人形机器人灵巧手专题：从“做出来”到“卖出去”Ⅱ

从“做出来”到“卖出去”Ⅱ —人形机器人灵巧手专题 2 0 2 5.9.2 4 分析师：王可执业证书编号：S0740519080001Email：wangke03@zts.com.cn 灵巧手从仿生人手出发，是人形机器人重要末端执行器。 ✓灵巧手从仿生人手出发，旨在拓展人类能力边界。人手的演化伴随着人类操作能力从简单抓握向精细操作的提升，灵巧手结构基于人手，旨在模拟人手参与真实世界的感知、操作、情感交互功能。 ✓灵巧手是人形机器人重要末端执行器。灵巧手相比传统夹爪，泛化能力更强，可实现多任务迁移；相比机器人下肢，能实现交互感知、精细操作，价值量占比更高，是人形机器人重要末端执行器。随着柔性电子皮肤和感知运控算法的发展，灵巧手将向“全感知”和“自适应”演化。 ✓分为驱动、传动、感知三大系统。灵巧手的构成为①驱动系统（价值占比最高）：以电机驱动为主流，空心杯电机应用广泛，有齿槽无刷电机或成低成本替代方案；②传动系统：存在腱绳和连杆两大方案，连杆可控性强，是国内主流，同时关注减速器和丝杠环节；③感知系统：重点关注位置传感器、力/力矩传感器、触觉传感器。 灵巧手技术路线可划分为仿人和特化两大路线。 ✓仿人路线是目前的主流路线。仿人路线的灵巧手为具备人手运动效果与感知能力，自由度接近人手，广泛采用腱绳传动以模拟人手肌腱收缩，配备丰富触觉传感器，并呈现出向柔性电子皮肤发展的趋势，典型产品包括兆威机电ZWHAND、宇树UnitreeDex5等。 ✓特化路线聚焦“高适应性”，面向特定需求场景。特化路线以“拓展灵巧手应用边界”为目标，可应对多样化操作场景。以创新结构为设计核心，突破传统灵巧手局限。典型案例包括中国科大团队研发的章鱼触手形方案、加州大学团队研发的卷尺形方案等。 长期看消费场景需求广阔，短期灵巧手在特殊场景及工业场景率先落地。不同场景对灵巧手设计有针对性要求。①消费场景下：灵巧手是智能化的关键，要求高灵活性与强交互性，采用空心杯电机+腱绳传动+柔性电子皮肤方案。②特殊场景下：灵巧手需增强感知、特化防护。③工业场景下：灵巧手降本增效需求迫切，可能转向有齿槽无刷电机+连杆传动方案。特殊场景机器代人需求迫切，有望率先落地。灵巧手可使人形机器人具备操作能力、能够进入危险环境作业、真正实现替人，或将很快落地。工业场景空间广阔，降本增效加速灵巧手渗透。3C电子、汽车制造等行业需频繁调整产线，灵巧手泛用性强，是柔性制造的重要一环；当前国产灵巧手价格持续下探，助力灵巧手加速落地。 行业相关标的梳理：关注灵巧手整机、驱动电机（空心杯电机）、丝杠（滚珠丝杠、行星滚柱丝杠）、减速器（谐波减速器、行星减速器）、传感器（六维力/力矩传感器、触觉传感器）、PEEK材料。 风险提示：人形机器人产业推进进度不及预期、相关标的业务进展不及预期、相关标的业绩不及预期、研报使用的信息存在更新不及时风险。 灵巧手：人形机器人重要末端执行器1 2技术路线：仿人主流与特化创新并行，共拓应用边界 目录 应用场景：特殊场景率先落地，工业场景赋能柔性制造3 C O N T E N T S 相关标的梳理 4 1.1、人手重要性：人手是人类生存、创造和发展的关键工具 手的演化伴随着人类操作能力从简单抓握向精密操作的提升。在约3.6亿年前四足动物的起源过程中，带有指趾结构的强壮四肢逐渐形成；大约6500万年前的灵长类动物化石显示其拥有可能与抓握树枝相关的长手指结构；大约450~300万年前，古人类手的进化反映出精密操作能力的增强，化石证据显示当时人类已会制作并使用工具（石器）。 现代文明中，人手的力量抓握、精捏等动作至关重要。人手共有24个自由度（手指21个自由度+腕的外展、腕的弯曲和手掌的弧度3自由度），这种结构使人手可完成力量抓握、精捏等核心动作。这些动作在现代人类日常生活中经常被使用到，例如在清洁、烹饪等活动中。 1.2、灵巧手从仿生出发，旨在拓展人类能力边界 灵巧手的结构基于仿生人手。灵巧手在结构设计上模仿人手，以达到人手的灵活性与稳定性。