机械设备行业深度：机器人硬件拆解五：灵巧手传动装置解析

请仔细阅读本报告末页声明 证券研究报告 | 行业深度 2023 年 11 月 23 日 机械设备 机器人硬件拆解五：灵巧手传动装置解析 腱绳传动是最具应用潜力的灵巧手传动方案之一。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。人手的自由度度超过 20 个，部分灵巧手（如 Shadow hand、Allegro hand 等）的自由度与人手接近，即具有 20 个或以上的自由度。灵巧手的常见传动方式有腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动等，其中腱绳传动是最具应用潜力的方案之一。腱绳在一定程度上模拟了人手的肌腱结构，使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓取的速度，灵活性大大提升。同时腱绳适用于空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合，较连杆等传动方式更节省空间，英国 Shadow Robot 公司推出的 Shadow dexterous hand 是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一，其传动方案便采用了腱绳传动。此外，DLR/HIT Hand II、Hasy以及达芬奇手术机器人等代表性产品均采用了腱绳传动。 绳驱对腱绳要求较高，钢丝绳是较优选择。腱绳的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵巧手的性能具有较大影响，腱绳需配合驱动方案进行选型。一般而言，灵巧手腱绳需要高强度与耐久性、抗蠕变、较小的折弯半径、抗腐蚀、良好的柔韧性等，钢丝绳没有内摩擦，且与滑动表面的摩擦系数较小，同时强度高，可提供较大承载力，是腱绳材料较优选择。从材料和工艺看，钢丝绳常见的材料有碳素钢丝绳、不锈钢丝绳、镀锌钢丝绳、合金钢丝绳等，钢丝绳通常用多股绞合形成线缆，以达到更优的性能。手术机器人线绳与灵巧手工况类似，通常采用钨钢丝绳，具有优异的断裂强度和超长的循环寿命。 腱绳与传动装置一体化设计，价值量较高。受限于灵巧手空间结构，其内部传动方案需要做到高度集成，采用一体化设计可优化手指内部空间结构，减小体积。从特斯拉 AI DAY 公布的细节来看，Optimus 灵巧手使用较为经典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，传动方面采用蜗轮蜗杆+腱绳机构一体化设计。由于特斯拉Optimus 尚处于开发阶段，其灵巧手传动方案后续可能会进行改进，如采用减速器替代涡轮蜗杆等。但由于灵巧手需要仿生人类手掌大小，因此预测特斯拉腱绳、减速器将保持一体化设计。 腱绳是机器人增量环节，高性能腱绳具备稀缺性，有望开启十亿级增量市场。从特斯拉灵巧手结构看，单手共 6 个自由度，预计其中 5 个手指的弯曲自由度均采用线驱动，大拇指的侧摆自由度推测是电机加减速器直驱，因此预计双手有 10 个自由度采用线驱动。由于线驱动通常主动绳、连动绳搭配使用，因此预计特斯拉灵巧手单指手指使用 2 根腱绳。我们假设灵巧手单根腱绳价格在 60 元左右，则单台机器人腱绳价值量约为 1200 元，100万台人形机器人销量假设下，灵巧手腱绳市场空间达 12 亿元，灵巧手腱绳有望开启十亿级增量市场。 风险提示：机器人量产进度不及预期风险；机器人供应链不确定性风险；持续研发投入导致亏损风险。 增持（维持） 行业走势 作者 分析师 张一鸣 执业证书编号：S0680522070009 邮箱：zhangyiming@gszq.com 研究助理 刘嘉林 执业证书编号：S0680122080032 邮箱：liujialin@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：上海机器人政策落地，2025 年将打造千亿级机器人产业规模》2023-10-28 2、《机械设备：谷歌发布 RT-2 模型，机器人产业进展加快》2023-08-07 3、《机械设备：机器人硬件拆解四：智能关节的控制与驱动》2023-07-19 -16%0%16%2022-112023-032023-072023-11机械设备沪深300 2023 年 11 月 23 日 P.2 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、灵巧手传动：绳驱为较优方案 ........................................................................................................................... 3 1.1 灵巧手：具备高度灵活和精细控制能力的末端执行器 .................................................................................... 3 1.2 灵巧手传动方式：绳驱 VS 连杆.................................................................................................................... 6 二、绳驱对腱绳要求较高，钢丝绳是较优选择......................................................................................................... 10 三、腱绳与传动装置一体化设计，价值量较高......................................................................................................... 12 风险提示 .............................................................................................................................................................. 14 图表目录 图表 1：人手共有 21 个自由度 ................................................................................................................................. 3 图表 2：因时 RH56BFX 灵巧手具备 6 个自由度 ......................................................................................................... 3 图表 3：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（HERI Hand） .................................................................................... 4 图表 4：采用适应性欠驱动结构设计的灵巧手（耶鲁大学的欠驱动手） .........