人形机器人核心执行末端行业报告：灵巧手

灵巧手是机器人的核心执行末端。由于人们赋予了人形机器人拟人化灵活操作的预期，因此需要末端执行器具备高灵巧性、强适应性、高智能化的特征。灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，是机器人实现精细操作的基础，其需要完成抓、握、捏、拧、旋转等不同动作，以满足多元化的场景需求。灵巧手在机器人研发工程和整机成本中占据重要份额。国内外企业均在积极布局，灵巧手产品处于持续选代过程中。灵巧手关键组成部分包括驱动系统、传动系统、感知系统和控制系统，为了使灵巧手更契合落地场景和量产需求，其关键组成部分持续优化：驱动系统：自由度提升，电机需求增加；考虑性价比因素，除了空心杯电机外，无刷有槽电机应用有望提升；传动系统：关注微型丝杠&腱绳复合传动方式应用提升带来的精密传动零部件需求提升；感知/控制系统：随着灵巧手的功能性提升，触觉传感器作为感知环境的关键零部件，其需求将增加。我们认为，灵巧手是人形机器人的落地关键，后续的更新迭代仍具备较高的技术难度，具备灵巧手本体设计、生产能力的厂商有望在产业链中具备较大的话语权，盈利能力或处于领先水平。此外，为了提升灵巧手的功能性，关键零部件例如丝杠、减速器、电机、腱绳、触觉传感器等的应用需求也将增加，持续看好产业布局领先的技术优势企业。人形机器人的发展将为零部件制造商提供新的应用市场，技术同源、具备领先优势的相关企业有望受益。随着后续产业链下单&定点，机器人厂商更新产品近况，预计相关产业催化不断，重点看好各个产业链带来的增量机遇。受益标的：①丝杠：浙江荣泰、恒立液压、震裕科技、五洲新春、贝斯特等；②本体&电机：雷赛智能、伟创电气、兆威机电、捷昌驱动、鸣志电器、江苏雷利等；③减速器：绿的谐波、豪能股份、科达利等；④腱绳：大业股份、南山智尚等；⑤触觉传感器：汉威科技、日盈电子等。风险提示：人形机器人量产不及预期、市场竞争加剧、政策变化风险、AI技术发展不及预期等。 01灵巧手是人形机器人核心执行末端 灵巧手是人形机器人核心执行末端灵巧手是人形机器人的核心执行末端。人们赋予了人形机器人拟人化灵活操作的预期，其实现应用落地的关键在于可完成复杂、多变的操作指令，这就需要高灵巧性、强适应性、高智能化的末端执行器。灵巧手是以人手的结构和功能为模仿对象，是实现精细操作的基础，其需要完成抓、握、捏、拧、旋转等不同动作，满足多元化的场景需求。灵巧手在人形机器人成本占比14-18%。在特拉斯人形机器人开发过程中，马斯克曾透露，Optimus灵巧手的工程量可能会占到整机开发工程的一半。据亿欧统计，灵巧手成本占人形机器人整体成本的14%-18%。灵巧手需求多样化&具备多维应用场景。不仅服务于人形机器人，灵巧手可独立应用于医疗、工业自动化、危险作业环境等领域。1.1应用领域医疗领域灵巧手在假肢方面有较大应用前景。据中科院之声，中国科学技术大学及合作者成功研发了一套具备19自由度的轻质仿生灵巧手；它能复现人手级别的功能，不仅能提高人形机器人的灵巧操作能力，还有望为全球千万上肢截肢患者提供手部功能重建与日常生活辅助服务。未来随着脑机接口赋能，我们认为，灵巧手在医疗领域具备极大的发展潜力。工业自动化领域灵巧手较传动机械臂可实现更加精细化的操作。在电子制造、汽车制造等领域，相比于传动的机械臂，灵巧手因其更具灵活性，可完成精密零部件组装、检测等任务，以提高生产效率和良品率。危险作业环境领域灵巧手可保障作业安全与效率。灵巧手可应用于核电站检修、化工品搬运、消防救援等，从而替代人工进入高危区域，保障作业安全与效率。表：灵巧手应用领域多元资料来源：中科院之声公众号、人形机器人场景应用联盟、高工机器人公众号，华西证券研究所 具体情况 Optimus灵巧手持续进行迭代更新。据EVH1000机器人公众号，2024年11月28日，特斯拉机器人官方账号发布Optimus可接住扔给它的网球的视频新动态，特斯拉Optimus工程师MilanKovac解释，Optimus灵巧手的主要变化：①自由度增加，由原来的11个增加至22个；②驱动装置前置；③触觉传感器需求增加；④需要通过肌腱实现更精细的控制等。