人手的骨骼结构是其功能的基础：①第1掌骨的位置使拇指可以自由地越过掌心对向其余4指；②控制手弓的凹陷程度允许人手安全握住和操控各种形状和大小的物体；③腕掌关节大大提高了手的灵活性；④掌指关节是支撑手部掌弓活动的拱顶石，其附属运动使得手指更好地适应所持物体的形状；⑤指骨间关节仅可做屈曲和伸展运动，拇指指骨间关节可以在用拇指指腹给物体施加压力时过伸。灵巧手设计目标在于模拟人手的核心功能、突破人类生理限制，并在特定领域实现性能增强。1）感知与信息处理：通过多模态感知技术感知物体的形状、姿态、表面纹理等信息，使得灵巧手能够像人手一样对物体进行精细的感知和判断，为后续的操作和决策提供准确的信息支持；2）工具操作与生产力创造：灵巧手的设计使其能够像人手一样灵活地操作各种工具，精确地抓取和操作零件，进行装配、加工等操作，提高生产效率和质量；3）社会交互与情感沟通：灵巧手可以模拟人手的动作，与人进行自然的互动，还能通过握手、拍肩等动作表达关怀和鼓励，增强情感体验。 1.2、灵巧手从夹持器演化而来，关键在于泛化能力 灵巧手属于抓手类末端执行器，可实现抓持和操作。末端执行器是机器人动作决策的执行输出工具，按功能分为两大类：①工具类末端执行器根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口；②抓手类末端执行器担负着执行各种动作、抓持和操作的任务，经历了从两指夹持器（结构简单、适配单一场景）、多指抓持手（仅能抓持、无法操作）到多指灵巧手（更高系统集成度、更强感知能力、可实现抓持和操作）的发展过程。 灵巧手泛化能力强于传统夹爪，可实现多任务迁移和使用工具。传统工业夹爪重复精度达±0.02毫米，对抓取成功率要求极高，特点是精密力控、大行程，需要每个任务单独编程。灵巧手由于传动链路更长，重复定位精度基本只能达到±0.2毫米，可实现多任务迁移和使用工具，泛化能力更强，优势在于柔性生产、快速部署和换型，比如抓治具、拣货、包装入盒等，比人从事同类工作良率更高、一致性更好，但相对来说又有一定的容错率。 1.2、灵巧手是人形机器人重要末端执行器 灵巧手相对下肢重要性更强。 ✓①灵巧手是人形机器人与外界交互感知的重要枢纽。灵巧手集成丰富传感器，可助机器人对外界进行感知交互；而下肢主要搭载压力传感器、惯性测量单元等，作用主要为满足自身平衡与移动需求。 ✓②灵巧手是人形机器人实现精细操作的执行终端。对于人形机器人，主要提供操作功能的是上肢，下肢虽在部分任务中也可辅助操作，但主要提供本体支撑、全身协调与移动功能。 ✓③灵巧手是人形机器人高价值量环节。灵巧手占人形机器人整机成本的14-18%，其技术溢价能力高于下肢，性能直接决定人形机器人的商业化落地广度与深度。 灵巧手向“全感知”和“自适应”方向发展。灵巧手诞生于上世纪70年代，大致经历了三个发展阶段。①1970-1990，具备基础结构（驱动+传动+感知），可实现简单抓取；②1990-2020，随着嵌入式硬件发展，系统集成度提高，感知能力提升；③2020至今，随着电子皮肤的发展和感知与运控算法的进步，向“全感知”和“自适应”方向发展。 1.3、灵巧手构成：由驱动+传动+感知构成，驱动价值量占比最高 典型灵巧手由驱动、传动、感知三个系统组成。1）驱动系统：提供动力；2）传动系统：将驱动系统产生的动力转换为手指关节运动；3）感知系统：感知自身变化和外界环境。 成本拆分中驱动系统占比最高。以Tesla Bot灵巧手为例，成本结构中，单只灵巧手约11650元，驱动系统（驱动器、空心杯电机）占比约67%，传动系统（蜗轮蜗杆、行星齿轮箱）占比约12%，感知系统（编码器）占比约21%。 来源：智能制造IMS，中泰证券研究所 1.3.1、驱动：驱动方式多样，以电机驱动为主流 驱动系统负责为灵巧手提供动力。主要驱动方式包括电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动。 大多数灵巧手选取电机驱动方式。