灵巧手：人形机器人应用落地的关键

证券研究报告 灵巧手：人形机器人应用落地的关键 分析师：张志邦（S0010523120004）邮箱：zhangzhibang@hazq.com 分析师：刘千琳（S0010524050002）邮箱：liuqianlin@hazq.com 2024年9月25日 华安证券研究所 2 灵巧手价值量高，是人形机器人应用落地的关键 华安研究•拓展投资价值 灵巧手结构精密复杂，真实人手的单手自由度是21个，机器人的灵巧手会根据特定场景简化功能，平衡成本和自由度的关系，目前特斯拉机器人单手自由度仅11个。灵巧手的性能和成本受其三大核心组件—驱动、传动和传感装置的共同影响。 灵巧手有多种驱动路线，差异主要体现在驱动形式和传动形式。驱动源是影响灵巧手体积和重量的重要因素，灵巧手模组的驱动方式包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。灵巧手的操作稳定性和灵活性指标主要取决于传动系统，传动模式包括连杆传动、腱绳传动、齿轮传动等。特斯拉目前驱动方案采用的空心杯+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器的结构，传动方案采用的是金属腱绳+蜗轮蜗杆传动的结构。 灵巧手电驱动采用的电机方案路线众多，不同电机方案的模组构成不同。最常用的是空心杯电机，其特点是轻量高效，因扭矩相对较低常需要搭配行星齿轮减速器使用，主要供应厂商有Maxon、Faulhaber。无框力矩电机，无背隙可以直接驱动负载，不需要皮带、齿轮等传动装置；无刷有齿槽电机，相比空心杯电机模组转速更低可以节省齿轮箱。除电机方案之外，灵巧手模组其他结构件路线各异，减速器包括谐波减速器、行星减速器等，传感器有力传感器、触觉传感器等多种形式。 灵巧手领域主要的参与者有特斯拉、哈默纳科、Maxon、兆威机电、鸣志电器等。Maxon是精密驱动头部厂商，其定制化模组优势突出。哈默纳科是精密减速器头部厂商，已成功落地灵巧手微型谐波方案。鸣志电器以步进电机起家，目前空心杯电机成本优势凸显。兆威机电是微型传动领域标杆，机器人产品定制化经验丰富。推荐灵巧手国产替代核心标的兆威机电、鸣志电器。 3 华安研究•拓展投资价值 目录 1灵巧手结构及功能 2灵巧手发展路径：成本与功能的博弈 3灵巧手重要部件详解 4相关标的 5风险提示 1.1灵巧手结构精密复杂，依据特定场景简化功能 •就真实人手而言，远指关节和中指关节分别有1个自由度，能够完成屈曲/伸展运动；而掌骨关节具有2个自由度，可以完成屈曲/伸展和侧向摆动动作。Pitch方向的自由度大拇指、食指、中指、无名指和尾指各有3个，共计15个；Roll方向的自由度大拇指有2个，其他手指各1个，共计6个，总体而言单手自由度为15+6=21个。对比而言，特斯拉人形机器人单手自由度仅11个。 •灵巧手决定了机器人的应用场景。人形机器人的灵巧手是一种基于人手运动学设计的特殊末端执行器，由于真实人手具备高自由度、结构紧凑等特征，绝大多数机械手无法完美复刻人手的功能，需要依据特定情景权衡简化。 图表1：人手自由度分析图表2：人手骨骼结构 屈曲伸展 外展内收 4 资料来源：小米科技，华安证券研究所资料来源：郑悦《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》，华安证券研究所 5 1.2手指决定灵巧手的主要功能 •灵巧手的功能主要由手指决定，灵活的手指可以有效地提高灵巧手的灵活性。因此，对灵巧手的手指研究，尤其是对手指关节结构的研究至关重要。目前，灵巧手有很多分类方式，按照灵巧手的手指关节及其传动方式分类，主要可以分为三种灵巧手：刚性关节灵巧手、柔性关节灵巧手和软体关节灵巧手。 •机器人灵巧手的自身复杂性主要表现在仿生结构、驱动、传动、感知、复合材料、建模与控制等方面的关键技术。 图表3：灵巧手按手指关节分类一览 资料来源：郑浩贤《基于C形关节的柔性灵巧手设计与控制系统研究》，华安证券研究所 6 1.3灵巧手的仿生结构 •从手指和手掌的外形上看，目前已有的各种多指灵巧手多是模仿了人手的结构和外观，具有鲜明的仿生设计特点。