2023年中国机器人灵巧手行业概览人形机器人加速研究进展，灵巧手迎千亿市场

头豹行业概览|2023/12 www.leadleo.com 2023年 中国机器人灵巧手行业概览：人形机器人加速研究进展，灵巧手迎千亿市场 ChinaRobotDexterousHandIndustry 中国ロボット器用ハンド産業 （摘要版） 报告标签：人形机器人、特斯拉、空心杯电机撰写人：张诗悦 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系头豹研究院独有的高度机密性文件 （在报告中另行标明�处者除外）。未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造、传播、�版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行为发生，头豹研究院保留采取法律措施、追究相关人员责任的权利。头豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号、商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘用其他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动。 灵巧手是一种能够模仿人手的机器人末端执行器，与人手构造相似，具备通用抓取能力，能够执行更复杂的动作，未来有望替代人手部分功能。近几年人形机器人的高速发展，人形机器人对手部工作的精细度要求较高，且在外形上需仿人手，因此为灵巧手市场带来需求增量。根据特斯拉预测，人形机器人将于3-5年达成量产，量产后，灵巧手市场将爆发式增长，预计2030年将突破800亿元。灵巧手市场主要有机器人企业和研究机构两类参与者，国际灵巧手具有性能优势，中国灵巧手产业起步较晚，但研发进程较快，且具有价格优势，未来有望占据更多的市场份额。本篇报告主要回答灵巧手领域近期关注的问题，主要涉及： 1）灵巧手各部分的技术路线？ 2）灵巧手市场的竞争情况如何？ 3）灵巧手的市场空间如何？ 报告要点速览 观点提炼 灵巧手各部分的技术路线？ 结构：灵巧手结构形式由驱动器外置逐渐演变至驱动器内置或驱动器混合置，未来随着微驱 动、微传动器件技术提升，灵巧手的结构将向着模块化、微机电集成化方向发展 驱动：灵巧手的驱动方式主要有电机、气压/液压和形状记忆合金驱动三种，电机是当前灵巧手主要的驱动方式；空心杯具有突�的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，适用于人形机器人手部关节 传动：灵巧手的传动系统连杆传动、绳驱传动和齿轮传动三种，连杆传动广泛用于工业、假肢领域，绳驱传动主要用于科研领域和人形机器人领域，齿轮传动主要应用于工业机器人 感知：应用于灵巧手的传感器主要分为内部传感器和外部传感器，多感知能力融合是未来灵巧手的发展方向，同时获取多种信息有助于提升灵巧手抓取能力和智能化水平，且可弥补传动方案缺陷 灵巧手市场的竞争情况如何？ 灵巧手市场主要有机器人企业和研究机构两类参与者，国际灵巧手具有性能优势，中国灵巧手有望凭借价格优势占据更多的市场份额 灵巧手的市场空间如何？ 随着工业自动化的发展以及AI技术的普及，机器人逐渐在各行各业渗透；特斯拉Optimus量 产在即，预计乐观情况下人形机器人灵巧手市场规模将近880亿元，年复合增长率为109.3% •灵巧手结构形式由驱动器外置逐渐演变至驱动器内置或驱动器混合置，未来随着微驱动、微传动器件技术提升，灵巧手的结构将向着模块化、微机电集成化方向发展 灵巧手结构分析 灵巧手的结构形式 驱动器外置 •灵巧手的驱动器都安装在 灵巧手的外部 优缺点 •优点：外观设计更加拟人化；可采用更大的驱动电机，增大手指输�力•缺点：传感器难以反映灵巧手关节的真实状态，控制器设计难度大，非模块化设计使其难以维护 应用 驱动器内置 •灵巧手的驱动器都安装在 灵巧手的内部 优缺点 •优点：传感器可以直接测量灵巧手的状态，提高了控制精度，灵巧手的模块化设计使各手指之间的互换性和可维护性大大增强•缺点：灵巧手的尺寸和重量较大，关节灵活度下降，通信和控制的难度加大 应用 驱动器混合置 •灵巧手的驱动部分安装在灵巧手的外部，部分安装在内部 优缺点 •优点：结合了驱动器内置式和外置式的优势，可提高手指的输�力矩，减小灵巧手体积•缺点：仍需借助腱绳传动，存在一定的误差和延迟，系统的复杂性增加 应用 驱动器三种结构形式 美国国防部 DARPAExtrinsic 灵巧手 美国NASA&GM Robonaut2灵巧手 斯坦福大学 Stanford/JPL灵巧手 Shadow公司 Shadow灵巧手 德国宇航中心 Dexhand 德国宇航中心&哈工大 DLR/HITII 特斯拉 Optimus灵巧手 优必选 Walker机器人灵巧手 意大利IIT iCub 韩国三星 RoboRay灵巧手 根据驱动器缩在的位置，可将灵巧手的结构形式分为驱动器外置、驱动器内置和驱动器混合置三种，这也是灵巧手结构的演变路线。早期灵巧手通常将电机外置，导致整体体积较大，此后逐渐将电机内置，如特斯拉机器人和Walker机器人的灵巧手，提升了灵巧手的互换性和可维护性，减小了维护成本，但对电机尺寸要求较高，且使关节灵活性下降。因此，驱动器混合置结构�现，即内置外置相结合的方式，能够在保证高自由度的同时控制体积大小，但混合置结构仍存在外置结构的缺陷，未来随着微驱动、微传动器件技术提升，灵巧手的结构将向着模块化、微机电集成化方向发展 •灵巧手的驱动方式主要有电机、气压/液压和形状记忆合金驱 动三种，电机是当前灵巧手主要的驱动方式；空心杯具有突 �的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，适 用于人形机器人手部关节 灵巧手驱动分析 灵巧手驱动器类型 电机驱动 •最常见的灵巧手驱动方式，原理为利用电机的转动来驱动灵巧手的手指关节 优缺点 •优点：操作简单、响应快、轻量化设计、灵活、精度高等•缺点：成本高、易受外界电磁和噪音的影响、负载能力较弱 气压/液压驱动 •利用气体/液体的压力变化 来驱动灵巧手的手指关节 优缺点 •优点：输�功率密度大、传动效率高、易于实现远距离控制、输�力大•缺点：气压驱动精度低、负载能力差、功率小、体积大；液压驱动易受环境温度影响、设备难以小型化、维护难度较大 形状记忆合金驱动 •利用形状记忆合金的形变 来驱动灵巧手的手指关节 优缺点 •优点：驱动速度快、负载能力强、结构简单•缺点：无法长时间工作，存在疲劳和寿命问题，控制精度较低，难以实现复杂的操作 不同测量原理的力传感器性能对比 输�力 运动精度 响应速度 体积 电机驱动液压驱动气压驱动 形状记忆合金驱动 低中高 灵巧手三种驱动方式 驱动器是灵巧手的动力源，对灵巧手的体积和重量影响较大。驱动方式主要有电机、气压/液压和形状记忆合金驱动三种，其中液压驱动和电机驱动较为常见，形状记忆合金驱动为新型驱动方式，商业化应用较少。美国波士顿动力Atlas机器人使用液压驱动方式，其余的大部分机器人公司采用电机驱动，如特斯拉人形机器人Optimus更注重智能化，使用空心杯电机 对比集中驱动方式的输�力、运动精度、响应速度和体积，可看�电机驱动性能较高且体积小，是当前灵巧手主要的驱动方式 •灵巧手的传动系统连杆传动、绳驱传动和齿轮传动三种，连杆传动广泛用于工业、假肢领域，绳驱传动主要用于科研领域和人形机器人领域，齿轮传动主要应用于工业机器人 灵巧手传动分析 灵巧手传动机构 连杆传动 •多个连杆串并联混合的形 式传递运动和力矩 优缺点 •优点：传动效率高、控制精度高、刚度好、抓取力大、易于加工•缺点：结构复杂、抗冲击能力弱、体积大、重量大、柔性不足 应用 绳驱传动 •利用腱绳加上滑轮或者软 管实现传动 优缺点 •优点：控制灵活、结构紧凑、柔性高、减轻末端负载、节约空间和成本•缺点：控制精度不高、抓取力不大、腱绳易磨损、负载能力弱 应用 齿轮传动 •使用微型谐波减速器、带、 齿轮驱动 优缺点 •优点：手指动作相互独立、更加灵活、传动效率高、减速比大、抓取力大•缺点：结构复杂、重量大、抗冲击能力弱、故障率较高、成本高 应用 韩国科学技术研究院 KISTHand PanipatWattanasiri团队 仿生灵巧手 韩国亚洲大学科 学家团队 ILDA 因时机器人 RH56DFX Shadow公司 Shadow灵巧手 西班牙国防中心大学&法国交互式机器人实验室 CEAdexterous 特斯拉 Optimus灵巧手 麻省理工学院和犹他大学 Utah/MIT 德国宇航中心&哈工大 DLR/HITII 北航机器人研究所 BH-985 三种传动机构 灵巧手的传动系统对操作的稳定性和灵活性有重要影响，传动方式有连杆传动、绳驱传动和齿轮传动三种。连杆传动广泛用于工业、假肢领域，刚度大，易于强力抓取物体，但重量体积较大，柔性不足。绳驱传动主要用于科研领域和人形机器人领域，灵活度高、结构简单，但控制精度不足，寿命短，已有Shadow等灵巧手落地，也是特斯拉机器人配备的灵巧手类型；齿轮传动主要应用于工业机器人，每根手指可独立操 纵，灵活性强，但结构复杂、易发生故障，成本较高 •应用于灵巧手的传感器主要分为内部传感器和外部传感器，多感知能力融合是未来灵巧手的发展方向，同时获取多种信息有助于提升灵巧手抓取能力和智能化水平，且可弥补传动方案缺陷 灵巧手感知技术分析 灵巧手的传感方式 灵巧手用传感器类型 触觉传感器 接近觉传感器 外部传感器：反馈外部信息 力/力矩传感器 运动传感器 内部传感器：反馈姿态信息 灵巧手传感器 包含位置传感器和弯曲传感器，用于测量机器人手的关节角度和位置 测量关节扭矩，提供灵巧手动态信息 探测物体表面和物体与灵巧手之间的相对位置 通过压电效应，感知物体信息和抓取力度等多方面信息 内部与外部传感器 多传感器融合趋势 应用于灵巧手的传感器主要分为内部传感器和外部传感器。内部传感器主要反馈灵巧手的姿态信息，分为运动传感器和力/力矩传感器，可提供灵巧手的关节角度信息、位置信息和动态信息，对灵巧手的灵活、稳定抓取至关重要。外部传感器包括接近觉传感器和触觉传感器，主要感知目标物体的位置、受力等信息，这些信息对于提高灵巧手的操作成功率较为关键 融合 内部传 感器 外部传 感器 提升灵巧手抓取能力和 智能化水平 弥补传动方案缺陷 多感知融合为未来趋势 多感知能力融合是未来灵巧手的发展方向。一方面，同时获取多种信息有助于灵巧手对物体的精准识别以及提升操作精细度和智能化水平；另一方面，多种传感方式搭配可弥补传动方案缺陷，如绳驱方案具有力度和重定位精度较差的缺陷，可用角度传感器测量累计弯曲角度，补偿电缆因摩擦引起的非线性变化，从而增强对腱绳张力控制的精确度 •灵巧手市场主要有机器人企业和研究机构两类参与者，国际灵巧手具有性能优势，中国灵巧手有望凭借价格优势占据更多的市场份额 灵巧手市场竞争情况 全球灵巧手市场主要参与者类型 中国企业 /研究机构 国际企业 灵巧手市场参与者 哈尔滨工业大学：2001年研制�中国第一个具有多种感知功能的灵巧手；2006年研制�的微型力矩传感器用于DLR/HITHandII灵巧手中；2016年，哈工大研制的灵巧手完成国际首次人机协同在轨维修技术试验 因时机器人：是一家专注于微型精密运动部件研发制造和伺服控制技术创新的高新技术企业，2019年研制�五指灵巧手，2023年因时机器人参与的灵巧手国家重点研发计划顺利通过验收 思灵机器人：创立于2018年，致力于推动机器人技术探索与创新，并拓展机器人在更多领域的推广应用，2020年发布五指灵巧手DexterityHand 中国科学院自动化研究所：王鹏研究员研究组研发的CasiaHand系列灵巧手及类人灵巧操作 机器人，在2023世界机器人大会上首次亮相 腾讯RoboticsX实验室：于2018年建立，主攻移动、灵巧操作和智能体三大机器人核心通用技术的研究与应用，2023年推�自研机器人灵巧手“TRX-Hand” •日本岐阜大学 •韩国科学技术研究院 •韩国先进工程研究所 •西班牙国防中心大学 •西班牙国防中心大学 •德国宇航局 国际研究机构 •ShadowRobot •SCHUNK