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.com2024年9月25日华安证券研究所灵巧手：人形机器人应用落地的关键证券研究报告华安证券研究所华安研究•拓展投资价值2灵巧手价值量高，是人形机器人应用落地的关键证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 ➢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。华安证券研究所华安研究•拓展投资价值31 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 风险提示目录证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值4•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。1.1 灵巧手结构精密复杂，依据特定场景简化功能图表1：人手自由度分析资料来源：小米科技，华安证券研究所外展内收屈曲伸展图表2：人手骨骼结构资料来源：郑悦《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》，华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值5•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。1.2 手指决定灵巧手的主要功能图表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》，华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值6•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。1.3 灵巧手的仿生结构图表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》，华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值7•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。1.4 灵巧手传感器图表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/DLR Hand II 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》，华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值8•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。1.5 灵巧手驱动形式和传动形式图表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》，华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明 华安证券研究所华安研究•拓展投资价值9•特