人形机器人专题（一）：经典五指灵巧手拆机：航空航天篇

经典五指灵巧手拆机：航空航天篇 ——人形机器人专题（一） 作者：光大环保电新殷中枢、黄帅斌 2023年11月16日 证券研究报告 目录 五指灵巧手概述 五指灵巧手在航空航天领域的应用 投资建议 风险分析 图1：机器人末端执行器 末端执行器 工具类 抓手类 喷枪 涂胶枪 点焊机 弧焊焊枪 毛刺打磨机 铆 体 钉温 枪枪 手术刀具 吸盘等 两只夹持器 多指抓持手 多指灵巧手 灵巧手属于机器人末端执行器的一种。 在机器人学领域，操作和动作决策的执行输出工具被称之为末端执行器(End-Effector)。一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。 末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。 按其功能可以分为两大类，即：工具类和抓手类。工具类末端执行器是根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口的机器人专用工具，可以直接实现具体的加工工种、生产工艺或日常动作；抓手类机器人末端执行器恰如人的双手，担负着执行各种动作、抓持和操作的任务。 资料来源：蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》 图2：从夹持器到灵巧手 多关节手夹持器 均巧三指手 SDH手 典型两指夹持器 联动型三指夹持器 多指灵巧手 多连杆夹持器 气缸夹持器 多连杆三指夹持器 气缸三指夹持器 Shadowhand SCHUNKSF5Hhand 从夹持器到灵巧手，根本原因在于，随着机器人应用领域的不断拓展，其应用场景、工作对象和任务日趋复杂。特别是对于人形机器人而言，其设计的初衷就是要最大限度上代替人类，与周边环境进行交互。而人造世界的各种物品和工具都是以人手的使用方便为基本原则而设计开发，所以也只有仿人型机器人多指灵巧手才是最适合的操作工具。 资料来源：蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》 图3：灵巧手发展历程 1982美国斯 1983美国麻 1984日本日 1994德国宇 1998意大利 1999美国宇 坦福大学 省理工学院 立公司 航中心 热内亚大学 航局 Stanford/JPL 和犹他大学Uath/MIT Hitachi DLR-I DIST Robonaut 2000德国宇航中心 2004日本岐阜大学 2004英国 Shadow公 2010NASA 和美国汽车 DLR-II Gifu-III 司Shadow 通用公司GMRobonuat2 1974日本电子技术实验室Okada 1984清华大学TH-1/TH-2 1993起北京航空航天大学BH-1/BH-2/BH-3/BH- 4/BH-985 2001哈尔滨工业大学HIT-I 2004哈尔滨工业大学与德国宇航中心DLR/HIT-I 2008哈尔滨工业大学与德国宇航中心DLR/HIT-II 20世纪90年代以后，随着计算机、微电子学、微电机等技术的发展，多指手进入了一个崭新的快速发展阶段 21世纪以来，多指手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能化和灵巧操作水平得到了新的提升 资料来源：吕博瀚《空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究》、蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》 目录 五指灵巧手概述 五指灵巧手在航空航天领域的应用 投资建议 风险分析 图4：五指灵巧手的功能需求 DEXHAND应能够掌握以下舱外工具： 钳子，并支持其操作 剪刀，并支持其操作 小型切割器，并支持其操作 刷，并支持其操作 锤，并支持其操作 铲，并支持其操作 切割机，并支持其操作 系绳，并支持其操作 内六角扳手，并支持其操作 手枪式握把工具（自动螺丝刀）并支持触发致动开关 注意：工具的成功操作意味着抓握的力量闭合，最好应实 现形状闭合。 在超低温、强辐射、高真空、高速度的太空环境下，利用灵巧手从事各种探测、研究、实验显然更具备优势。 目前机器人尚不具备取代人类的能力，但可以在重复或危险任务中为宇航员提供支持。在远程操控系统的控制下，灵巧手可以执行许多舱外活动，如移除绝缘层盖、操作螺丝刀等。典型的案例包括： 1）美国NASA（美国航空航天局）的Robonaut手和Robonaut2手；2）德国DLR（德国宇航中心）的的DLR-I和DLR-II手； 3）中国哈工大的HIT手，及与DLR合作研发的DLR/HIT手。 资料来源：DLR《Dexhand:aSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》 图5：NASA的Robonaut计划 1999年，美国宇航中心（NASA）研制出Robonaut手。它是一种面向国际空间站应用的多指手，其设计目的是为了在危险的太空环境中替代人进行舱外操作。Robonaut手由5根手指、1个手掌、一个2自由度手腕和小臂组成。其拇指、食指和中指具有3个自由度，而无名指和小指各有1个自由度，手掌具有1个自由度，手腕具有2个自由度，共14个自由度。14个电机和驱动电路分布在长8in、直径4in的小臂中。Robonuat手是空间机器人系统Robonuat的一个组成部分，该系统的开发目标是用机器人协助航天员在国际空间站执行舱外操作任务。 2010年，在Robonuat手的基础上，NASA和GM（通用汽车公司）于联合研制出Robonaut2手。2011年2月，Robonaut2手作为Robonaut2号机器人的一部分，被NASA发射到国际空间站，成为世界上第一个在太空服役的五指灵巧手。 资料来源：IEEESpectrum、韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》 图6：Robonaut在空间站协助人类作业 NASA最初打算将Robonaut操作分为三个不同的阶段。 