机器人行业深度研究：机器人灵巧手的发展历程及未来发展方向探讨

投资逻辑： 本篇报告聚焦机器人灵巧手，主要探讨灵巧手的演变历程、分类方式以及未来有可能的发展方向。 什么是机器人灵巧手？ 综合机器人学和运动学理论，我们认为灵巧手是指数不少于3，自由度不低于9的末端执行器。 从技术角度看，自20世纪70年代以来，多指灵巧手的研究经历了三个阶段：（1）20世纪70年代——20世纪90年代，灵巧手开始搭载电机、腱绳等驱动器或传动系统部件，可以完成基本的抓持等动作。（2）20世纪90年代-2010年，受益嵌入式硬件的发展，灵巧手具备更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。（3）2010年至今，通过欠驱动等结构设计来简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的重要方向。 机器人灵巧手有哪些类型？ 根据驱动器位置分为驱动器内置、外置和混合置灵巧手，内置微型驱动器有望成发展方向。（1）驱动器外置具有 外观设计拟人化、驱动器选型自由、可以采用更大的驱动电机等优势，但存在驱动器与手本体距离远，须借助腱绳连接、可维护性差等缺点。（2）驱动器内置利于传感器直接测量、利于更换维护，但通信和控制难度大，灵巧手尺寸偏大，关节灵活度下降。（3）驱动器混合置可以提高手指输出力矩、控制体积大小，但仍需借助腱绳传动。因此，在灵巧手内安装微型驱动器，既能保证传感器直接测量，又能减少灵巧手体积，有望成为未来发展方向。 根据驱动器类型分为电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动，电机驱动是主流。（1）电机驱动具 有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是灵巧手主要驱动方式，缺点在于质量体积大、成本高。（2）气压/液压驱动灵巧手具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点，但由于气压/液压的控制相对较难导致灵巧手运动过程不平稳，无法进行手指位置的精确控制。（3）形状记忆合金具有驱动速度快、负载能力强等优势，但存在疲劳和寿命问题。 根据传动方式分为腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动。（1）腱传动对手指关节远距离驱动，可以减小手指 的尺寸，具有结构紧凑、研制灵活等优势，缺点在于控制精度不高、抓取力不大，腱绳易磨损。（2）连杆传动易于实现强力抓取、迟滞性较低，传动精确，但传动机构复杂，对零部件的制造精度要求高且拟人性不足。（3）齿轮/蜗轮蜗杆传动较为精密、传递效率高、稳定性好，但存在结构复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。 灵巧手未来有哪些发展方向？ 方向1：内置微型驱动器：可以避免因腱绳连接带来的设计难度大的缺点，同时利于传感器直接测量，方便维修。 方向2：多感知能力融合：利于提高灵巧手精细抓取能力和智能化水平，是未来灵巧手发展的另一重要方向。 方向3：多自由度：自由度是灵巧手灵巧性的决定因素，提升自由度是未来灵巧手的又一发展方向。 投资建议 机器人灵巧手核心零部件包括伺服电机、传感器、减速器、滚珠丝杠等。考虑当前灵巧手零部件市场空间大，且随着人形机器人产业链发展成长前景较好，建议重点关注：空心杯电机领域的鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利；传感器领域的柯力传感、汉威科技；减速器领域的绿的谐波、双环传动；滚珠丝杠领域的秦川机床、恒立液压。 风险提示 人形机器人发展不及预期，国产替代进展不及预期，行业竞争加剧。 内容目录 1.什么是机器人灵巧手？4 1.1灵巧手是指数≥3，自由度≥9的末端执行器4 1.2机器人灵巧手的前世今生4 2.机器人灵巧手有哪些类型？6 2.1根据灵巧手驱动器位置划分7 2.2根据灵巧手驱动器类型划分9 2.3根据灵巧手传动方式划分12 3.灵巧手未来有哪些发展方向？15 3.1方向1：内置微型驱动器15 3.2方向2：多感知功能融合16 3.3方向3：多自由度17 4.投资建议18 5.