◼齿轮传动一般由微型减速器带动齿轮组实现传动。其中，微型减速器主要为谐波减速器和行星减速器。谐波减速器由于传动精度较高，一般用于指关节；行星减速器承载能力强，一般用于手部，且成本较低。◼蜗轮蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递交错轴之间的运动和动力，具备传动效率高且稳定性好的特点。◼齿轮/蜗轮蜗杆传动均将旋转变成直线运动，虽然驱动较为灵活，但均有结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱的缺点。表：谐波减速器和行星减速器对比传动方案：齿轮/蜗轮蜗杆传动效率高体积大数据来源：肖曙《谐波传动机器人关节力矩估计关键技术研究》，桂伟《精密行星减速器优化设计与结构可靠性分析》，沐风机械，东吴证券研究所类型谐波减速器行星减速器示意图优点机构简单、零件少，传动比高，传动精度高承载能力强，成本较低缺点周期性形变易产生疲劳损坏，散热条件差，成本高传动精度较谐波减速器略低适用部位指关节手部图：蜗轮蜗杆传动示意图 ◼连杆传动系统通过一系列刚性或半刚性的连杆组件将动力源的运动传递到末端执行器，并以此实现手指的运动。相较于齿轮/蜗轮蜗杆传动，其通过损失一定的传动效率来提高灵巧手的承载力，具有刚度好、加工制造容易、传动精度较高，可实现多种运动规律和运动轨迹的优点。但与齿轮/蜗轮蜗杆传动类似，连杆传动方案同样具有结构复杂、重量大、抗冲击能力弱的缺点。◼当前采用连杆传动方案的典型产品有BeBionicHand、因时机器人-RH56DFX等。图：连杆传动灵巧手构造传动方案：连杆传动承载力高但效率低数据来源：严玺《仿人灵巧手的结构设计及控制研究》，小米技术，东吴证券研究所 图：BeBionicHand ◼丝杠传动与齿轮/蜗轮蜗杆传动相同，也将旋转变成直线运动，方案主要可分为梯形丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠。其中，滚珠丝杠和行星滚柱丝杠在灵巧手中采用较多。◼相较于梯形丝杠，滚珠丝杠和行星滚柱丝杠在精度和寿命上有显著提升，与当前人形机器人精细化场景相契合，但是成本较高。其中，行星滚柱丝杠成本更高，约为滚柱丝杠的3-5倍。◼丝杠传动虽然精度较高，但是柔性较差，灵活性有待提高。表：微型丝杠对比传动方案：丝杠传动精度高柔性差梯形（滑动）丝杠示意图结构特点采用滑动摩擦原理