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當(dāng)?shù)貢r(shí)間 11 月 28 日，特斯拉人形機(jī)器人 Optimus 傳來(lái)新動(dòng)態(tài)，其新手臂取得顯著進(jìn)展，手上自由度大幅增加至 22 個(gè)，腕部與前臂也具備 3 個(gè)自由度。 在人形機(jī)器人的眾多部件中，靈巧手向來(lái)是備受矚目的焦點(diǎn)部分，而高自由度的靈巧手極有可能引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大方向。 當(dāng)下，全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展與技術(shù)變革期，技術(shù)進(jìn)步情況多以特斯拉等海外行業(yè)巨頭的發(fā)展動(dòng)向作為主要觀(guān)測(cè)依據(jù)，其產(chǎn)品路線(xiàn)的每一輪技術(shù)革新都極具參考價(jià)值與研究意義，值得業(yè)內(nèi)高度重視與深入剖析。
01 人形機(jī)器人靈巧手概覽
人形機(jī)器人的靈巧手堪稱(chēng)抓取物體的關(guān)鍵利器，特斯拉 Optimus 的靈巧手價(jià)值量占比達(dá) 14%，足見(jiàn)其重要性。其技術(shù)路線(xiàn)與配置方案直接左右機(jī)器人操作表現(xiàn)。當(dāng)下，人形機(jī)器人商業(yè)化進(jìn)程提速，各廠(chǎng)商對(duì)靈巧手方案的選定越發(fā)謹(jǐn)慎，特斯拉 Optimus 的技術(shù)方案極具示范意義，有望成為行業(yè)參照藍(lán)本?；仡?Optimus 機(jī)械手的發(fā)展軌跡，初代具備“6 主動(dòng)自由度+5 驅(qū)動(dòng)自由度”，Gen2 進(jìn)階為 11 主動(dòng)自由度并增添指腹觸覺(jué)傳感器。此次更新后手臂擁有 22 個(gè)自由度，依靠 5 根手指各 4 個(gè)自由度與腕部 2 個(gè)自由度的巧妙架構(gòu)，高度復(fù)刻人類(lèi)手指關(guān)節(jié)構(gòu)造，使手部動(dòng)作幾近真人。特斯拉還計(jì)劃在年底前拓展觸覺(jué)感應(yīng)范圍、細(xì)化肌腱控制并減輕前臂重量。行行查數(shù)據(jù)表明，2023 年全球機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)規(guī)模為 15 億美元，預(yù)估到 2030 年將沖破 30 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約 10.3%，這一市場(chǎng)正展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭與廣闊前景。
人形機(jī)器人靈巧手核心零部件
結(jié)構(gòu)上，靈巧手設(shè)計(jì)聚焦驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)與傳感三大核心要素。其中，空心杯電機(jī)、絲杠、減速器和觸覺(jué)傳感器等零部件價(jià)值量頗高，它們相互協(xié)同配合，對(duì)靈巧手的性能表現(xiàn)起著關(guān)鍵作用，深刻影響著人形機(jī)器人手部功能的實(shí)現(xiàn)與拓展。 資料來(lái)源：公開(kāi)整理一、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)
驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵作用在于賦予靈巧手運(yùn)動(dòng)能力并輸出動(dòng)力。當(dāng)下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在靈巧手驅(qū)動(dòng)方式中占據(jù)主流地位，電機(jī)重量受功率、材料以及尺寸等因素影響而存在差異。伴隨第三代靈巧手自由度的提升，其所需電機(jī)數(shù)量也相應(yīng)增加。以特斯拉第三代靈巧手為例，因手部自由度較第二代有所增加，電機(jī)數(shù)量大概率會(huì)從 6 個(gè)增至 13 - 17 個(gè)，并且驅(qū)動(dòng)器的搭載位置也由手掌移至手腕部位，這些改變旨在進(jìn)一步優(yōu)化靈巧手的性能表現(xiàn)，使其動(dòng)作更加靈活精準(zhǔn)。 空心杯電機(jī)在人形機(jī)器人零部件體系里占據(jù)著較高的比例份額。