人形机器人专题（三）：经典五指灵巧手拆机：科研及通用篇

经典五指灵巧手拆机：科研及通用篇 ——人形机器人专题（三） 作者：光大环保电新殷中枢、黄帅斌 2023年11月26日 证券研究报告 目录 科研/通用型五指灵巧手应用概述科研/通用型五指灵巧手应用案例 投资建议 风险分析 与航空航天、医疗假肢领域有所不同，通用/科研领域五指灵巧手并没有相对确定的应用方向。整体来看，以工业夹具类企业、科研院校为主体，发展出两类路线。 工业夹具方面，目前市场应用以气动夹爪和电动夹爪为主。作为协作机器人的终端执行器，夹具为了适应更复杂的工作环境，逐步朝着五指灵巧手进化；科研院校方面，普遍处于实验室阶段，并尝试进行产业化。从全球范围来看，美国、德国、意大利、日本等地高校在相关研究方面较为靠前。 图1：机器人末端执行器图2：从夹持器到灵巧手 末端执行器 工具类 抓手类 喷枪 涂点 胶焊 枪机 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 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 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》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：中国电动夹爪市场销量预测图4：2021年中国电动夹爪下游市场分布情况（按销量） 销量（万台）同比（%）（右轴） 120 100 80% 生命科学 其他,21% 60% 80 6040% 40 20% 20 00% 20212022E2023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E2030E 新能源,7% 汽车（含零部件）,8% 新零售,8% 生命科学,36% 3C电子,20% 3C电子新零售 汽车（含零部件）新能源 其他 资料来源：GGII资料来源：GGII 根据不同夹爪驱动力来源和抓取方式上的差异，可以将夹爪分为气动夹爪、液压夹爪、电动夹爪、电磁夹爪、真空夹爪以及电磁吸盘等。相比于气动夹爪，电动夹爪起步相对较晚。电动夹爪的兴起很大程度是受到以协作机器人为代表的柔性化生产工具发展的带动，经过数年的发展，电动夹爪的应用边界逐渐扩展，从机器人逐步延伸到工业自动化领域。 从市场规模及增速来看，2021年，受益于下游制造业及医疗领域的需求带动，中国电动夹爪市场迎来高增长，GGII数据显示，2021年中国电动夹爪市场销量约为3.1万台，同比增长77.14%，市场规模约为3.35亿元，同比增长59.52%。 GGII数据显示，2021年我国电动夹爪下游市场中，生命科学与3C电子行业占据超过50%市场份额，市场份额分别为36%和20%。新零售、汽车、新能源等行业中电动夹爪渗透率相对较低，市场份额分别为8%、8%、7%。主要是由于可应用电动夹爪的新零售场景暂未实现规模化复制，汽车、新能源行业中主要以气动夹爪占据主要市场份额。随着未来电动夹爪对气动夹爪的替代性逐渐增强，预计汽车、新能源等行业的市场份额将进一步提升。 图5：中国市场夹爪应用市场结构（2021年）图6：海外市场夹爪应用市场结构（2021年） 电动夹爪, 3.5% 其他,16.5% 气动夹爪, 80.0% 气动夹爪电动夹爪其他 其他, 11.8% 电动夹爪, 18.2% 气动夹爪, 70.0% 气动夹爪电动夹爪其他 资料来源：高工机器人资料来源：高工机器人 在上述下游行业中，电动夹爪主要通过两种方式实现设备智能化、产线智能化的目的，分别为：集成于生产设备中实现抓取功能，例如应用于生命科学领域的试管抓取环节；以及与协作机器人、SCARA机器人，小六轴机器人相结合，使机械臂能够更好地完成分拣、抓取、上下料等工作。 从市场结构来看，目前气动夹爪依然占据绝大部分市场份额，2021年中国市场标准化气动夹爪占比超过80%，电动夹爪占比仅为3.5%左右；海外市场标准化气动夹爪占比超过70%，电动夹爪占比约为18.2%。 主营业务原产品灵巧手产品 表1：从夹爪到灵巧手 schunk电动夹具 festo气动夹具 robotiq电动夹爪 因时电动夹爪 思灵协作机器人 资料来源：各公司官网 随着智能制造的兴起和工业机器人的普及，作为机器人末端执行器的工业夹爪需求快速提升。行业内涌现出因时（2016年成立，2021年A轮融资）、钧舵（2018年成立，2023年B轮融资）、大寰（2016年成立）、知行（2018年成立）等专业从事电动夹爪产品的企业。2022年12月19 日，由深圳市大寰机器人科技有限公司牵头发起、深圳市人工智能产业协会组织会员单位共同起草的《平行电动夹爪技术规范》团体标准正式发布。海外则有robotiq、schunk、festo、SMC、Onrobot等老牌夹持器企业。 夹持器企业在与工业机器人特别是协作机器人的长期配套过程中，积累了大量的末端传感、姿态控制、与机器人本体配套部署的经验，产品具备从夹具到灵巧手的进化的基础，有望成为未来人形机器人领域灵巧手的重要参与方。 ShadowHand ShadowRobotCompany SoftHandPro IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；UniversitàdiPisa（比萨大学） Pisa//IITSoftHand IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；UniversitàdiPisa（比萨大学） Qbhand IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；UniversitàdiPisa（比萨大学） RitsumeikanHand RitsumeikanUniversity（立命馆大学） SDMhand YaleUniversity（耶鲁大学） WashingtonHand UniversityofWashington（华盛顿大学） Casiahand 中科院自动化所 灵巧手机构代表作 高校是灵巧手研发过程中的重要推动力。