然而，现有的多指灵巧手的内部结构，特别是手指关节等运动结构，主要还是采用传统的机械式铰链转动关节设计。机械式转动关节的优点是结构稳定可靠、运动可测可控，然而同时给驱动传动的设计以局限性，虽然外观和形式上实现了仿生，但是在运动功能实现上远远达不到人手的灵活精巧程度和目标适应性。 图表4：灵巧手结构设计方案一览 资料来源：蔡世波等《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》，华安证券研究所 1.4灵巧手传感器 •感知是执行的前提，感知层的传感器是软件控制和硬件零部件的桥梁，是实现具身智能的关键，多感知能力融合是未来灵巧手的发展方向。灵巧操作要求灵巧手能够准确地反馈自身状态并感知周围环境，据此要求传感器可分为内传感器和外传感器两大类： •内部传感器用于反馈灵巧手自身的位置或力等状态信息。三种典型的内部传感器包括位置传感器、弯曲传感器和张力传感器。 •外部传感器是机器人获取周围环境信息的必要部件。为了实现灵巧操作，灵巧手需要在操作前阶段靠近目标物体，在操作阶段用手形对目标物体进行操作。因此，在操作前阶段，使用近端传感器来检测物体与灵巧手之间的距离。当灵巧手接触到物体时，触觉传感器用于提供物体的物理信息和接触力。 7 图表5：用于灵巧手的感知，感知方法及其操作 资料来源：CAAI认知系统与信息处理专委会，华安证券研究所 图表6：HIT/DLRHandII灵巧手手指机械结构简图 资料来源：张元飞《机器人灵巧手指尖柔性触觉传感器研制及操作研究》，华安证券研究所 8 1.5灵巧手驱动形式和传动形式 •驱动源是影响灵巧手体积和重量的重要因素，主要驱动方式包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。电机驱动最为常用，其优点包括使用方便、能量转化率高、机构速度变化范围大，噪声较小，控制灵活、精度高。特斯拉电机驱动方案，单手6个无刷空心杯电机模组，11个自由度，空心杯电机模组由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器构成。 •灵巧手的操作稳定性和灵活性指标主要取决于传动系统，主要传动方案包括连杆传动、腱绳传动和齿轮传动。腱绳传动控制灵活 ，传递力的距离长，能实现自适应抓取；连杆传动精度高、效率最高、承载能力大；齿轮传动应用最广，使用周期长、效率高。特斯拉采用了金属腱绳+蜗轮蜗杆传动结合的方案。金属腱绳实现自适应抓取能力；蜗轮蜗杆实现自锁特性，能有效阻止电机发热，且蜗轮蜗杆的不可反驱动特性使得灵巧手可以在抓握完成后实现无功耗保持。 图表7：不同传动方案对比 资料来源：李可歌《一种新型灵巧操作手的设计与分析》，李久振等《北航BH-985灵巧手结构设计》，华安证券研究所 9 1.6特斯拉人形机器人灵巧手电机模组拆分 •特斯拉人形机器人灵巧手单手6个无刷空心杯电机模组，11个自由度，其中空心杯电机模组构成：空心杯电机+蜗轮蜗杆（自锁 、高负载）+精密行星减速箱（高精度、动态响应）+编码器+驱动器+传感器 •空心杯本身低速高扭的特性配合行星减速机，能够达到一个比较可观的功率密度；搭配蜗轮蜗杆的目的是进行90度的动力方向的转换的同时，提升手指的力矩，以及通过自锁提升包络抓取的性能。 图表8：特斯拉灵巧手结构拆分 11个自由度=6个主动关节+5个被动关节 金属腱绳 蜗 轮 蜗杆 五个手指各一个弯曲自由度，腱绳线驱 大拇指多一个侧摆自由度，直驱 六 个电机 模组 精 密行星减 速箱 空 心杯电机 资料来源：特斯拉AIDAY，华安证券研究所 10 目录 1灵巧手结构及功能 2灵巧手发展路径：成本与功能的博弈 3灵巧手重要部件详解 4相关标的 5风险提示 2.1灵巧手成本与功能的博弈 •灵巧手的性能和成本受其三大核心组件—驱动、传动和传感装置的共同影响。