人形机器人“好用”的关键：特斯拉Optimus22自由度灵巧手方案解析

分析师：林子健 SAC编号：S1050523090001 行业深度报告 证券研究报告 人形机器人“好用”的关键 特斯拉Optimus22自由度灵巧手方案解析 投资评级：推荐（维持） 报告日期：2025年01月03日 灵巧手的需求来源于柔性制造 人体结构是最适应现代文明的进化形态，同理，“人造人”是最贴近人类日常生产生活需求的机器人形态。将自动化生产线转变为柔性制造车间，需要寻求智能的解决方案，而这种解决方案可以由灵巧手和人形机器人来缔造，并且有机器学习和类脑智能技术的加持，数字化的日常生活都能成为人形机器人的学习资料，智能性将持续深化。可以让机器人像人一样使用工具的灵巧手，是提升机器人柔性操作能力的关键部件，是柔性制造避不开的一环。 特斯拉OptimusGen3灵巧手有三大变化，三大变化均指向丝杠用量提升 我们推测，特斯拉下一代灵巧手方案是N自由度、N腱绳、N执行器方案。根据10月10日特斯拉在发布会上的演示视频，特斯拉新一代灵巧手采用腱绳驱动的传动方式，肌腱的一端固定在指尖(骨骼)中，另一端连接到执行器(肌肉)。目前Opimus灵巧手自由度为22个，已与人手处于相当水平。我们推测，特斯拉手部执行器数量在17/22个。 驱动器外置带来自由度提升：驱动器后置集成在手臂上可以放入更多的驱动器，直接增加灵巧手的自由度； 采用丝杠替代蜗杆：二者作用均是将旋转运动转变为直线运动，采用丝杠能有效提升灵巧手的精度和载荷能力，提高传动效率； 采用腱绳替代扭力弹簧：上一代机器人手指伸展主要依靠扭力弹簧复原，但现在采用一根单独的腱绳完成伸展，灵活性 进一步提高。 Optimus灵巧手后续进展演绎 灵巧手工程量占据Optimus工程量的50%。灵巧手作为机器人上最重要的末端执行器，我们认为其设计和构造必然会随着机器人的应用场景改变而改变。现阶段仍然没有办法打造出同时具备低成本、长寿命、高精细化的灵巧手。这一代22自由度的Optimus灵巧手已经在自由度上接近人手，但腱绳结构还是存在一定程度上的不足。在实际应用中出于实用性和成本考虑，灵巧手必然、会迭代出多个版本，使得不同场景中的机器人可以灵活搭配上不同灵巧手来完成相对确定场景中的工作。应用场景特性不同，采购不同版本的灵巧手的成本会低于采购不同版本的机器人，灵巧手是机器人走向“好用”的关键。 灵巧手关键零部件解析 灵巧手价值量最高的三个部件即丝杠、电机、减速器，推荐标的包括： 1）丝杠：双林股份、贝斯特、北特科技、五洲新春； 2）空心杯电机和减速器：鸣志电器、兆威机电、雷赛智能； 3）总成：捷昌驱动、兆威机电。 公司代码 名称 2025-01-03股价 EPS PE 投资评级 2023 2024E 2025E 2023 2024E 2025E 002050.SZ 三花智控 22.84 0.81 0.88 1.03 28.20 26.08 22.14 未评级 002979.SZ 雷赛智能 30.11 0.45 0.70 0.89 66.91 43.00 33.66 未评级 003021.SZ 兆威机电 74.98 1.05 0.90 1.14 71.41 83.44 66.00 未评级 300100.SZ 双林股份 28.38 0.20 0.99 1.03 141.90 28.67 27.55 买入 601689.SH 拓普集团 47.69 1.95 1.75 2.25 24.46 27.22 21.23 未评级 603009.SH 北特科技 39.51 0.14 0.20 0.36 282.21 197.55 109.75 买入 603667.SH 五洲新春 25.02 0.40 0.44 0.57 62.55 56.97 43.98 未评级 603728.SH 鸣志电器 52.11 0.34 0.33 0.50 154.58 159.80 104.85 未评级 资料来源：wind，华鑫证券研究（未评级公司盈利预测取自wind一致预期） 机器人下游应用不及预期 地缘政治风险 研发进度不及预期 目录 CONTENTS 1.灵巧手是机器人最重要的末端执行器 2.特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均 指向手部丝杠价值量上升 3.灵巧手关键零部件解析 4.风险提示 01 灵巧手是机器人最重要的末端执行器 8 1.1、灵巧手是机器人一种复杂的末端执行器，其需求来源于柔性制造 末端执行器决定机器人的工作性能。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。机器人的末端执行器主要分为工业机械手和仿人多指灵巧手。传统的工业机械手大多是针对特定的工作任务、特定被夹持零件而设计的，可以有效地执行简单的重复性任务。工业机械手自由度少，结构简单，易于控制，但是灵活性低，没有配置传感器，无法进行精确的位置控制和力控制，通用性差。 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器。相比于工业机械手，灵巧手具有以下优点：1）仿人多指灵巧手通常具有多根手指，每根手指都具有多个关节和多个自由度，具有很高的灵活性；2）仿人多指灵巧手配置了必要的传感器，可以精确控制灵巧手的操作；3）灵巧手的每根手指都可以看作是一个微小的连杆机器人，这种微小的外形尺寸使得灵巧手具有很高的操作精度；4）仿人多指灵巧手通常都通 用性强，可以对目标物体实施多种仿人操作，对类人工作环境的适用性强，可以实现在未知和非结构环境中对不同形状的物体进行抓取。 末端执行器灵活度逐渐趋于人类手部 典型两指夹持器联动型三指夹持器多关节手指抓持手多指灵巧手 资料来源：机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战_蔡世波，华鑫证券研究 9 1.1、灵巧手是机器人一种复杂的末端执行器，其需求来源于柔性制造 灵巧手的需求来源于柔性制造。