图：特斯拉第二代Optimus可实现用手捏鸡蛋资料来源：36氪，华西证券研究所时间详细说明2022/10Optimus原型机发布，手部有6个电机、11个自由度。2023/03Optimus的手部灵活性和抓握能力有所改进，使其能够处理较小的物体和执行更精细的操作，如拾取杯子、使用工具等。2023/09Optimus的手部功能增强，能够执行更复杂的操作，如精细抓取和轻拿轻放物体。视频中展示了机器人在复杂任务中的灵活性，例如处理易碎物品和完成精细的机械任务。2023/12发布第二代Optimus，配备了全新的双手，能够抓握更重的物体并进行更加精细的操作；演示视频中，机器人用手指捏起鸡蛋的能力受到广泛关注。2024/11特斯拉机器人官方账号发布视频新动态：Optimus已经可以稳稳地接住迎面抛来的网球并放下，手指可相对灵活地弯曲；自由度由11个增加至22个。表：特斯拉Optimus灵巧手迭代进程资料来源：智东西公众号、EVH1000机器人公众号、人形机器人联盟公众号，华西证券研究所 1.3国内多家厂商推出灵巧手产品，技术方案多元企业产品系列手指数自由度驱动方式因时机器人RH56BFX系列56电机RH56DFX系列56电机帕西尼DexH5系列412（主动5）电机DexH13系列4主动13电机灵巧智能DexHand021量产版519（主动12）电机星动纪元XHAND15主动12电机兆威机电ZW hand5主动17电机搭配微型减速器和丝杆驱动雷赛智能DH116普及型511（主动6）无刷空心杯电机DH2015高端型520（主动15）无刷空心杯电机DH2012通用型520（主动12）无刷空心杯电机DH2420旗舰型524（主动20）无刷空心杯电机宇树科技Dex3-137电机Dex5-1520（主动16）电机表：国内各主要厂商灵巧手产品参数情况（详细情况见报告末尾附录）资料来源：各公司官网、机器人大讲堂公众号、高工机器人公众号、电子发烧友网公众号，华西证券研究所国内灵巧手产品技术方案多元。国内多家企业包括因时、帕西尼、灵巧智能、星动纪元、兆威机电、雷赛智能、宇树科技均发布了灵巧手，产品方案多元，其中，①主要相似点在于自由度呈提升趋势、驱动方式以电机为主、感知技术呈现多维度/多模态的发展趋势；②主要不同点在于传动方式的选择，连杆、腱绳、齿轮、丝杆都有应用。 传动方式感知技术连杆6个压力传感器连杆6个压力传感器/多维度触觉传感器180个行星齿轮箱+丝杠+连杆1140个ITPU触觉传感单元+800万像素高清AI手眼相机腱绳位置、触觉、力觉齿轮每个手指配备一个高分辨率(>100点)触觉阵列传感器提供精确的三维力触觉和温度信息公司将继续研究更符合人体工学的电子皮肤/FOC电流与触觉融合的力位混合控制算法；标配6个触觉传感器/FOC电流与触觉融合的力位混合控制算法；标配触觉传感器/FOC电流与触觉融合的力位混合控制算法；标配触觉传感器，多模态传感器可选/FOC电流与触觉融合的力位混合控制算法；标配触觉传感器，多模态传感器可选齿轮9个阵列传感器（共33个压力传感器）复合/齿轮12个阵列传感器（共94个压力传感器） 2灵巧手产业链拆分&解析 相关公司：雷赛智能、捷昌驱动、兆威机电、因时机器人、宇树科技、灵心巧手、帕西尼等。相关公司：鸣志电器、江苏雷利、鼎智科技等。丝杠（单手价值量预估300-500元*17）+减速器（单手价值量预估300-500*17）丝杠相关公司：浙江荣泰、震裕科技、五洲新春、贝斯特等。减速器相关公司：绿的谐波、科达利、豪能股份、中大力德等。腱绳（单手价值量预估30-50元*17）相关公司：南山智尚、大业股份等。触觉传感器相关公司：汉威科技、柯力传感、日盈电子、苏州固锝等。资料来源：鸣志电器官网、爱采购、证券之星资讯，华西证券研究所预测注：上图为特斯拉第一代Optimus灵巧手示意图，仅供参考；上图测算中，我们预计电机：空心杯电机（单手价值量预估1000-2000元*17）、无刷有槽电机（单手价值量预估200-500元*17） 灵巧手的关键组成部分包括驱动系统、传动系统、感知系统、控制系统，具体如下：•驱动系统：负责提供动力，用于实现各手指的运动；按照驱动源不同可分为电机、液压、气压以及形状记忆合金等，目前以电机驱动为主。