首先，驱动系统为手部提供必要的动力和旋转力，确保其具备足够的操作能力；其次，传动系统负责将动力传递到手指，精确控制其运动轨迹；最后，传感系统则负责监测和响应手部与环境的互动，提供反馈信息以优化抓取动作。灵巧手研制难点可分为“灵巧”和“作业”两部分，灵巧性难题是由于灵巧手关节自由度分布、关节数量要求较高，作业能力难题则由于灵巧手需要具备更强的操作负载能力、力位精度与可靠性。 •灵巧手需从实际应用场景出发进行结构设计，在追求性能最优化的同时要考虑到成本效益，实现两者之间的合理折中。对于人形机器人的灵巧手，其设计必须考虑到人体工程学的尺寸要求，同时还要兼顾空间限制和重量等实际应用中的实用性因素。 11 图表9：灵巧手重要评价标准一览 资料来源：萝卜易机器人，华安证券研究所 图表10：典型灵巧手的比较 资料来源：薛智慧和刘金国《空间机械臂操控技术研究综述》，华安证券研究所 •技术路线1：空心杯电机 •特点：具有轻量高效、高转速和长寿命的特点，适合需要高精度和快速响应的场合，但单独空心杯电机扭矩相对较低，需要搭配 行星齿轮减速器以降低输出轴的速度并增加扭矩。 •应用：因时机器人灵巧手内部装有6个小型伺服驱动器，集成无刷电机、行星减速机、直线导轨、绝对位置检测传感器和力传感器。特斯拉Optimus单手6个无刷空心杯电机模组，由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器构成。 •供应厂商：Maxon和Faulhaber在技术上处于领先，有刷空心杯电机最小尺寸可做到6mm，无刷空心杯电机直径Maxon和Faulhaber分别可做到4mm和3mm。鸣志电器的无齿槽空心杯电机模组、精密丝杠传动模组等在机器人各主要运动控制功能模块中广泛适用，空心杯电机成本优势凸显，但高端产品在功率、效率等方面与海外三大家仍存在差距。 12 图表11：因时机器人仿人五指灵巧手 资料来源：因时机器人，华安证券研究所 图表12：空心杯电机主要供应商产品尺寸范围 资料来源：立鼎产业研究，华安证券研究所 •技术路线2：无框力矩电机 •特点：具有低转速大扭矩的特点，能直接耦合（无背隙），可以直接驱动负载，不需要皮带、齿轮等传动装置，其应用于灵巧手相比空心杯电机模组可节省传动部件，具备一定成本优势。 •应用：Dexhand和Spacehand灵巧手都采用RobodriveILM25无框力矩电机，该电机与传动比为100:1的谐波减速器HFUC8结 合，组成圆柱体（长约17.5mm，重约46g），提供2.4Nm的连续扭矩，峰值可达9Nm。 •供应厂商：步科股份FMC系列无框力矩电机采用了多槽分瓣式结构，齿槽定位力矩小，可对标国际领先产品。禾川科技于24年5月发布hu-mdb系列无框力矩电机，并宣布正式进军人形机器人赛道。 13 图表13：Dexhand手指驱动原理示意图 资料来源：IEEE机器人与自动化国际会议，华安证券研究所 图表14：步科股份FMC系列无框力矩电机 资料来源：步科股份官网，华安证券研究所 •技术路线3：无刷有齿槽电机 •特点：无刷电机减少了机械接触和磨损，寿命更长且维护成本较低；有齿槽磁能更集中，相比空心杯电机模组转速更低可以节省齿轮箱，性价比优势较突出。 •应用：DLR/HITHandII手指基关节模组使用了Maxon的无刷有齿槽电机和谐波减速器。出于人形机器人降本需求，搭载无刷有齿槽电机的灵巧手商业化进度可能更快。 •供应厂商：Maxon有EC-i、ECflat等系列无刷有齿槽电机，其中EC-i30以其高动态性能、低齿槽转矩和高转矩特性而著称。 图表15：Maxon无刷有齿槽电机产品图表16：DLR/HITHandII的驱动和传动系统 14 资料来源：Maxon官网，华安证券研究所 资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》，华安证券研究所 •技术路线1：谐波减速器：哈默纳科在2023年东京国际机器人展览会上展示了搭载微型谐波减速器的灵巧手方案，该产品可实现无限模仿人手精密动作处理。 •特点：谐波减速器相比行星优势在于精度和背隙，目前微型谐波的问题主要是成本、传动效率和速比上