机器人硬件拆解五：灵巧手传动装置解析

机械设备 机器人硬件拆解🖂：灵巧手传动装置解析 腱绳传动是最具应用潜力的灵巧手传动方案之一。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。人手的自由度度超过20个，部分灵巧手（如Shadowhand、 Allegrohand等）的自由度与人手接近，即具有20个或以上的自由度。灵巧手的常见传动方式有腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动等，其中腱绳传动是最具应用潜力的方案之一。腱绳在一定程度上模拟了人手的肌腱结构，使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓取的速度，灵活性大大提升。同时腱绳适用于空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合，较连杆等传动方式更节省空间，英国ShadowRobot公司推出的Shadowdexteroushand是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一，其传动方案便采用了腱绳传动。此外，DLR/HITHandII、Hasy以及达芬奇手术机器人等代表性产品均采用了腱绳传动。 绳驱对腱绳要求较高，钢丝绳是较优选择。腱绳的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵巧手的性能具有较大影响，腱绳需配合驱动方案 进行选型。一般而言，灵巧手腱绳需要高强度与耐久性、抗蠕变、较小的折弯半径、抗腐蚀、良好的柔韧性等，钢丝绳没有内摩擦，且与滑动表面的摩擦系数较小，同时强度高，可提供较大承载力，是腱绳材料较优选择。从材料和工艺看，钢丝绳常见的材料有碳素钢丝绳、不锈钢丝绳、镀锌钢丝绳、合金钢丝绳等，钢丝绳通常用多股绞合形成线缆，以达到更优的性能。手术机器人线绳与灵巧手工况类似，通常采用钨钢丝绳，具有优异的断裂强度和超长的循环寿命。 腱绳与传动装置一体化设计，价值量较高。受限于灵巧手空间结构，其内部传动方案需要做到高度集成，采用一体化设计可优化手指内部空间结构，减小体积。从特斯拉AIDAY公布的细节来看，Optimus灵巧手使用较为经 典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，传动方面采用蜗轮蜗杆+腱绳机构一体化设计。由于特斯拉Optimus尚处于开发阶段，其灵巧手传动方案后续可能会进行改进，如采用减速器替代涡轮蜗杆等。但由于灵巧手需要仿生人类手掌大小，因此预测特斯拉腱绳、减速器将保持一体化设计。 腱绳是机器人增量环节，高性能腱绳具备稀缺性，有望开启十亿级增量市场。从特斯拉灵巧手结构看，单手共6个自由度，预计其中5个手指的弯曲自由度均采用线驱动，大拇指的侧摆自由度推测是电机加减速器直驱， 因此预计双手有10个自由度采用线驱动。由于线驱动通常主动绳、连动绳 搭配使用，因此预计特斯拉灵巧手单指手指使用2根腱绳。我们假设灵巧 手单根腱绳价格在60元左右，则单台机器人腱绳价值量约为1200元，100 万台人形机器人销量假设下，灵巧手腱绳市场空间达12亿元，灵巧手腱绳有望开启十亿级增量市场。 风险提示：机器人量产进度不及预期风险；机器人供应链不确定性风险；持续研发投入导致亏损风险。 证券研究报告|行业深度 2023年11月23日 增持（维持） 行业走势 机械设备沪深300 16% 0% -16% 2022-112023-032023-072023-11 作者 分析师张一鸣 执业证书编号：S0680522070009邮箱：zhangyiming@gszq.com 研究助理刘嘉林 执业证书编号：S0680122080032邮箱：liujialin@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：上海机器人政策落地，2025年将打造千亿级机器人产业规模》2023-10-28 2、《机械设备：谷歌发布RT-2模型，机器人产业进展加快》2023-08-07 3、《机械设备：机器人硬件拆解四：智能关节的控制与驱动》2023-07-19 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、灵巧手传动：绳驱为较优方案3 