灵巧手行业深度研究报告：机器人新型末端执行器，国内外研究进展加速

灵巧手是机器人新型末端执行器，在机器人与环境的交互中起关键作用。灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用。“灵巧”指的是手的姿势可变性，这种可变性越高，则认为手就越灵巧。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。多指灵巧手最普遍的手指数目为3-5个，各手指具有3个关节，手指关节的运动副都是采用转动副。机器人灵巧手作为一种新型的末端执行器，在机器人与环境的交互中起着关键作用。 灵巧手是机器人研究的重要课题，近年来国内外研究进展加速。自20世纪70年代起，国内外对灵巧手展开了大量研究，从三指到五指，从工业到生活，从简单的抓取到灵巧操作，以期解决复杂的实际作业问题。海外灵巧手研究历经了50余年的发展，从开始简单的机械手发展成现在的高科技人形仿生灵巧手，国内灵巧手的研究则是从2000年左右由研究机构和部分高等院校相继开展，近年来，海外具有代表性的灵巧手厂商包括SCHUNK、Shadow Robot、qb Robotics、Clone Robotics等 ； 国内包括蓝胖子机器智能（dorabot）、因时机器人、腾讯RoboticsX实验室等也陆续公布灵巧手领域的相关产品和研究成果。随着人形机器人产业化的加速，国内外对灵巧手领域的研究也呈现出加速趋势。 人形机器人赋予灵巧手千亿级市场规模。灵巧手作为机器人执行末端，是人形机器人必不可少的部件，根据因时机器人网上报价，单只灵巧手价格约为5万元，如果未来人形机器人销量到达百万台，对应灵巧手市场规模将达到1000亿元。需要注意的是，未来人形机器人可能会应用到各种场景，对应的灵巧手配置各不相同，我们预计单价也会有较大的差别。 投资建议：灵巧手具有较长的研发历史，也有较多研发成果，掌握空心杯电机、精密齿轮箱、编码器、驱动、传感器、弹簧等核心部件的公司更有希望占据行业领导地位。同时如果灵巧手得到大量应用，我们预计对相关产业链公司的制造能力有一定考验，具备稳定的、优秀的量产化能力的公司有望突围。建议关注空心杯电机/编码器/驱动器领域的鸣志电器、鼎智科技、禾川科技、伟创电气、拓邦股份，传感器领域的柯力传感、汉威科技，弹簧领域的美力科技、华纬科技。 风险提示：特斯拉人形机器人量产进展不及预期；灵巧手降本速度低于预期；制造业景气度恢复低于预期等。 表1：重点公司投资评级: 1灵巧手是人形机器人重要的运控交互部件，近年来海内外研究进展加速 1.1灵巧手是机器人的新型末端执行器，在运控交互中起关键作用 灵巧手是机器人的一种新型末端执行器。一般而言，机器人与环境交互的方式主要包括：移动行走、视觉等信息的获取、决策的执行输出。末端执行器(End-Effector)是机器人执行部件的统称，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。 表1.机器人末端执行器的分类情况 灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用。“灵巧”指的是手的姿势可变性，这种可变性越高，则认为手就越灵巧。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。多指灵巧手最普遍的手指数目为3-5个，各手指具有3个关节，手指关节的运动副都是采用转动副。 表2.抓手类末端执行器的分类情况 两指夹持器：是抓持物体进而操控物体的装置，模仿的是手指的夹持运动。它能够在执行某些动作的同时夹住和松开目标物体。应用于机器人的末端夹持器一般采用电机或气缸作为驱动，机构原理以多连杆机构和气缸为主。例如德 SCHUNK公司的气动平行爪夹持器、FESTO公司的气动夹持器、亚德客手指气缸等。 图1.典型的两指夹持器 图2.典型的多指抓持手 多指抓持手：一般为三指或者四指抓持手，主要包括联动型抓持手、多关节手指抓持手、软体多指抓持手等，其基本原理与前述两指夹持器一样，由多连杆驱动或气缸驱动实现多指的同步运动。