人形机器人专题（三）：灵巧手：结构向高承载发展，丝杠数量或将倍增

基于功能性和长期目标，灵巧手往人手方向发展是大势所趋。若以函数表示，机器人灵巧手替代人手的条件为F(X,Y,Z)=(自由度、抓握能力、感知能力、承重能力，稳定性，经济性)≥F(人手)。 自由度是当前特斯拉灵巧手发生最大变动的地方。根据特斯拉GEN2官方视频，GEN2单手自由度为11个，而特斯拉24Q2业绩会上，马斯克说明后续手部自由度将为22个，往人手方向靠近。这意味着与之配套的单自由度零部件，即 驱动装置、传动装置、传感装置等数量都将随之提升。 驱动装置上，预计空心杯电机和无刷有齿槽电机将成主流，假设单手用量约13~17个，当前双手价值量3.4~15.3万元。驱动方式包含电机驱动、液压驱动、气压驱动和形状记忆合金驱动。由于电机驱动具备体积小、响应快等优势，凭借较强的性价比成为主流方案。以特斯拉为例，其手部采用了空心杯电机，据Maxon官网，其单价达4675元，而 兆威机电旗舰店的空心杯电机约2000元/个，无刷有齿槽电机售价仅160元/个，基于成本考虑，后续无刷有齿槽电机有望凭借较高的经济性部分替代空心杯电机的布局。中高端领域中，空心杯电机市场基本被外资厂商垄断，外资企业市场份额达到85%以上。但国内布局工业用空心杯电机的企业较多，有望快速切入机器人领域，实现国产化降本。 传动装置上，当前处于腱绳向丝杠切换的关键时间点，假设单手用量13~17套，当前双手价值量为5.5~10.6万元。传动方式主要包含腱绳、丝杠、齿轮、连杆等。早期灵巧手采用齿轮、连杆等传动机构，然而因为尺寸和质量大、运动不灵活等问题逐渐被淘汰。模仿动物肌腱传动方式的腱绳传动目前广泛被灵巧手采用。但此方案的问题在于承载力较低，因此有可能被承载力更高的丝杠方案替代。在2024年北京机器人展览上，KGG展出4mm直径的行星滚柱丝杠， 以及直径1.5mm的行星滚珠丝杠；此外KGG还展出了集成了行星滚柱丝杠方案的灵巧手。当前已布局手部微型丝杠的公司较少，目前包含新剑传动、五洲新春和KGG等。 传感器装置上，触觉传感器是价值量最大环节，单手用量约5套，双手价值量约1351元。根据特斯拉GEN2发布会，特斯拉机器人上确定搭载了触觉传感器，其他灵巧手传感器包含关节力矩传感器、关节绝对位置传感器、电机霍尔传感器和温度传感器。全球触觉传感器前三大厂商为Tekscan、PressureProfileSystems、SensorProductsInc，市占率共65%，国产传感器预计后续凭较好的成本优势提升国产替代率。 灵巧手正往更高自由度、高感知能力和低成本提升方向发展。据测算当前单只高性能灵巧手成本约4.5~13万元，量产后单手价格有望做到1万元以下，高性能灵巧手DLR售价达80万元/只，具备较大降本和降价空间。空心杯电机和滚柱丝杠合计成本占比90%以上，是降本的核心。当前美国灵巧手技术高于国内，多家外资已经将自由度做到20个以上，国产灵巧手自由度最多的是青龙（19个）。国产投入积极且具有价格优势，国产灵巧手有望占据更多市场份额。 投资建议 灵巧手是机器人的核心部件，根据特斯拉公开资料，特斯拉第三代灵巧手相比于第二代的变化为：（1）手部增加了自由度，从11个提升到22个，从而对应的电机数量将可能从原本的6个提升到13~17个；（2）驱动器装载部位由手部改为手腕。驱动上，电机驱动是当前主流的灵巧手驱动方式，由于第三代灵巧手自由度增加，所需电机数量增加，利好空心杯电机和无刷有齿槽电机供应商。传动上，腱绳+蜗轮蜗杆是特斯拉第一代方案，随着行业灵巧手丝杠的日渐成熟，叠加特斯拉提升单手承载力的需求，手部采用丝杠进行传动可能是一种发展方向，若单手丝杠为13根，则单 个人形机器人需要26根丝杠，利好丝杠产业链供应商。感应上，第一代采用了霍尔传感器，第二代新增触觉传感器，由于触觉传感器价值量较大，利好相关传感公司。 风险提示 机器人落地进展不及预期风险，现有主业下游发展不及预期风险，竞争加剧的风险，价格超预期下降风险。 