其構(gòu)造獨(dú)特，采用無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，電樞繞組呈現(xiàn)空心杯線(xiàn)圈的杯狀結(jié)構(gòu)。在原材料選用上，高端釹鐵硼（第三代稀土永磁）成為空心杯電機(jī)永磁材料的主流。隨著人形機(jī)器人手指關(guān)節(jié)自由度逐步提升，出于對(duì)仿真性的考量，手指關(guān)節(jié)處急需配備體積小巧卻能輸出較大力量的電機(jī)，空心杯電機(jī)恰好與之高度適配。然而，空心杯電機(jī)在技術(shù)層面存在諸多挑戰(zhàn)，線(xiàn)圈設(shè)計(jì)、繞線(xiàn)工藝以及繞線(xiàn)設(shè)備均構(gòu)成其核心技術(shù)壁壘。從競(jìng)爭(zhēng)格局審視，海外品牌牢牢把控著高端市場(chǎng)，不過(guò)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品憑借性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)正逐漸嶄露頭角。全球空心杯電機(jī)行業(yè)集中度較高，CR5 達(dá) 67%，F(xiàn)aulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation 等五家企業(yè)名列前茅。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)積極作為，鳴志電器、鼎智科技、拓邦股份、兆威機(jī)電、偉創(chuàng)電氣、禾川科技、萬(wàn)至達(dá)等紛紛加速在空心杯電機(jī)環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)布局，全力推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程不斷向前邁進(jìn)，有望在未來(lái)打破海外品牌的優(yōu)勢(shì)壟斷局面，重塑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局，為人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的活力與動(dòng)力。國(guó)內(nèi)空心杯電機(jī)主要廠(chǎng)商概況： 資料來(lái)源：公開(kāi)資料整理二、傳動(dòng)環(huán)節(jié)
傳動(dòng)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力至指定處。特斯拉第一代傳動(dòng)方案為腱繩加蝸輪蝸桿。如今，因行業(yè)手部靈巧手絲杠技術(shù)漸趨成熟，且特斯拉有提升單手承載力需求，手部運(yùn)用絲杠傳動(dòng)成為新趨向，有望提升人形機(jī)器人手部性能與負(fù)載能力。于人形機(jī)器人而言，絲杠的地位舉足輕重。鑒于摩擦特性差異，其被劃分為滑動(dòng)、滾動(dòng)、靜壓三類(lèi)，它們從多方面支撐著機(jī)器人的運(yùn)行，保障其精準(zhǔn)、穩(wěn)定地完成各類(lèi)任務(wù)。國(guó)內(nèi)絲杠廠(chǎng)商積極布局謀篇，新劍傳動(dòng)建成首條行星滾柱絲杠產(chǎn)線(xiàn)，北特科技全力推進(jìn)人形機(jī)器人絲杠規(guī)?；a(chǎn)線(xiàn)建設(shè)，五洲新春借核心技術(shù)向機(jī)器人執(zhí)行器核心零部件領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，且已完成絲杠送樣改進(jìn)。貝斯特、恒立液壓等也涉足絲杠端布局。國(guó)內(nèi)行星滾柱絲杠產(chǎn)業(yè)已現(xiàn)曙光，南京工藝、博特精工、新劍智能等廠(chǎng)商有了小規(guī)模生產(chǎn)能力，這為后續(xù)拓展市場(chǎng)、提升技術(shù)、助力高端制造業(yè)與人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了初步基礎(chǔ)，有望帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)集群崛起。