1.1灵巧手：具备高度灵活和精细控制能力的末端执行器3 1.2灵巧手传动方式：绳驱VS连杆6 二、绳驱对腱绳要求较高，钢丝绳是较优选择10 三、腱绳与传动装置一体化设计，价值量较高12 风险提示14 图表目录 图表1：人手共有21个自由度3 图表2：因时RH56BFX灵巧手具备6个自由度3 图表3：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（HERIHand）4 图表4：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（耶鲁大学的欠驱动手）4 图表5：多指灵巧手第一、第二阶段典型代表4 图表6：具有代表性的多指灵巧手产品5 图表7：灵巧手的四种传动方式6 图表8：腱绳传动灵巧手6 图表9：连杆/齿轮/带传动灵巧手6 图表10：Shadow灵巧手采用线绳驱动7 图表11：Shadow灵巧手手指结构及运动范围7 图表12：DLR/HITHandII采用线绳驱动8 图表13：DLR/HITHandII手指内部结构8 图表14：Hasy（HandArmSystem）手-臂联合系统8 图表15：Hasy大量采用滑轮与腱绳机构8 图表16：达芬奇手术机械臂采用线绳驱动9 图表17：达芬奇手术机械臂驱动原理9 图表18：达芬奇手术机器人采用的高强度钢丝绳10 图表19：Sava钢丝绳部分型号11 图表20：DLR/HITII多指灵巧手及其基关节、指关节传动结构12 图表21：Optimus灵巧手结构13 图表22：基于人形机器人销量假设的灵巧手腱绳市场空间测算13 一、灵巧手传动：绳驱为较优方案 1.1灵巧手：具备高度灵活和精细控制能力的末端执行器 从运动学观点看，灵巧手通常需要满足6个或以上的自由度。灵巧手的自由度是指机械系统能够独立运动的关节数量。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的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等，每个手指 关节都有驱动器，使其能够实现主动控制。欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分进行耦合随动。从运动学的观点看，灵巧手需满足两个条件：1）指关节运动时能使物体产生任意运动；2）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，并需要6个或以上的自由度。 灵巧手具有人手的部分外形特征和功能，其通过模拟人类运动、感知、控制等方面的仿生，实现对人手运动的模拟。作为人体最灵巧的部分之一，人手的自由度超过20个。而灵巧手的自由度则可以根据应用需求和具体设计进行调整。部分灵巧手（如Shadowhand、Allegrohand等）的自由度与人手接近，即具有20个或以上的自由度。但即使自由度与人手相似，在高自由度导致的算法困难、操作中产生的大量接触点等因素影响下，这些灵巧手也很难真正像人手一样智能地处理各种任务。总体而言，虽然灵巧手在某些特定任务上可以模仿人手的灵巧程度，但目前的灵巧手还无法完全复制人手的复杂属性和处理多任务的能力。 图表1：人手共有21个自由度图表2：因时RH56BFX灵巧手具备6个自由度 资料来源：小米技术，国盛证券研究所资料来源：因时机器人官网，国盛证券研究所 多指灵巧手：多指多关节结构，最普遍的结构为3-5个手指，且各手指均具有3个关节，手指关节的运动副都采用转动副。多指灵巧手以人手的结构和功能作为模仿对象，其研究的最终目标是能够像人手一样对生产、生活乃至自然界中的各种物体进行稳定并且灵 活的抓持和操作。机器人多指灵巧手的研究始于20世纪70年代，一共经历了20世纪 70年代—20世纪90年代、20世纪90年代—2010年和2010年至今三个阶段。 1）20世纪70年代—20世纪90年代是机器人多指灵巧手领域研究的初始阶段，在这一阶段中的三个典型代表分别是日本的Okada灵巧手、美国的Stanford/JPL灵巧手和Utah/MIT灵巧手。这三种灵巧手的研究为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。 2）20世纪90年代—2010年，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究进入了快速发展阶段。