人形机器人行业系列报告（二）：动力、传动、传感：灵巧手分析框架与零部件选型

2024年1月15日 行业研究 动力、传动、传感：灵巧手分析框架与零部件选型 ——人形机器人行业系列报告（二） 要点 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。从应用领域来看，目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。 灵活度设计：灵活度设计是一个取舍与平衡的过程，原因在于更多的灵活度意味着更强的功能性，但背后需要更多的驱动器与更复杂的结构，必然带来鲁棒性的下降。对于功能性的衡量，通常采用Cutkosky抓取分类法。多数高灵活度灵巧手需要面临的一个任务是单关节双自由度的实现，目前具有代表性的传动形式有三种：（1）双轴正交结构；（2）球/孔结构；（3）差动齿轮组。 动力源：包括选择动力源的种类、位置及数量，以及适配的减速器。目前电机驱动已成为主流驱动方式。电机类型包括直流无刷电机、无框力矩电机、空心杯有刷电机、空心杯无刷电机，减速器类型包括谐波减速器和行星减速器。 传动结构：传动系统的设计不仅决定了灵巧手的机械结构，而且直接影响到灵巧手的抓取稳定性和灵活性。腱传动对于空间狭小、传动精密的灵巧手空间设计较为友好，关键在于腱绳材料的选择；连杆、齿轮等传动方式更为直接，但对空间、设计的要求较高。 传感系统：根据传感器在机器人手中的布局和功能，可将传感器分为两类：内在传感器和外在传感器。内在传感器反馈机器人本体的运动或动态信息，如手关节角度、关节扭矩和肌腱应变，而外在传感器感知外部环境，如压力、力、温度和平滑度。 行业判断：1）作为人形机器人与外界交互的重要媒介，灵巧手是机器人功能性的直接体现。这一方面决定了其在人形机器人体系中的重要地位，另一方面预示 电力设备新能源买入（维持） 作者分析师：殷中枢 执业证书编号：S0930518040004010-58452071 yinzs@ebscn.com 分析师：黄帅斌 执业证书编号：S0930520080005 0755-23915357 huangshuaibin@ebscn.com 分析师：和霖 执业证书编号：S0930523070006021-52523853 helin@ebscn.com 行业与沪深300指数对比图 16% 9% 3% -4% -10% 12/2202/2304/2306/2308/23 着五指灵巧手与人形机器人功能对应，在硬件层面可选的方案数量将大于其他部电力设备新能源沪深300 位；2）五指灵巧手可以不依附于人形机器人而单独存在，如机械臂、远程操作手套、假肢等，这决定了五指灵巧手的远期市场容量的进一步扩大；3）五指灵巧手作为一个功能单元，相较人形机器人其他部位，其自身零部件数量更多，硬件结构更为复杂，需要集合整手的运动控制、末端传感、人机交互等，最终可能造成五指灵巧手环节的竞争更加多层次，也容易演化成为单独环节。 投资建议： 1）动力源。建议关注：空心杯电机领域的鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、拓邦股份；直流无刷电机领域的德昌股份；无框力矩电机领域的步科股份；减速器环节：行星减速器建议关注中大力德、双环传动；谐波减速器建议关注绿的谐波；丝杠建议关注贝斯特； 2）传动结构。主要集中在腱绳材料，建议关注钢丝方案的大业股份，潜在超高分子量聚乙烯纤维材料受益标的同益中、恒辉安防； 3）传感系统。建议关注：（一）六维力传感器：柯力传感、东华测试、八方股份；（二）触觉传感器：汉威科技、奥迪威；（三）身体平衡（IMU）：华依科技、芯动联科。 风险分析：（1）产业化进程不及预期；（2）竞争加剧风险；（3）核心技术进步不及预期。 资料来源：Wind 相关研报经典五指灵巧手拆机：科研及通用篇——人形机器人专题（三）（2023-11-27） 经典五指灵巧手拆机：医疗假肢篇——人形机器人专题（二）（2023-11-18） 经典五指灵巧手拆机：航空航天篇——人形机器人专题（一）（2023-11-16） 电力设备新能源 投资聚焦 随着大模型等AI技术取得突破性进展，作为其重要载体的人形机器人受到广泛关注。2023年10月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，称人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。为此，我们撰写一系列有关人形机器人的报告，对相关产品、技术进行梳理，并提示相关的投资机会。 我们的创新之处 我们创新性提出人形机器人灵巧手的分析框架，从灵活度设计、动力源、传动结构、传感系统四个层次进行了阐述，同时结合已有的灵巧手案例，对各方面设计结构进行说明。 股价上涨的催化因素 （1）重大节点性事件催化。人形机器人产业正处于产业化前夕，容易受到重大节点性事件催化，如特斯拉举办AIDAY，Optimus产品发布新进展，以及其他国内外人形机器人厂商发布新产品等； （2）人形机器人技术取得突破性进展。人形机器人的成熟建立在AI大模型、自动驾驶等多项前沿技术之上，底层技术的快速成熟有助于进一步推动人形机器人产业化落地； （3）订单与投资。随着人形机器人在诸多场景落地，产业将迎来实质性落地。如果行业内披露相关订单、投资计划，将对股价形成催化。 投资观点 （1）动力源。建议关注空心杯电机领域的鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、拓邦股份；直流无刷电机领域的德昌股份；无框力矩电机领域的步科股份；减速器环节：行星减速器建议关注中大力德、双环传动；谐波减速器建议关注绿的谐波；丝杠建议关注贝斯特； （2）传动结构。主要集中在腱绳材料，建议关注钢丝方案的大业股份，潜在超高分子量聚乙烯纤维材料受益标的同益中、恒辉安防； （3）传感系统。