内容目录 一、灵巧手具体方案对比：灵巧手=手指（驱动+传动+传感器）*自由度+外壳5 1.1灵巧手技术路线分析：电驱+复合传动+带力和触觉传感为主导方向5 1.2特斯拉gen1专利拆解：驱动器、齿轮箱是核心零部件13 1.3灵巧手空心杯电机和丝杠是未来降本核心19 1.4竞争格局：美国领先，国产灵巧手快速崛起21 二、驱动装置：国产竞争力优势明显22 2.1价格：进口价格为国产品牌的两倍22 2.2竞争格局：玩家持续增多，有望快速实现国产替代22 三、传动方式：谐波减速器尚有差距，丝杠国产优势明显23 3.1减速器：降速增扭，已有多家完成手部谐波减速器开发23 3.2丝杠：具备较高的承载力和精度，在精细化工作场景中具备必要性25 四、传感器：精度存在差异，国产产品满足一般场景27 4.1电阻式和电容式触觉传感器有望成为主流27 4.2灵巧手需要大面积低精度皮肤+高敏感指腹27 4.3竞争格局：外资占据大部分份额28 投资建议29 风险提示31 图表目录 图表1：人手共有24个自由度5 图表2：除手腕和手掌外，人手共21个自由度5 图表3：若要完全实现人手功能，需要采用全驱动方案6 图表4：灵巧手自由度最高已达24个6 图表5：电机驱动综合性价比较高7 图表6：空心杯电机采用无齿槽结构8 图表7：线圈绕组方式包含斜绕、叠绕、直绕、马鞍绕和同心绕等9 图表8：空心杯电机属于无齿槽电机9 图表9：电机未来的趋势是缩小体积和提升功率密度9 图表10：手指可以采用腱绳传动10 图表11：手指可以采用连杆传动10 图表12：手指可采用齿轮传动和蜗轮蜗杆传动11 图表13：灵巧手采用滚珠丝杠作为传动件（整体视图）11 图表14：灵巧手采用滚珠丝杠作为传动件（单自由度视图）11 图表15：灵巧手传动方式各有千秋，常复合使用11 图表16：近年灵巧手方案采用多种传感器且采用电驱和腱绳传动为主12 图表17：DLR/HITHand使用的传感器数量和种类属于较多水平12 图表18：电机驱动+腱绳（复合丝杠等）传动+触觉（复合其他传感器）是主流发展方向13 图表19：特斯拉灵巧手单手具有5个指节14 图表20：特斯拉第一代灵巧手有6个执行器和6个齿轮箱15 图表21：特斯拉灵巧手单指有2个枢轴结构与2个扭簧16 图表22：特斯拉灵巧手单指有2个电缆与2个通道结构17 图表23：特斯拉灵巧手手指顶部有自动张紧器18 图表24：特斯拉灵巧手单指节有1个霍尔效应传感器18 图表25：特斯拉灵巧手单指节有1套霍尔效应传感器19 图表26：特斯拉灵巧手自由度有提升趋势19 图表27：采用进口空心杯电机和行星滚柱丝杠单手预估价格13万元（单位：元/只）20 图表28：采用国产空心杯电机和行星滚柱丝杠单手预估价格4.5万元（单位：元/只）20 图表29：量产后灵巧手可以降本至万元内（单位：元/只）21 图表30：灵巧手当前市场价为2-80万元/只21 图表31：国产新灵巧手产品快速追赶海外实力22 图表32：Maxon手指空心杯价格几乎为国内的两倍22 图表33：国内外空心杯电机主要生产企业23 图表34：谐波减速器传动效率最高23 图表35：绿的谐波的谐波减速器人工成本逐步下滑24 图表36：哈默纳科已经完成手指微型谐波减速器研发24 图表37：东京大学灵巧手搭载了哈默纳科谐波减速器24 图表38：手部减速器目前已有至少三家开发完成25 图表39：KGG微型丝杠直径达到1.8mm超小轴径25 图表40：KGG行星滚柱丝杠达到4mm轴径25 图表41：KGG线性执行器（行星）总行径为20-65mm26 图表42：KGG已经做出丝杠传动的灵巧手方案26 图表43：新剑传动、KGG和五洲新春已经研发出灵巧手部丝杠26 图表44：各路线触觉传感器的对比27 图表45：压阻柔性触觉传感器结构及实物图28 图表46：国内外触觉传感器性能差异体现在精度上28 图表47：机器人触觉传感器主要生产企业28 图表48：触觉传感器源于美国，中国长期被日美卡脖子29 图表49：灵巧手价值量最高的零部件为空心杯电机、丝杠、减速器、触觉传感器30 图表50：灵巧手供应链公司估值30 一、灵巧手具体方案对比：灵巧手=手指（驱动+传动+传感器）*自由度+外壳 随着工业自动化和人工智能技术的不断进步，机器人正逐渐从单一的重复性任务执行者转变为能够执行复杂、多变任务的智能体。