为批量解决高强度、高重复的工作自动化流水线应运而生，但单条生产线只能生产一种或几种固定规格的同类 产品。与“刚性”相对，“柔性”体现在适应外部环境变化的能力，即小批量生产、同一条生产线多类型生产等；也体现在适应内部变化的能力，即在内部设备故障等干扰条件下迅速调整生产节奏不影响生产效率。人体结构是最适应现代文明的进化形态，同理，“人造人”是最贴近人类日常生产生活需求的机器人形态。将自动化生产线转变为柔性制造车间，需要寻求智能的解决方案，而这种解决方案可以由灵巧手和人形机器人来缔造，并且有机器学习和类脑智能技术的加持，数字化的日常生活都能成为人形机器人的学习资料，智能性将持续深化。可以让机器人像人一样使用工具的灵巧手，是提升机器人柔性操作能力的关键部件，是柔性制造避不开的一环。 人手各指节、关节名称和自由度分布 人手一共有24个自由度。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、腕的曲度、掌的弧度3个自由度。从结构上，远侧指间关节和近侧指间关节形成了转动副，掌指关节形成了球形副。转动副可以实现弯曲/伸展运动，在空间有1个自由度；球形副不仅可以实现弯曲/伸展运动，还能实现侧摆运动，球形副在空间中有2个自由度。 人手医学结构图 资料来源：全驱动五指灵巧手结构设计及控制系统的研究_马凝，机器人灵巧手：建模、规划与仿真，华鑫证券研究 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类 根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类： 全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制，在某种程度上能够像人手一样完成全部的动作指令甚至要求更高的灵巧动作。但是，全驱动也意味着需要更多的驱动器，会使手掌体积变大、安装困难、操作复杂。 欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分则进行耦合随动。欠驱动手硬件集成度高，整体系统简洁高效、体积小、质量轻，便于进行动力学分析。但是，欠驱动机械手的高集成性一定程度上也是牺牲高自由度性能的结果，存在功能性不足，尤其是对于精度要求比较高的手指精巧控制无法胜任。 10   全驱动灵巧手每个关节都能独立控制 优势：具有完全可重复的运动轨迹，适合某些功能性和精细操作较高的场合。在工业场合， 例如组装、测量等情况下有更好的表现，而且多一个执行器，也使得全驱动方案对比欠驱动方案在握持物体时具有更大的扭矩。 缺点：对控制策略的要求较高，当没有合理的运动学分析控制 时，整体的灵活性其实并不如欠驱动的方案。 资料来源：机器人灵巧手研究综述_刘伟，华鑫证券研究 欠驱动灵巧手与人手更类似 优势：对比全驱动方案，少一个甚至少两个执行器，对节省手臂、手腕的空间和重量，都 是非常大的提升，而且具有更好的顺应性。 缺点：不具备完全重复的运动 轨迹，在需要精密操作的情景 下，表现可能不如全驱动方案，甚至不如耦合方案。 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类 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。 灵巧手传动机构 多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩 使用微型谐波减速器、带、齿轮驱动 利用腱绳加上滑轮或者软管实现传动 连杆传动 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 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。 Shadow公司Shadow灵巧手 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 PanipatWattana仿生灵巧手 11 siri团队 特斯拉Optimus灵巧手 绳驱传动 应用 西班牙国防中心 大学&法国交互 式机器人实验室 CEAdexterous 麻省理工学院和 犹他大学 Utah/MIT 德国宇航中心& 哈工大 DLR/HITⅡ 齿轮传动 应用 北航机器人研究 所 BH-985 韩国科学技术 研究院 KISTHand 韩国亚洲大学科 学家团队 ILDA 因时机器人RH56DFX 资料来源：头豹研究院，华鑫证券研究 诚信、专业、稳健、高效 请阅读最后一页重要免责声明11 1.2、灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类灵巧手逐渐按照是否存在线绳、钢丝、皮带等柔性传动部件分为腱驱动和直接驱动两种形式。 腱驱动：可以节省手指体积，手指的拟人程度更高，腱绳能够提供较大的关节力矩，但由于腱绳传力的柔性限制，传力有一定的延迟，影响位置控制的精度，而且预紧程度会直接影响控制效果，对控制系统的设计要求较为严格。 直接驱动：将电机和驱动电路内置在手指内，手指体积较大，且不能提供较大的关节力矩，但其控制精度较高且模块化手指之间可以相互替代，可维修程度很高。 相较而言，腱驱动的设计方式便于实现远距离传动，采用键驱动的形式将部分驱动系统放置于灵巧手外部，能有效减小灵巧手的整体尺寸。 腱驱动和电机内置驱动的的优缺点对比 驱动方式 腱驱动 电机内置驱动 电机和驱动器位置手指体积 前臂 小 手指内 大 关节力矩 大 小 传动柔性 有 无 模块可替代性 差 强 代表性灵巧手的主要参数 时间灵巧手手指数自由度数传动形式驱动方式驱动位置 1974OkadaHand311腱绳腱驱动外置 1983Utah/MITHand416腱绳腱驱动外置 1984Stanford/JPLHa