建议关注：（一）六维力传感器：柯力传感、东华测试、八方股份；（二）触觉传感器：汉威科技、奥迪威；（三）身体平衡（IMU）：华依科技、芯动联科。 中庚基金 目录 1、机器人灵巧手设计与关键技术6 1.1、灵巧手发展历史6 1.2、灵巧手的分析框架7 2、欠驱动与全驱动：灵活度设计9 2.1、全手自由度设计9 2.2、单关节双自由度实现11 2.3、自由度优先级12 3、动力源13 3.1、动力源分类13 3.2、动力源位置及数量15 3.3、电机与减速器选型17 4、传动23 4.1、腱传动24 4.2、连杆传动26 4.3、齿轮传动27 4.4、特斯拉灵巧手27 5、传感器28 5.1、灵巧手的感知系统28 5.2、外部传感器29 5.2.1、触觉传感器29 5.2.2、接近传感器33 5.3、内部传感器34 5.3.1、力/力矩传感器34 5.3.2、动作传感器35 6、投资建议37 7、风险分析40 图目录 图1：机器人末端执行器6 图2：灵巧手发展历程7 图3：灵巧手分析框架8 图4：人手自由度分析9 图5：人手骨骼结构9 图6：人手六种基本抓取模式10 图7：人手常用动作及比例10 图8：Cutkosky抓取分类法10 图9：Robonaut2主手指（食指+中指）11 图10：Omnihand11 图11：DLRHandII12 图12：BH-985灵巧手自由度配置12 图13：McKibben人工肌肉结构13 图14：FESTOExoHand13 图15：微液压驱动的仿生灵巧手14 图16：ThenewFRH-4hand14 图17：采用记忆合金驱动的Hitachi灵巧手14 图18：驱动器内置与外置15 图19：DLR-I灵巧手16 图20：HIT/DLRHandII灵巧手原型16 图21：不同灵巧手驱动器数量统计17 图22：maxonECflat32/45盘式电机19 图23：HIT/DLRHandII灵巧手的基关节部分20 图24：HIT/DLRHandII灵巧手的驱动和传动系统20 图25：Dexhand手指驱动原理20 图26：Dexhand手指驱动单元20 图27：ILimbUltrahand手指结构21 图28：IDLAhand的驱动器配置21 图29：有刷空心杯电机结构图21 图30：无刷无齿槽电机结构图21 图31：不同电机参数比较（转子惯量）22 图32：不同电机参数比较（转矩密度）22 图33：灵巧手机械传动结构23 图34：Pisa//IITSoftHand的肌腱布线25 图35：腱绳传动手指25 图36：连杆传动手指示意图26 图37：bebionic连杆26 图38：齿轮传动灵巧手27 图39：特斯拉每个灵巧手具有6个执行器28 图40：蜗轮蜗杆传动原理图28 图41：灵巧手的感知系统28 图42：HIT/DLRHandII灵巧手的传感器系统29 图43：触觉传感器的发展过程30 图44：CALT-18仿人灵巧手微型指尖二维力传感器31 图45：指尖六维力/力矩传感器原型及弹性体31 图46：DLR/HITHandII型五指灵巧手指尖用柔顺性触觉传感器31 图47：腾讯TRX-Hand31 图48：Biotac多模态传感器32 图49：GelSight多模态传感器32 图50：智元机器人SkillHand32 图51：OmniTact视触觉传感器32 图52：仿生摩擦纳米发电机电子皮肤33 图53：自解耦软磁皮肤33 图54：接近传感器33 图55：腾讯灵巧手TRX-Hand掌心处安装接近传感器33 图56：具有轮辐形挠曲件的光学扭矩传感器34 图57：腱张力传感器结构与弹性体35 图58：微型光学腱张力传感器35 图59：关节角度位置传感器36 图60：关节角度位置传感器36 图61：用于测量肌腱曲率的弯曲传感器36 图62：灵巧手设计框架39 表目录 表1：常见几种动力源的特点比较13 表2：典型灵巧手与配套电机17 表3：灵巧手涉及电机的详细参数18 表4：不同电机类型对比19 表5：不同传动方式对比23 表6：不同灵巧手的传动系统24 表7：腱绳驱动灵巧手中腱绳材料的选择26 表8：不同触觉传感器技术路线特性比较29 表9：DLRHandII每个手指中的传感器配置34 表10：常用腱绳张力测量方式34 表11：常用位置传感器及其特点35 1、机器人灵巧手设计与关键技术 机器人中操作和动作决策的执行输出工具在机器人学领域被称之为末端执行器(End-Effector)。末端执行器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。 末端执行器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。 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。 图1：机器人末端执行器 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 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》 1.1、灵巧手发展历史 20世纪70年代，在日益增长的工业需求的推动下，灵巧手的概念逐步形成，并产生了许多简单的灵巧手。这一时期的代表性成果有日本的OkadaHand和通用公司(GM)的HandymanHand等。 20世纪80年代，随着相关技术的快速发展，灵巧手的应用范围逐渐扩大，很多国家和地区都开始着手于灵巧手的研制。这一时期的灵巧手不但具备了多手指、多自由度，而且初步具备了力/力矩、位置感知功能。由于技术水平的限制，驱动元件（如电机、气压驱动（气动）肌肉等）尺寸较大，为保证灵巧手尺寸与重量，采用腱驱动将驱动元件放置在灵巧手外是当时的主流设计思路，主要代表性成果有Utah/MITHand、Stanford