例如Righthand Robotics公司的ReFlex TakkTile三指手、苏州钧舵机器人有限公司的均巧三指手、德国SCHUNK公司的3-fingergripper hand SDH等。 多指灵巧手：机构形式是多指多关节，并且最普遍的是手指数目为3～5个，各手指具有3个关节，手指关节的运动副都是采用转动副。灵巧手主要的驱动方式包括4种：液压驱动、电机驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动。如日本“电子技术实验室”的Okada灵巧手、美国斯坦福大学研制成功了Stanford/JPL灵巧手、美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MIT灵巧手等。 图3.代表性的多指灵巧手产品 1.2灵巧手是机器人研究的重要课题，近年来国内外研究进展加速 自20世纪70年代起，国内外对灵巧手展开了大量研究，从三指到五指，从工业到生活，从简单的抓取到灵巧操作，以期解决复杂的实际作业问题。 表3.多指灵巧手的发展脉络 海外灵巧手研究历经了50余年的发展，从开始简单的机械手发展成现在的高科技人形仿生灵巧手。(1)20世纪70年代，日本“电子技术实验室”研制出了Okada灵巧手，该灵巧手具有3个手指和一个手掌，拇指有3个自由度，另外两个手指各有4个自由度，采用电机驱动和肌腱传动方式。(2)20世纪80年代，美国斯坦福大学研制成功Stanford/JPL灵巧手，该手有3个手指，每指各有3自由度，采用12个直流伺服电机作为关节驱动器，采用腱驱动系统传递运动和动力； 美国麻省理工学院和犹他大学联合研制Utah/MIT灵巧手，该手具有完全相同的4个手指，每个手指有4个自由度，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。 (3)20世纪末，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究向着高系统集成度和丰富的感知能力提升的方向发展，进入了快速发展阶段。(4)近年来，高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是复杂的系统导致了高额的制造成本并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此近10年，多指灵巧手设计的一个重要方向是简化系统、提高鲁棒性。 图4.国外灵巧手的发展历程 国内灵巧手的研究则是随着国外研究的不断推进。在2000年左右国内一些机器人研究机构和部分高等院校相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作。 (1)2001年，哈工大（HIT）联手德国宇航中心（DLR）共同研发了一种利用齿轮以及连杆传动的HIT/DLR灵巧手。DLR有4根手指，每根手指有3个自由度。指尖部分采用多连杆耦合机构，基础关节的2个自由度通过差动机构耦合来完成。 (2)2005年，北京航空航天大学机器人研究所仿照Stanford/JPL手研制出了BH-3为3指9自由度灵巧手。BH灵巧手主要用于多指手的操作理论研究；通过数据手套可实现远距离控制。最新一代灵巧手BH-985，其具有5个手指，外形尺寸约为人手的1.5倍，质量小于1.5kg，采用内置的Maxon直流伺服电机驱动，用齿轮、连杆和钢丝传动。 (3)2022年5月23日，DoraHand是由中国深圳的Dorabot公司设计的模块化灵巧手。鉴于其5mm的厚度，指尖可以在一些狭小的空间中使用。为了提供类似人类的能力，这款手配备了一个高度敏感的0.3mm薄膜力传感器，作为触觉传感器，可同时感知力和位置。 (4)2022年，北京Inspire机器人科技公司研发的灵巧手。它有5个手指、6个自由度和灵活的抓取能力，大小接近人类的手。拇指手指有2个自由度，而其他手指只有1个自由度。6个带有肌腱的微型线性致动器用于驱动手指。这款灵巧手的效率很高，可以用于假肢、服务机器人和教学等领域。 (5)2023年4月25日，腾讯RoboticsX实验室公布最新机器人研究进展，首次展示在灵巧操作领域的成果，推出自研机器人灵巧手TRX-Hand和机械臂TRX-Arm。其中，灵巧手TRX-Hand拥有像人手一样灵活的操作能力，可适应不同场景，灵活规划动作，自主完成操作。而机械臂TRX-Arm针对人居环境自主研发，拥有七自由度和拟人的特性，具有运动灵巧、爆发力强、触控一体以及柔顺安全等特点。 图5.国外灵巧手的发展历程 1.3目前学术上的研发方向及难点 虽然灵巧手的应用需求凸显并日趋旺盛，这些需求也引领着机器人多指灵巧手的研发方向和发展趋势，但目前的技术和产品依然存在诸多问题和挑战，亟待解决。 1.深度仿生：多指灵巧手最初是从结构，特别是外形上进行仿生设计。随着更多更复杂的应用功能需求提出，研究人员逐渐开始从人手内在结构、驱动和传动原理等方面思考其仿生结构的设计，并逐步延伸到复合材料、智能材料的研制和设计，智能材料的研究又反过来影响多指灵巧手的仿生设计；同时，对于人手操作过程的研究，也应属于机器人多指灵巧手仿生研究的重要范畴，会在很大程度上决定多指灵巧手的仿生程度并成为一个重要的衡量指标。 2.柔性感知技术：由于人手结构精巧复杂、功能多样、感觉丰富，实现仿生的机器人灵巧手必然需要像人类皮肤一样能够感知丰富信息的柔性感知技术和传感器。 灵巧手触觉传感器用于实时传输与物体的接触信息，目前还面临着几个巨大的挑战需要克服。 （1）理解高级语义信息。机器人需要从低级感官数据中提取任务需求和人类偏好等高级语义信息，首先要知道被操作的对象是什么，需要进行什么样的操作，即任务要求。 （2）跨模态算法，不同的感觉模式间的知识传递。人类不是通过单一的感官形态来探测物体，而是通过多种感官整合信息，例如触觉/味觉/视觉/声音信息等都可以帮助人类理解物体。例如，视觉数据提供的几何属性，与触觉数据提供的物理属性(如重量或硬度)是互补又共存的，整合多种感知模式的传感器可以解决单一传感器的局限性，并获得更加丰富的环境信息，但对不同模态信息建立统一的特征表示和关联关系的方法仍需进一步探索。 图6.通过触觉感知重建模型 (3)探索中的安全性问题。在机器人手与物体的物理交互和触觉探索过程中，需要保证机器人手及其周围环境的安全。一方面，要及时采集触觉信号并传递给控制器的同时，也需要有避免不必要伤害的能力。另一方面，由于对象模型是未知的，机器人可能会违反一些关键的约束。如果在勘探过程中发生意外损伤，具有一定的自愈能力和拉伸能力可以保证系统的安全性。 (4)提升触觉传感器的灵活性。因为手的表面通常是不规则的，与刚性传感器相比，柔性传感器更容易与手的表面集成柔性传感器可以放置在整个手掌表面，而不是指尖，接触信息更加丰富。触觉传感器的其他性能也需要进一步提高，如自愈能力和自功率。具有自修复能力的触觉传感器可以提高其对非结构环境的适应能力。 图7.通过触觉稳定器控制物体 3.成本控制：现有的机器人多指灵巧手的销售价格普遍较高。例如：哈尔滨工业大学-德国宇航中心合作开发的HIT/DLR灵巧手售价在90万元人民币以上，Shadow Dexterous Hand报价约30万美元，德国SCHUNK公司的SVH五指手报价70万元人民币以上。高昂的价格是推广应用一大障碍，许多多指手产品也仅仅在科研实验室里用于科学研究和应用基础开发。近年来，各类科研机构开始投入研发低成本的机器人多指手，从材料、加工方式、驱动器件、感知器件等方面进行低成本化设计和制造，开发了一些样机，但其灵活性、感知丰富性和可靠性等指标普遍较低。所以，如何在性能和成本之间取得合理的平衡也是值得研究的课题。 4.新材料的应用:大部分灵巧式机械手的研究都是通过骨架结构以及橡胶等其他软体材料来模拟人手的外形。对于抓/握/捏/拧等日常手部动作来说，虽然可以有效进行，但是在实际应用过程中依然存在着包络性、灵活性和稳定性差等问题。如果要保持灵巧性和抓取的稳定性，根据仿生学对生物机体环境适应性强、高效能、身体结构合理等特点进行模拟及研究,开发出一种新型材料并用于灵巧式机械手的研发,可最大化生物优势。目前，中外通过研发还原肌肉纤维、结