风险提示18 图表目录 图表1：灵巧手是特殊的末端执行器4 图表2：日本TWENDY-ONE灵巧手拥有4指、13个自由度4 图表3：机器人两指夹持器4 图表4：多指抓持手分类5 图表5：初始阶段的多指灵巧手5 图表6：第二阶段系统集成度更高、感知能力更加丰富的多指灵巧手6 图表7：欠驱动灵巧手代表产品6 图表8：机器人多指灵巧手分类7 图表9：DARPAExtrinsic及其驱动模块Cobot7 图表10：Robonaut2灵巧手结构图7 图表11：Dexhand灵巧手8 图表12：DLR/HIT–II灵巧手及其关节传动结构8 图表13：DLR/HITII灵巧手手指结构8 图表14：意大利iCub机器人及其灵巧手9 图表15：韩国RoboRay机器人及其灵巧手9 图表16：Stanford/JPLHand结构图9 图表17：德国DLR-IHand示意图10 图表18：德国Festo公司研制的气动仿生灵巧手10 图表19：上海交大联合MIT开发的气压驱动灵巧手10 图表20：StefanSchulz等人研制的微液压驱动的仿生灵巧手11 图表21：日本Hitachi灵巧手11 图表22：中国计量大学基于SMA驱动的三指灵巧手11 图表23：电机驱动综合性能相对更好11 图表24：特斯拉Optimus等机器人灵巧手采用电机驱动12 图表25：腱传动原理12 图表26：Utah/MIT灵巧手13 图表27：CEAdexterous灵巧手13 图表28：ShadowHand仿生灵巧手13 图表29：连杆传动手指14 图表30：连杆传动的灵巧手结构透视图14 图表31：KISTHand灵巧手14 图表32：PanipatWattanasiri等人研制的灵巧手14 图表33：齿轮传动手指15 图表34：HIT/DLR-I灵巧手15 图表35：BH-985灵巧手15 图表36：因时机器人灵巧手内部结构16 图表37：因时机器人微型伺服电缸16 图表38：因时机器人灵巧手16 图表39：机器人传感器分类16 图表40：腾讯TRX-Hand指尖触觉传感器自动化标定17 图表41：腾讯TRX-Hand灵巧手17 图表42：人手有21个自由度17 图表43：Shadow灵巧手18 图表44：Shadow手指结构图18 图表45：重点公司估值表18 1.什么是机器人灵巧手？ 1.1灵巧手是指数≥3，自由度≥9的末端执行器 灵巧手是机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人学领域属于末端执行器的范畴。从运动学的观点看，灵巧手需满足两个条件：指关节运动时能使物体产生任意运动、指关节固定时能完全限制物体的运动，按照运动学理论，满足上述条件至少要3个手指和9个自由度。因此，我们定义灵巧手是指数≥3，自由度≥9的末端执行器。例如日本的TWENDY-ONE机器人，其灵巧手拥有4根手指和13个自由度。 图表1：灵巧手是特殊的末端执行器图表2：日本TWENDY-ONE灵巧手拥有4指、13个自由度 来源：《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》，国金证券研究所来源：《仿人型灵巧手拇指灵巧性设计方法的研究》，国金证券研究所 1.2机器人灵巧手的前世今生 从形态和功能上看，灵巧手经历了两指夹持器、多指抓持手和多指灵巧手三个发展阶段： 两指夹持器 两指夹持器通过模仿手指的夹持运动来抓持物体，能够在执行动作的同时夹住和松开目标物体。其优点是结构简单，运动形式稳定，工作可靠，在工业现场常应用于目标零部件的夹取、搬运、换位、装配等。但由于缺乏手指的灵活性，不能对复杂形状的目标进行抓持，无法对目标物体实施操作。该类夹持器已有多种标准化的产品，例如德国SCHUNK公司的气动平行爪夹持器、FESTO公司的气动夹持器等。 图表3：机器人两指夹持器 来源：《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》，国金证券研究所 多指抓持手 多指抓持手按照功能不同分为联动型抓持手、多关节手指抓持手和软体多指抓持手。 联动型抓持手一般为三指或四指结构，工作原理与两指夹持器一样，由于采用多指设计，可以对目标物体实施多触点抓持，提高了抓持的成功率和可靠性，但是依然缺乏灵活性和目标物体的适应性。 多关节手指抓持手在其手指上设置多个关节，具有对目标物体进行仿形接触和抓持的可能性，扩大了抓持范围，能够提高抓持的稳定性和可靠性。 软体多指抓持手在抓取物体时可根据物体形状更自然妥帖地调整形态，在操作易碎品或不规则物体(如鸡蛋、蔬果、个性化零件等)方面具有优势。 