減速器在機(jī)器人系統(tǒng)里起著關(guān)鍵銜接作用，它一頭連著電機(jī)等動(dòng)力源，一頭連著關(guān)節(jié)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證機(jī)器人的運(yùn)行速度恰到好處。在人形機(jī)器人的肘、腕等關(guān)節(jié)上，減速器大顯身手，保障精準(zhǔn)傳動(dòng)與控制。其中，諧波減速器因小巧輕便、傳動(dòng)效率高而常用于精細(xì)操作處，只是其成本較高。鑒于此，多數(shù)廠(chǎng)商在選型時(shí)，也會(huì)考慮行星齒輪箱，它有望憑借自身優(yōu)勢(shì)成為諧波減速器的替代選擇，從而在成本與性能間達(dá)成更好平衡。全球諧波減速器市場(chǎng)呈現(xiàn)日系哈默納科一家獨(dú)大局面，其份額超 80%。國(guó)內(nèi)該市場(chǎng)集中度亦較高，前五大廠(chǎng)商出貨量占比超六成，綠的諧波率先推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代，來(lái)福諧波等企業(yè)也在積極布局。全球精密行星減速器市場(chǎng)被少數(shù)企業(yè)把控，德國(guó)企業(yè)如紐卡特等領(lǐng)先，日本新寶等也具較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)有科峰智能等廠(chǎng)商布局。RV 減速器可提升人形機(jī)器人操作精度，其市場(chǎng)格局集中，納博特斯克與雙環(huán)傳動(dòng) 2023 年合計(jì)份額超 60%。國(guó)產(chǎn) RV 減速器已取得初步替代成果，除雙環(huán)傳動(dòng)外，珠海飛馬等企業(yè)在該領(lǐng)域也頗具實(shí)力，正逐步打破國(guó)外壟斷，在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中嶄露頭角，推動(dòng)我國(guó)減速器產(chǎn)業(yè)在國(guó)際舞臺(tái)上不斷發(fā)展進(jìn)步，為人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)提供更堅(jiān)實(shí)的零部件支撐。
三、傳感環(huán)節(jié)
傳感承擔(dān)著對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)外部環(huán)境給予反饋的重任。在靈巧手的應(yīng)用場(chǎng)景中，傳感器主要有內(nèi)部與外部之分。內(nèi)部傳感器聚焦于靈巧手姿態(tài)信息的反饋，運(yùn)動(dòng)傳感器和力/力矩傳感器是其主要類(lèi)型，它們能精準(zhǔn)提供關(guān)節(jié)角度、位置以及動(dòng)態(tài)等信息，是靈巧手實(shí)現(xiàn)靈活且穩(wěn)定抓取的關(guān)鍵要素。而外部傳感器則由接近覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器構(gòu)成，其核心作用在于感知目標(biāo)物體的位置與受力狀況，這些信息能有效提升靈巧手操作的成功率?？梢哉f(shuō)，靈巧的機(jī)器人手要達(dá)成自主操作與遠(yuǎn)程操作中的位置控制、阻抗控制等方案，至少得配備一組力和位置傳感器，以此保障操作的精準(zhǔn)性與有效性。
人形機(jī)器人的力覺(jué)體現(xiàn)在指、肢及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)受力的感知。其中，六維力傳感器維度最高，可輸出最全面精準(zhǔn)的力覺(jué)數(shù)據(jù)。因其技術(shù)門(mén)檻高，能規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)寥寥無(wú)幾。當(dāng)前，六維力矩傳感器市場(chǎng)以歐美、日韓品牌主導(dǎo)，ATI 堪稱(chēng)行業(yè)翹楚。在國(guó)內(nèi)，眾多廠(chǎng)商也積極布局，像宇立儀器、坤維科技等企業(yè)已在該領(lǐng)域嶄露頭角，它們不斷加大研發(fā)投入與創(chuàng)新實(shí)踐，有望逐步打破國(guó)外技術(shù)壟斷，提升我國(guó)在人形機(jī)器人力覺(jué)傳感器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力與話(huà)語(yǔ)權(quán)。