灵巧手可以从输出力矩、反应的快慢、灵巧手控制性能、可靠性、使用期限以及造价等综合因素选取驱动源。电驱方案有着响应快、精度高、可靠性高等优点，如今的大多数灵巧手选取的都是电机驱动方式。 1.3.1、驱动：空心杯电机紧凑而高效，目前广泛应用 空心杯电机是一种直流永磁伺服电动机，在结构上突破了传统电机的转子结构形式．采用无铁芯转子，定子为空心杯状，外形尺寸紧凑，机体轻巧。 ✓①新颖转子结构减少能量损耗。空心杯电机新颖的转子结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的能量损耗。 ✓②相比普通电机效率高、轻量化。空心杯电机效率高、响应速度快、灵敏度高、轻量化，完美契合灵巧手空间小但精度要求高的特点。 ✓③目前多款灵巧手采用空心杯电机作为驱动方案。目前兆威ZWHand、特斯拉Optimus第一代灵巧手、因时机器人灵巧手、雷赛智能DH2015、星动纪元XHAND1等灵巧手产品都选择使用空心杯电机作为其驱动方案。 1.3.1、驱动：直流有齿槽无刷电机或成降本方案 直流有齿槽无刷电机是一种通过电子换向替代传统机械换向的电机，相较传统有刷电机，直流有齿槽无刷电机寿命长、速度高、效率高、噪声低。 直流有齿槽无刷电机相对无刷空心杯电机的优势是高负载、低成本。 ✓①其高负载特性适配低速高功率场景。直流有齿槽无刷电机的起动扭矩较大，适合需要低速、高功率输出的场合。无槽直流无刷电机（例如无刷空心杯电机）适用于高速、高转矩密度、小空间的工作场合 ✓②可能凭借低成本特性替代空心杯电机。鸣志电器官网显示，有刷空心杯电机售价在1000-2000元不等，无刷空心杯电机售价在1000-3000元不等，而直流有齿槽无刷电机售价普遍在1000元以下。在低速高功率场合使用直流有齿槽无刷电机替代空心杯电机能够有效实现灵巧手电机部件的大幅降本。 1.3.2、传动：传动方案多样并可组合使用，连杆方案是国内主流 传动系统将驱动系统的动力传递到手指关节，使关节运动。以Tesla的灵巧手为例，其传动装置分为三个环节：①减速模块：位于电机侧，负责降速和提高输出扭矩；②线性传动：将旋转运动转换为直线运动；③末端传动：连接驱动器和关节末端。 连杆方案可控性强，是国内主流。当前灵巧手的传动方案主要包括腱绳传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动等。部分厂商使用单一方案（如曦诺未来的全绳驱方案），也有部分厂商采用混合方案（如智元SkillHand的“丝杠+连杆+腱绳”混合传动方案），目前腱绳方案和连杆方案应用最为广泛：①腱绳方案节省空间、柔韧性好、成本较低，但其一致性和刚度略差，长期使用后腱绳易拉伸变形，导致精度下降；②连杆方案存在结构冗杂、笨重、柔性不足的问题，但是刚度大、负载能力强、结构稳定，成为国内主流，落地产品包括因时机器人-RH56DFX等。 腱绳+连杆混合方案兼顾仿生、精度与握力，有望成为趋势。腱绳使得灵巧手的运动更接近人手，而机械连杆能提供更高的负载和精度，混合方案兼顾仿生、精度与握力，有望成为未来趋势。 1.3.2、传动：减速器、丝杠是关键环节 减速模块主要使用行星减速器，未来有望向谐波减速器过渡。灵巧手的减速模块将高转速、低转矩的输入转换为低转速、高转矩的输出，同时起到增加传动精度和增加负载能力的作用。减速模块主要关注行星减速器和谐波减速器。①行星减速器精度略逊，但承载能力高、成本较低，是当前主流方案；②谐波减速器体积小、重量轻、精度高，适配灵巧手轻量化、高精度的需求，但成本较高，未来随着技术进步，有望实现降本、替代传统方案。 线性传动的主流方案是丝杠，关注滚珠丝杠（中低负载）与行星滚柱丝杠（高负载）。线性传动环节将旋转运动转换为直线运动，主流方案是丝杠，主要包括滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。行星滚柱丝杠相比滚珠丝杠具有承载高、速度高、体积小、寿命长等优点。在相同体积下，行星滚柱承载能力强于滚珠丝杠，但滚