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當?shù)貢r間11月28日，特斯拉公布了人形機器人新手臂的進展，手上增加至22個自由度，腕部/前臂有 3 個自由度。 靈巧手是特斯拉人形機器人最引人注目的環(huán)節(jié)之一，未來高自由度的靈巧手有望成為產業(yè)大趨勢。
當前全球人形機器人產業(yè)主要技術進步主要觀察特斯拉等海外巨頭進展。 特斯拉人形機器人Optimus作為全球人形機器人產業(yè)的標桿，其產品路線的每一次技術迭代都值得重點關注。在之前的文章中，我們梳理過人形機器人產業(yè)鏈，人形機器人三大核心零部件，本文重點梳理人形機器人靈巧手的核心硬件相關環(huán)節(jié)。01 人形機器人靈巧手概覽
靈巧手是人形機器人抓取物體的重要工具，特斯拉Optimus靈巧手價值量占比量高達14%。靈巧手的技術路線和配置方案直接決定了機器人在實際操作過程中的表現(xiàn)。當前隨著人形機器人加速商業(yè)化落地，各家人形機器人廠商對靈巧手的方案選擇尤為關注。特斯拉 Optimus的技術方案有望成為各家廠商參考的首選。特斯拉人形機器人Optimus 的機械手部分經過了幾代的更迭。從最開始初代的“6 主動 自由度+5 驅動自由度”，到 Gen2的11 主動自由度并增加指腹的觸覺傳感器。特斯拉此次更新的手臂22個自由度分別為5根手指單手指各4個自由度+腕部2個自動度，最大程度地模仿了人類手指最下方關節(jié)超過1自由度的結構，從而實現(xiàn)近乎于真人的手部動作。特斯拉表示，今年年底前的任務包括集成更廣的觸覺感應覆蓋、更精細的肌腱控制，以及減輕前臂重量。根據(jù)行行查數(shù)據(jù)，2023年全球機器人靈巧手市場規(guī)模達15億美元，2030年將突破30億美元，CAGR約10.3%。
人形機器人靈巧手核心零部件
從結構來看，靈巧手的結構設計核心三要素是驅動、傳動、傳感。價值量最高的零部件為空心杯電機、絲杠、減速器、觸覺傳感器等環(huán)節(jié)。 資料來源：公開整理當前電機驅動是當前主流的靈巧手驅動方式，不同電機的重量會因功率、材料和尺寸的不同而有所不同。由于第三代靈巧手自由度增加，所需電機數(shù)量增加。特斯拉第三代靈巧手由于相比于第二代的變化手部增加了自由 度，從而對應的電機數(shù)量將可能從原本的 6 個提升到 13-17 個；驅動器搭載位置從手掌改為手腕部位。空心杯電機是人形機器人占比較高的零部件環(huán)節(jié)。采用的是無鐵芯轉子，其電樞繞組為空心杯線圈，是一個空心的杯狀結構。在原材料中，空心杯電機的永磁材料以高端釹鐵硼(第三代稀土永磁)為主。由于人形機器人手指關節(jié)自由度提升，考慮到人形機器人的仿真性，其手指關節(jié)處需要配備體積小且能輸出較大力的電機，空心杯電機具備較強契合度。空心杯電機核心技術壁壘包括線圈設計、繞線工藝以及繞線設備。競爭格局來看，海外品牌占據(jù)高端市場，國內產品性價比優(yōu)勢明顯。全球空心杯電機CR5為67%，前五名企業(yè)包括 Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation。近年來，國內不斷加速國產替代。根據(jù)公開信息，國內廠商鳴志電器、鼎智科技、拓邦股份、兆威機電、偉創(chuàng)電氣、禾川科技、萬至達等加速產業(yè)布局空心杯電機環(huán)節(jié)。 資料來源：公開資料整理傳動上，腱繩+蝸輪蝸桿是特斯拉第一代方案，隨著行業(yè)手部靈巧手絲杠的日漸成熟，疊加特斯拉提升單手承載力的需求，手部采用絲杠進行傳動成為一種發(fā)展方向。
絲杠在人形機器人中，不同類型的絲杠發(fā)揮著重要作用。根據(jù)摩擦特性的不同，絲杠可以分為滑動絲杠、滾動絲杠以及靜壓絲杠三類。國內絲杠廠商布局方面，新劍傳動已建成國內首條行星滾柱絲杠產線；北特科技推進人形機器人絲杠產品的規(guī)?；a線建設；五洲新春以核心技術為關聯(lián)，積極向機器人執(zhí)行器核心零部件等方面轉型，目前已完成了相關絲杠產品的持續(xù)送樣和改進；貝斯特、恒立液壓、新坐標、斯菱股份等在絲杠端也有所布局。國內行星滾柱絲杠已有一定產業(yè)基礎，如南京工藝、博特精工、新劍智能等廠商已能夠小規(guī)模生產行星滾柱絲杠。