这一阶段的多指灵巧手具备更高的系统集成度和更丰富的感知能力。例如美国国家航空宇航局研制的用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonauthand，腱绳张力传感器的加入使其运动控制更加准确；德国宇航中心先后研制成功的DLR-I和DLR-Ⅱ灵巧手共集成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，使得灵巧手在灵活性和感知能力方面都有显著提升；日本岐阜大学研制出Gifuhand，其突出特点在于分布式的触觉传感器，这提升了灵巧手对外界物体整体的触觉感知，进而大幅提高了手抓持和操作的成功率。 3）2010年至今，朝着简化系统、提高鲁棒性的方向发展。由于高度系统集成的灵巧手在具有灵活性和功能性优势的同时因复杂的系统而产生高额制造成本，系统的可靠性和易维护性也有所降低，因此多指灵巧手设计将简化系统、提高鲁棒性作为进一步发展的一个重要方向。欠驱动手能够通过合理的结构设计，以少于手指关节自由度的驱动器控制手的运动，以此降低整只手的系统复杂度，提高可靠性。自适应灵巧手就是一种有效的欠驱动实现方式，它通过对操作对象的自主适用性包络实现抓取。典型例子是立命馆大学设计的RitsumeikanHand，它通过耦合走线实现了2个驱动器对15个关节的驱动。此外，HERIHand、SPRINGhand、Columbiahand、耶鲁大学的欠驱动手等也都采用了适应性欠驱动的结构设计，实现了稳定的抓取。 图表3：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（HERIHand）图表4：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（耶鲁大学的欠驱动手） 资料来源：SEMANTICSCHOLAR，国盛证券研究所资料来源：3DScienceValley，国盛证券研究所 图表5：多指灵巧手第一、第二阶段典型代表 年代灵巧手手指数自由度驱动传动传感结构 20世纪70年代-20世纪90年代 Okada灵巧手（日本）311电机腱绳电机/关节位置、电机电流外置Stanford/JPL灵巧手39电机腱绳电机位置、张力、指尖力、外置（美国）指尖触觉Utah/MIT灵巧手（美416气缸腱绳电机/关节位置、张力、触外置国）觉 NASA多指灵巧手（美国） 514电机腱绳电机/关节位置、张力、触外置 觉 20世纪90年 DLR-I灵巧手（德国）412直线电机腱绳电机/关节位置、指尖力外置 代-2010年 DLR-II灵巧手（德国）413电机齿形皮 带 电机/关节位置、6维指尖 内置 力 GifuII手（日本） 5 16 电机 齿轮 电机位置、6维指尖力、触觉 外置 资料来源：《机器人灵巧手的研究与发展》，国盛证券研究所 目前市场上已出现来自多家公司的机器人多指灵巧手产品，其中Shadowdexteroushand已实现商品化。例如英国ShadowRobot公司推出的先进仿人型机器人手Shadowdexteroushand，其拥有24个自由度和20个可单独控制的自由度，可配备指端触觉传 感器，是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一。此外，德国SCHUNK的SF5Hhand、德国FESTO的柔性多指灵巧手BionicSoftHand和北京因时机器人科技有限公司的RH56BF3仿人型多指灵巧手也都是较具有代表性的多指灵巧手产品。值得注意的是，这些多指灵巧手产品也并非完美，目前它们仍然不能实现与人手相当的自由灵活程度和操作能力，且价格较昂贵，推广应用难度大，因此灵巧手可能会成为未来机器人领域需要重点突破的方向之一。 图表6：具有代表性的多指灵巧手产品 公司产品图例 ShadowRobotShadowdexteroushand SchunkSCHUNKSVH FESTOBionicSoftHand 因时机器人RH56BF3�指手 资料来源：各公司官网，国盛证券研究所 1.2灵巧手传动方式：绳驱VS连杆 常见的灵巧手传动方式有腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动，其中腱绳传动是目前应用最广泛的方案。 （1）连杆传动：早期的多指灵巧手的手