第一阶段涉及固定操作，并于2013年底使用Robonaut躯干成功完成。 第二阶段是“IVAMobility”，其中IVA代表“车内”。在这一阶段，Robonaut需要一种在国际空间站内部移动的方法，这就是腿的用武之地。 第三阶段是“EVA移动性”，腿部升级也是这一阶段的关键，该阶段将涉及在空间站外的真空中工作，因此需要对机器人进行更多重大硬件升级。 由于太空中的失重环境，Robonaut2号的腿主要用于抓住空间站内的扶手，并帮助完成 一系列机动与运动规划实验。 资料来源：IEEESpectrum 图7：RobonautHand（左）和Robonaut2Hand（右） 作为Robonaut手技术升级的换代产品，Robonaut2具有诸多改进和优点。 设计层面：Robonaut2手具有14个自由度（手部12个+手腕2个）； 传动方面：两者都采用驱动器外置+腱传动，但在方式上略有不同。Robonaut手利用软轴将电机的旋转运动传递到手掌的丝杠内，软轴主要作用的是传递旋转运动。Robonaut2手的腱传递的是直线运动； 传感器方面：Robonaut手只集成了最基本的位置和力传感器，对外部环境的感知则采用有触觉功能的数据手套；Robonaut2手直接在手指上安装位置传感器、六维力传感器和腱张力传感器等多种传感器，提高了Robonaut2手的精确度和灵敏度。 相比Robonaut手，Robonaut2手的供电和通信连接线数量大幅减少。 资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》 图8：Robonaut2主手指（食指+中指） 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图10：Robonaut2主手指（食指+中指）远端指骨传动 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图9：Robonaut2大拇指 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图11：Robonaut2大拇指的腱分布（N+1） 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 Robonaut2分为主手指（食指+中指）、副手指（无名指+小指）、拇指。其中主手指有4个DOF，3个DOA，由4根肌腱控制，远端指骨与中部指骨之间存在连杆耦合。副手指包含2个DOA，由2根肌腱控制。拇指包含4个DOA，由5根肌腱控制。 Robonaut2Hand采用腱绳驱动，驱动器与电气系统集中放置在前臂内，腱绳由导管引导，从驱动器发出，经过腕关节，到达手指关节。整手的有效负 载可以达到9kg，手指在可以承受2.25kg的指尖力，指尖速度可以达到200mm/s。 图13：Robonaut2hand的腱驱动示意 资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》 图14：Robonaut2hand的执行器 资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》 图15：绝对关节位置传感 资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、 L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图17：腱张力传感 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图16：关节力矩传感 资料来源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》 图18：关节力矩传感 资料来源：吕博瀚《空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究》 关节位置采用霍尔传感器进行测量，关节转动角度所引起的磁场变化影响霍尔电压的变化，即霍尔效应，从而精确测量关节角位移的变化；指尖的抓握力采用多维力/力矩传感器进行控制，每只手布置14个六维力矩传感器；传动系统中的腱设置腱张力传感器。 德国宇航局机器人和机电一体化研究所致力于正在开发高度自主的机器人，用于探索遥远的行星、卫星和太阳系的小天体。 官网展示的研究内容中，包含了机器人本体、手、腿、人机界面、移动平台等多项内容。 图20：德国宇航中心开发的灵巧手 CLASHHandDavid'sHandDEXHANDDLR-HITHandII HybridCompliantGripper(HCG) DLRHandII SpaceHand 图21：各版本DLRHand DLRHandIDLRHand三指版DLRHandII 资料来源：德国宇航中心官网 表1：DLRHandII驱动器数据 部件参数 电机中部关节：11(24)mNm,17,000rpm 近端关节：24(35)mNm,6,000rpm 齿轮谐波减速器,1.8Nm,6,000rpm,100:1 传送带近端关节1.2:1；中部关节2:1 作者：德国宇航中心 发明初衷：Rollin‘Justin机器人的末端执行器 发明历程：1998年德国宇航中心推出DLRHandI和DLRHand三指版。2001年推出了DLRHandII。 DLRHandII的详细参数 设计层面：全驱动方案，四个相同的模块化手指，每个手指具有四个关节和三个自由度，内侧关节和远端关节以1:1直接耦合。手掌中有一个自由度。手一共13个自由度。对于每个手指模块的控制，需要一个手指控制器模块，每个手指模块包含三个无刷直流电机。 结构形式：驱动器内置 动力源：无刷直流电机，驱动系统由无刷直流电机、齿带、谐波减速器、底座接头中的锥齿轮组成传动方案：齿轮/带 传感器：每个关节都配有关节角度传感器和关节扭矩传感器，还包括限位传感器、温度传感器和位置传感器