在这一转变过程中，灵巧手作为机器人与外界交互的重要工具，其重要性日益凸显。灵巧手的设计灵感来源于人类手部的复杂结构和功能，它使得机器人能够执行诸如抓取、操纵、甚至感知等多样化任务，极大地扩展了机器人的应用范围和操作能力。 灵巧手的组成是实现其多功能性的基础。一个典型的灵巧手系统通常由以下几个关键部分组成： （1）驱动系统：负责提供动力，使手指能够进行各种运动。驱动系统包括电机、气动和液压等类型。 （2）传动系统：将驱动系统产生的动力转换为手指关节的运动。传动系统包括丝杠、齿轮、连杆、绳索和腱绳等。 （3）传感器系统：包括触觉、力觉和位置传感器等，用于感知手部与外界物体的接触状态和力度，以及手部自身的位置和运动状态。 （4）控制系统：通过算法和软件对驱动系统和传动系统进行精确控制，以实现预定的手部运动和任务执行。 本文将结合特斯拉的灵巧手专利，拆分灵巧手驱动、传动、传感器等零部件的技术方案、未来发展方向、竞争格局和价值量。 1.1灵巧手技术路线分析：电驱+复合传动+带力和触觉传感为主导方向 1.1.1自由度数量：有自由度提升趋势 人手共有24个自由度。据《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，人手24个自由度包含拇指5个自由度，其余4 指各4个自由度，另外还有腕的外展、腕的弯曲和手掌的弧度3个自由度。 图表1：人手共有24个自由度图表2：除手腕和手掌外，人手共21个自由度 来源：《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，国金证券研究所来源：《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，国金证券研究所 若机器人的灵巧手驱动源数量等于自由度，为全驱动；若驱动源数量小于自由度，为欠驱动。全驱动方案每个指关节都有驱动器，功能接近人手，可实现更高的精度；而欠驱动虽然集成度更高，但功能性不足，对于精度要求比较高的手指精巧控制无法胜任。 图表3：若要完全实现人手功能，需要采用全驱动方案 全驱动 欠驱动 定义 自由度=驱动源数量 自由度>驱动源数量 缺点 手掌体积大、安装困难、操作复杂 功能不足，精度低 优点 功能接近人类，精度高 体积小、质量轻、系统简洁 图片 来源：《机器人灵巧手研究综述_刘伟》，国金证券研究所 自由度越多，设计难度越大，难题之一是如何安置众多驱动器，让灵巧手的尺寸接近人手。目前已知自由度最多的是ShadowHand，自由度达到24个。特斯拉人形机器人第一代单手拥有6个自由度，第二代11个自由度，整体向自由 度更高发展。2014年起，已有至少4款灵巧手做到了21个自由度，传动方式上，韧带、腱绳和齿轮连杆均有采用。 灵巧手 主要研究单位 研究年份 手指个数 自由度 传动方式 OkadaHand 日本电工实验室 1974 3 11 腱-滑轮 SALISBURYHand 斯坦福大学 1983 3 9 腱-滑轮 Belgrade/USCHand 贝尔格菜德大学 1988 5 15 连杆 UBHand 博洛尼亚大学 1992 3 11 腱-滑轮 NTUHand 台湾大学 1996 5 17 齿轮 DISTHand 意大利热那亚大学 1998 4 16 腱-滑轮 RobonautHand NASA 1999 5 14 腱-滑轮 LMSHand 普瓦提埃大学 1998 4 16 腱-滑轮 GIFUHand 日本岐阜大学 2001 5 16 齿轮连杆 DLRHand 德国宇航中心 2001 4 13 腱-滑轮 HighSpeedHand 东京大学 2003 3 9 齿轮 KeioHand 庆应义塾大学 2003