減速器連接動力源（如電機）和執(zhí)行機構（如機器人的關節(jié)），確保機器人能夠在理想的速度范圍內運行。在人形機器人的關節(jié)部位，如肘關節(jié)、腕關節(jié)等，減速器被廣泛應用以實現(xiàn)精確的傳動和控制。諧波減速器因其體積小、重量輕、傳動比大等特點，常被用于這些需要精細操作的部位。但是由于諧波的價格偏貴，因此在大部分的廠商選型中，行星齒輪箱也有望成為諧波替代方案。全球市場格局方面，日系龍頭哈默納科壟斷諧波減速器市場，全球份額超 80%。我國諧波減速器市場較為集中，前五大廠商出貨量占比超六成。綠的諧波引領國產替代，來福諧波、同川科技、大族精密等企業(yè)也加快市場布局。全球精密行星減速器市場主要被少數(shù)幾家企業(yè)所占據(jù)。德國企業(yè)處于領先地位，如紐卡特、威騰斯坦、賽威傳動等，其他競爭力較強的還有日本企業(yè)，例如新寶、住友和電產等。國內行星減速器主要布局廠商有科峰智能、中大力德、新時達、寧波東力等。此外，RV減速器能夠將電機的旋轉運動轉換成所需的速度和力矩，同時大幅減少運動中的誤差，提高人形機器人的操作精度。RV減速器市場格局相對集中，兩大龍頭占據(jù)超過一半市場份額。2023 年全球龍頭納博特斯克和雙環(huán)傳動市場份額合計超過 60%。國產 RV 減速器已實現(xiàn)初步的國產替代，除雙環(huán)傳動外，珠海飛馬、智同科技、中大力德、南通振康、秦川機床、六環(huán)傳動等也是該領域具有實力的廠商。
傳感是對執(zhí)行機構內部和外部環(huán)境做出相應的反饋。應用于靈巧手的傳感器主要分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器主要反饋靈巧手的姿態(tài)信息，分為運動傳感器和力/力矩傳感器，可提供靈巧手的關節(jié)角度信息、位置信息和動態(tài)信息，對靈巧手的靈活、穩(wěn)定抓取至關重要。外部傳感器包括接近覺傳感器和觸覺傳感器，主要感知目標物體的位置、受力等信息，這些信息對于提高靈巧手的操作成功率較為關鍵。靈巧的機器人手至少需要一組力和位置傳感器，以實現(xiàn)自主操作和遠程操作中的位置控制和阻抗控制等控制方案。
人形機器人的力覺主要有指、肢和關節(jié)等運動時機器人對受力的感知。六維力傳感器是維度最高的力覺傳感器，能夠提供最高維度的力覺信息，并給出最為全面和精準的力覺數(shù)據(jù)。由于技術壁壘較高，具備批量化產品供應能力的廠商仍十分有限。六維力矩傳感器品牌以歐美、日韓為主（ATI為行業(yè)龍頭）。根據(jù)公開資料，國內相關布局廠商包括宇立儀器、坤維科技、鑫精誠、藍點觸控、昊志機電、柯力傳感、東華測試、海伯森、瑞爾特等。
傳感器裝置上，觸覺傳感器是價值量較大的環(huán)節(jié)。觸覺傳感器目前處于發(fā)展早期，以Canatu、Sensel、Flexpoint等海外企業(yè)為主。根據(jù)公開資料，國內布局觸覺傳感器的公司有蘇州能斯達電子（漢威科技）、墨現(xiàn)科技、力感科技、瑞滸科技等、埔慧科技、帕西尼感知科技、韌和科技、他山科技、柔宇科技、宇博智能、常州福普生、上海澄科電子、常州柔希電子、柯力傳感等。
人形機器人靈巧手市場格局
近年來國內廠商也在加速靈巧手環(huán)節(jié)的布局。因時機器人是國內最早實現(xiàn)靈巧手商業(yè)化量產的企業(yè)，也是第一家把靈巧手價格降到萬元水平的企業(yè)。其產品包括仿人五指靈巧手RH56BFX、RH56DFX和FTP系列，其中FTP系列工業(yè)級觸覺感知仿人五指靈巧手可實時獲取各個部位的觸覺信息，有助于優(yōu)化手指抓握動作，提高操作精細度。星動紀元推出了自主研發(fā)的靈巧手Xhand，具有12個主動自由度，采用全驅動方案，指尖還配置觸覺傳感器。靈七智能推出了國產首款量產高自由度五指靈巧手—DexHand021。該設備擁有19個自由度及23個高精度傳感器，具備高可靠性與廣泛的兼容性，能夠高效實現(xiàn)人手33項功能動作中的32項。傲意科技靈巧手ROHand是模擬人體手部運動的高靈敏度末端執(zhí)行裝置，由手掌、手腕、五個手指、電機、傳動部件等部分組成。五個手指可以單獨運動，在外部命令下可以做出不同的動作。帕西尼感知科技靈巧手產品DexH13 GEN2是市場上首款融合多維觸覺與AI視覺雙模態(tài)能力的四指仿生靈巧手。雙手搭載世界上最多的1956顆專業(yè)級ITPU多維觸覺傳感器，并帶來驚人的7824路觸覺信號解析能力。兆威機電推出手指集成驅動的高可靠靈巧手產品。整手通過兆威機電獨創(chuàng)的關節(jié)全集成動力模 組及仿生學原理設計，配備17個主動執(zhí)行單元，其中單指節(jié)擁有3個及以上主動執(zhí)行單元，精準模擬人手部的抓握等精細動作，賦予機械手更好的靈活性與精確度。此外，兆威機電與中國科學院深圳先進技術研究院達成深度合作，雙方成立了“靈巧手智能系統(tǒng)聯(lián)合實驗室”，專注于具備自主學能力的靈巧手智能系統(tǒng)研發(fā)。整體而言，靈巧手往更高自由度、高感知能力和低成本提升的方向發(fā)展乃是大勢所趨。未來在醫(yī)療、制造業(yè)、家庭服務等領域的應用前景廣闊。樂晴智庫精選
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