•传动系统：将动力转化为手指关节运动。灵巧手的传动方式较多，包括连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动、腱绳传动等。•感知系统：需要配置传感器实现感知能力，包括触觉传感器、力觉传感器等。•控制系统：处理传感器传来的各种信息，并根据预设的算法和指令，控制电机和传动装置，实现对灵巧手动作的精准控制。灵巧手的关键组成部分2.2灵巧手关键组成部分驱动系统负责提供动力，用于实现各手指的运动传动系统将动力转化为手指关节运动感知系统需要配置传感器实现感知能力控制系统处理传感器传来的各种信息，并根据预设的算法和指令，控制电机和传动装置，实现对灵巧手动作的精准控制表：灵巧手关键组成部分资料来源：来觅数据、人形机器人产业通，华西证券研究所 作用 资料来源：因时机器人官网、华西证券研究所 灵巧手驱动系统：以电驱为主灵巧手驱动系统，负责提供动力，用于实现各手指的运动。灵巧手自由度呈提升趋势。手部自由度越高，越能做出精细、复杂的动作，特斯拉Optimus的手部自由度呈现明显的提升趋势，一代灵巧手的自由度为11个自由度、二代Optimus的灵巧手达到22个自由度；同时，国内企业的也将自由度提升作为灵巧手产品迭代的关键更新。灵巧手目前以电机驱动为主。灵巧手的驱动方式主要包括电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动。液压驱动和气压驱动需要额外配备存储设备和驱动装置，设备总体体积较大；形状记忆合金存在运动精度不高和易疲劳等问题；电机驱动体积小、质量轻、控制方便、响应速度快、运动精度高，与减速装置配合，输出力矩大，可以满足灵巧手指对于驱动器体积、质量、输出力矩以及运动精度的要求。图：人手自由度分析资料来源：小米技术公众号，华西证券研究所2.2.1 资料来源：来觅数据公众号，华西证券研究所表：不同驱动方式对比分类优点缺点应用现状电机驱动响应快、精度高、控制能力强、输出力矩稳定质量体积较大，成本较高，控制复杂目前应用最为广泛，适用于多种场景，包括工业、医疗、服务机器人等液压驱动输出力矩大，适合大型抓取作业体积大，成本高，控制精度不足主要应用于工业机械手，较少用于小型或精密操作气压驱动易于控制，能量存储方便，接近人体肌肉驱动方式刚度低，动态性能差，可操作性不强广泛用于轻工业和物流分拣抓取形状记忆合金驱动体积小，重量轻，反应快速，适合高精度作业易疲劳，使用寿命低，成本高适用于需要高精度、小体积的场合，如微型机器人、精密装配等 2.2.1灵巧手驱动系统：以电驱为主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：驱动源数量=自由度数量。每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制，但结构复杂、成本较高。•欠驱动灵巧手：驱动源数量<自由度数量。缺少驱动源的部分进行耦合随动，硬件集成度较高，但限制了精度，不适用于对精细化操作要求比较高的场景。根据驱动器布局，灵巧手驱动方式可分为驱动器内置、驱动器外置、驱动器混合置式。•驱动器内置：电机位于灵巧手内部，手指的体积较大，控制精度较高，但不同手指均可使用同样的模块化设计，可维修性较强。•驱动器外置：电机位于手臂，空间较大，可以选用更大的驱动电机，且手指可以设计的更纤细，但控制精度较低。•驱动器混合置式：以韩国RoboRay hand为代表，大功率驱动器布置在前臂中，其余小功率驱动器则布置在手掌中。其优点在于能充分地利用电机功率、手部尺寸与人手相近、可自由配置各个手指关节的自由度，但是腱绳引线较难而且驱动系统和控制系统比较分散。证券研究报告发送给。版权归华西证券所有，请勿转发。 p11 资料来源