作为一种前沿产品，由于缺乏产业化基础，过去几十年灵巧手科技发展的大量资金和智力投入来自于科研院校。代表性的产品有：Pisa/IIT的SoftHand系列产品、RitsumeikanUniversity的RitsumeikanHand、UniversityofWashington的WashingtonHand、中科院自动化所的Casiahand等。高校研发的灵巧手产品往往作为实验平台，用来探索结构设计、抓握控制、传感系统、动力学等方面的科研经验。而在产品应用层面则具备一定的普适性。 资料来源：各高校及公司官网 目录 科研/通用型五指灵巧手应用概述科研/通用型五指灵巧手应用案例 投资建议 风险分析 图7：四个版本的ShadowHand 资料来源：ShadowRobot官网 作者：ShadowRobotCompany（英国）； 发明初衷：为了设计出能够在人类生活中高效执行任务的机械手； 发明历程：公司于2004年推出首个灵巧手，目前公司还推出了Lite、ExtraLite和SuperLite版本； ShadowDexterousHand的详细参数 设计层面：高度仿生，5指结构，共有24个关节，大拇指有5个关节，食指、中指、无名指、小指各有4个关节，手掌靠近小指的部位有一个关节，手腕有2个关节；为欠驱动结构，具有24个DOF和20个DOA，接近人体工程学。（注：DOF为手指关节的自由度，DOA为由驱动器控制的自由度。若DOA小于DOF，则为欠驱动结构；若DOA等于DOF，则为全驱动结构）； 结构形式：驱动器外置； 动力源：电机驱动，手腕处有20个直流电机； 传动方案：腱传动，一共有38根腱绳，这与驱动器外置的设计结构相关； 传感器：共有129个传感器。大拇指关节和腕部关节各有2个霍尔效应传感器，其它关节各有1个，共26个传感器霍尔效应传感器。电机带有40个肌腱张力传感器，每个电机还有1个温度、1个电压和1个电流传感器，电机共有100个传感器。手掌有1个IMU传感器芯片，可以测量俯仰、偏航和翻滚，共有3个传感器； 应用领域：商业化产品，主要应用于科研领域，被用作研究和开发工具以及Al和机器学习的测试硬件，还是Shadow 遥操作系统的关键组件 表3：不同版本ShadowHand配置 ShadowHand ShadowHand-Lite ShadowHand-Extralite ShadowHand-Superlite 自由度(DOF)20个驱动自由度和另外4个欠驱动关节，总共24个关节 16个关节/13个自由度 12个关节/10个自由度 8个关节/7个自由度 总重（kg）4.3 2.4 2.1 1.8 手指数量4+1（拇指） 3+1（拇指） 2+1（拇指） 1+1（拇指） 执行器数量20个直流电机 13个直流电机 10个直流电机 7个直流电机 手指关节数量4 4 4 4 拇指关节数量5 4 4 4 腕关节数量2 0 0 0 指尖压力传感器数量5 4 3 2 惯性测量单元(IMU)1 1 1 1 腱负载传感器数量40 26 20 14 通过主机控制回路速率1kHz（EtherCat协议） 1kHz（EtherCat协议） 1kHz（EtherCat协议） 1kHz（EtherCat协议） ROS开源平台√ √ √ √ 轻松集成到机器人手臂上√ √ √ √ 可使用其他组件升级√ √ √ √ 资料来源：ShadowRobot官网 图8：SCHUNKSVHHand 资料来源：SCHUNK公司官网 作者：SCHUNK公司（德国） 设计层面：高度拟人，为五指结构；欠驱动结构，该灵巧手具有20个关节和9个驱动器，其中拇指具有两个驱动器。 结构形式：驱动器外置 动力源：电机驱动，直流电机传动方案：齿轮/连杆传动 应用领域：商业化产品，用于拾取和运输结构复杂的不同工件或物体 图9：SCHUNKSVHHand表4：SCHUNKSVHHand参数表 指标 参数 指标 参数 总长度（mm） 242.5 拇指自由度 2 宽度（mm） 92 食指自由度 2 手指数量 5 中指自由度 2 关节数 20 无名指自由度 1 手指最宽处（mm） 92 小指自由度 1 与人手比例 1:1 展开自由度 1 自由度 20 重量（kg） 1.3 拇指有两个自由度，可弯曲和转动拇指 用于直接安装在机械臂上的集成电子设备 防滑弹性抓握表面由橡胶制成，可实现稳固抓握 食指近端驱动为带主轴驱动的直流电机 用于控制两个轴的食指远端驱动器 资料来源：SCHUNK公司官网 SCHUNKSVHHand重1.3kg，拥有5根手指，其中拇指、食指、中指各拥有2个自由度，无名指、小指各拥有1个自由度。食指、中指中放置用于控制两个轴的远端驱动器，防滑弹性抓握表面由橡胶制成，可实现稳固抓握。拇指有两个自由度，可实现弯曲和转动。 资料来源：SCHUNK公司官网 图10：SofthandPro 作者：IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；UniversitàdiPisa（比萨大学）发明初衷：验证Softhand具备成为不需要复杂操作的假肢的潜力 设计层面：高度仿生，5指结构，具有仿生的19个自由度，仅由一个电机驱动结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动传动方案：腱传动 应用领域：目前还处在测试阶段，计划用作假肢 请务必参阅正文之后的重要声明 资料来源：SofthandPro官网12 图11：Pisa//IITSoftHand 作者：IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；UniversitàdiPisa（比萨大学）发明初衷：设计一款鲁棒性、易于操控、抓取通用性高且接近人手的工业抓取器 发明历程：SoftHand于2012年被发明；2016年发布了Pis