在傳感器裝置領(lǐng)域，觸覺(jué)傳感器占據(jù)著較大價(jià)值量份額。當(dāng)下，觸覺(jué)傳感器正處于發(fā)展初期，海外企業(yè)如 Canatu、Sensel、Flexpoint 等占據(jù)主導(dǎo)地位。不過(guò)，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)也已積極投身該領(lǐng)域布局，像蘇州能斯達(dá)電子（漢威科技）等，它們正努力追趕國(guó)際先進(jìn)水平，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新實(shí)踐，不斷提升產(chǎn)品性能與品質(zhì)，逐步構(gòu)建起國(guó)內(nèi)觸覺(jué)傳感器產(chǎn)業(yè)的雛形，有望在未來(lái)打破海外企業(yè)的壟斷局面，為我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與跨越。03人形機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)格局
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商在靈巧手領(lǐng)域的布局進(jìn)程顯著提速，呈現(xiàn)出一片蓬勃發(fā)展的景象。因時(shí)機(jī)器人堪稱(chēng)行業(yè)先鋒，不僅最早在國(guó)內(nèi)達(dá)成靈巧手商業(yè)化量產(chǎn)，還成功將價(jià)格降至萬(wàn)元區(qū)間，其 RH56BFX、RH56DFX 以及 FTP 系列仿人五指靈巧手表現(xiàn)卓越。特別是 FTP 系列，作為工業(yè)級(jí)觸覺(jué)感知的佼佼者，能夠?qū)崟r(shí)捕捉各部位觸覺(jué)信息，極大地優(yōu)化了抓握動(dòng)作，使操作精細(xì)度得以大幅提升。星動(dòng)紀(jì)元的 Xhand 靈巧手憑借 12 個(gè)主動(dòng)自由度與全驅(qū)動(dòng)方案脫穎而出，指尖配備的觸覺(jué)傳感器更是為其精準(zhǔn)操作增添助力。靈七智能的 DexHand021 意義非凡，作為國(guó)產(chǎn)首款量產(chǎn)高自由度五指靈巧手，19 個(gè)自由度與 23 個(gè)高精度傳感器賦予它高可靠性與廣泛兼容性，近乎能完美復(fù)刻人手 33 項(xiàng)功能動(dòng)作中的 32 項(xiàng)。傲意科技的 ROHand 作為模擬人體手部運(yùn)動(dòng)的高靈敏度末端執(zhí)行裝置，結(jié)構(gòu)精巧，手掌、手腕、手指等部件協(xié)同運(yùn)作，五個(gè)手指可依據(jù)外部指令獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，靈活多變。帕西尼感知科技的 DexH13 GEN2 則獨(dú)樹(shù)一幟，是全球首款融合多維觸覺(jué)與 AI 視覺(jué)雙模態(tài)能力的四指仿生靈巧手，其雙手搭載的 1956 顆專(zhuān)業(yè)級(jí) ITPU 多維觸覺(jué)傳感器及 7824 路觸覺(jué)信號(hào)解析能力令人驚嘆。兆威機(jī)電的靈巧手同樣實(shí)力不凡，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的關(guān)節(jié)全集成動(dòng)力模組與仿生學(xué)原理精心打造，17 個(gè)主動(dòng)執(zhí)行單元，單指節(jié) 3 個(gè)及以上主動(dòng)執(zhí)行單元的配置，精準(zhǔn)模擬人手抓握等精細(xì)動(dòng)作，靈活性與精確度俱佳。并且，兆威機(jī)電與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深度合作成立“靈巧手智能系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，專(zhuān)注于研發(fā)具備自主學(xué)習(xí)能力的靈巧手智能系統(tǒng)，為行業(yè)發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。從整體態(tài)勢(shì)來(lái)看，靈巧手朝著更高自由度、高感知能力以及低成本方向邁進(jìn)是不可阻擋的潮流，其在醫(yī)療、制造業(yè)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景充滿(mǎn)無(wú)限可能，必將為人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)深刻變革與諸多便利。
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