图表4：多指抓持手分类 来源：科工世界，工业机器人，国金证券研究所 多指灵巧手 机器人多指灵巧手的研究始于20世纪70年代，一共经历了三个阶段： 第一阶段是从20世纪70年代——20世纪90年代。这一阶段有3款典型代表产品，分别是日本的Okada、美国的Stanford/JPL和Utah/MIT。这三只灵巧手是研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。 1）1974年日本“电子技术实验室”成功研制了Okada灵巧手，它有3根手指和1个手掌， 拇指有3个自由度，另外两根手指各有4个自由度。手指的每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，可以完成螺栓拧进螺母等操作。 2）20世纪80年代初美国斯坦福大学成功研制了Stanford/JPL灵巧手，该手有3个手指，每指有3自由度，手指使用n+1腱(n个手指)设计，即每个手指采用4条腱绳传递运动和动力，整手使用12个直流伺服电机作为关节驱动器。与Okada相比，Stanford/JPL手的灵活性有较大的改善，但其控制系统也更为复杂。 3）1982年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了Utah/MIT灵巧手，该手具有4个手指，每个手指有4个自由度，采用2n腱（n个手指）传动设计，整手共32个驱动器。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指，都连接手掌且相对于手掌进行运动。 图表5：初始阶段的多指灵巧手 来源：小米技术微信公众号，国金证券研究所 第二阶段是从20世纪90年代到2010年。受益嵌入式硬件的发展，这一阶段的多指灵巧手有着更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。例如： 1）美国研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonauthand，由1个手腕和5个手指组成，共14个自由度，由于使用了腱绳张力传感器，整手的运动控制更加准确。 2）德国宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手，共集成了25个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，灵巧手在灵活性和感知能力方面有显著提升。 3）意大利IIT研制的iCub灵巧手集成了12个触觉传感器，48个压力传感器和17个位置传感器以实现灵巧的操作和丰富的感知能力，系统集成度的提高和感知能力的丰富使得多指手在操作时更加灵巧。 图表6：第二阶段系统集成度更高、感知能力更加丰富的多指灵巧手 来源：小米技术微信公众号，国金证券研究所 第三阶段是从2010年至今。第二阶段高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是系统的复杂性导致制造成本较高，并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此，简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的一个重要方向。例如，立命馆大学设计的RitsumeikanHand、以及HERIHand、SPRINGhand等灵巧手采用了欠驱动（驱动器数量少于手指关节自由度）的结构设计实现了系统简化。 欠驱动手虽然以简化的系统实现了抓取任务，但是由于欠驱动自身特性使得操作能力受到限制，所以目前灵巧手难以同时具备鲁棒性和功能性。 图表7：欠驱动灵巧手代表产品 来源：国际金属加工网，国金证券研究所 2.机器人灵巧手有哪些类型？ 机器人灵巧手在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上存在较大区别，这主要是因为灵巧手采用的驱动系统不同。灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。灵巧手在驱动器位置、驱动器类型、传动方式方面存在多种方案，据此可将灵巧手分为若干种类型。 图表8：机器人多指灵巧手分类 来源：