靈巧手行業(yè)深度研究報告：機器人新型末端執(zhí)行器國內(nèi)外研究進展加速

財通證養(yǎng)機械設(shè)備/行業(yè)深度分析報告/2023.11.16靈巧手行業(yè)深度研究報告最近12月市場表現(xiàn)分析師余煒超分析師劉俊奇分析師孟欣聯(lián)系人孫瀚棟相關(guān)報告1.《AGI+機器人行業(yè)深度報告》2.《工信部印發(fā)人形機器人指導意見，產(chǎn)業(yè)化加速》2023-11-103.《力傳感器深度研究報告》2023-■證券研究報告機器人新型末端執(zhí)行器，國內(nèi)外研究進展加速 核心觀點靈巧手是機器人新型末端執(zhí)行器，在機器人與環(huán)境的交互中起關(guān)鍵作用。靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能為模仿對象，在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用。“靈巧”指的是手的姿勢可變性，這種可變性越高，則認為手就越靈巧。機器人靈巧手從結(jié)構(gòu)和功能上參考人手，能夠靈活操作對象，實現(xiàn)對物體的靈活抓取，滿足多種工作需求。多指靈巧手最普遍的手指數(shù)目為3-5個，各手指具有3個關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)的運動副都是采用轉(zhuǎn)動副。機器人靈巧手作為一種新型的末端執(zhí)行器，在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用。世紀70年代起，國內(nèi)外對靈巧手展開了大量研究，從三指到五指，從工業(yè)到生活，從簡單的抓取到靈巧操作，以期解決復雜的實際作業(yè)問題。海外靈巧手研究歷經(jīng)了50余年的發(fā)展，從開始簡單的機械手發(fā)展成現(xiàn)在的高科技人形仿生靈巧手，國內(nèi)靈巧手的研究則是從2000年左右由研究機構(gòu)和部分高等院校相繼開展，近年來，海外具有代表性的靈巧手廠商包括SCHUNK、Shadow(dorabot)、因時機器人、騰訊RoboticsX實驗室等也陸續(xù)公布靈巧手領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品和研究成果。隨著人形機器人產(chǎn)業(yè)化的加速，國內(nèi)外對靈巧手領(lǐng)域的研究也呈現(xiàn)出加速趨勢。是人形機器人必不可少的部件，根據(jù)因時機器人網(wǎng)上報價，單只靈巧手價格約為5萬元，如果未來人形機器人銷量到達百萬臺，對應靈巧手市場規(guī)模將達到1000億元。需要注意的是，未來人形機器人可能會應用到各種場景，對應的靈巧手配置各不相同，我們預計單價也會有較大的差別。投資建議：靈巧手具有較長的研發(fā)歷史，也有較多研發(fā)成果，掌握空心杯電機、精密齒輪箱、編碼器、驅(qū)動、傳感器、彈簧等核心部件的公司更有希望占據(jù)行業(yè)領(lǐng)導地位。同時如果靈巧手得到大量應用，我們預計對相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈公司的制造能力有一定考驗，具備穩(wěn)定的、優(yōu)秀的量產(chǎn)化能力的公司有望突圍。建議關(guān)注空心杯電機/編碼器/驅(qū)動器領(lǐng)域的鳴志電器、鼎智科技、禾川科技、偉創(chuàng)電氣、拓邦股份，傳感器領(lǐng)域的柯力傳感、漢威科技，彈簧領(lǐng)域的美力科技、華緯科技。風險提示：特斯拉人形機器人量產(chǎn)進展不及預期；靈巧手降本速度低于預期；制造業(yè)景氣度恢復低于預期等。請閱讀最后一頁的重要聲明!財通證養(yǎng)公司(億元)EPS(元)未覆蓋偉創(chuàng)電氣未覆蓋未覆蓋未覆蓋數(shù)據(jù)來源：iFinD,財通證券研究所(未覆蓋公司預測數(shù)據(jù)來自iFinD一致預期)謹請參閱尾頁重要聲明及財通證券股票和行業(yè)評級標準2行業(yè)深度分析報告/證券研究報告內(nèi)容目錄內(nèi)容目錄1靈巧手是人形機器人重要的運控交互部件，近年來海內(nèi)外研究進展加速 51.1靈巧手是機器人的新型末端執(zhí)行器，在運控交互中起關(guān)鍵作用 51.2靈巧手是機器人研究的重要課題，近年來國內(nèi)外研究進展加速 71.3目前學術(shù)上的研發(fā)方向及難點 92機器人靈巧手的分類與商業(yè)化應用 2.1機器人靈巧手的分類 2.1.1自由度數(shù)量 132.1.2驅(qū)動方式 152.1.3機械傳動形式 2.1.4感知技術(shù) 2.2機器人靈巧手的商業(yè)化應用 2.2.1國外案例 212.2.2國內(nèi)案例 273.1人形機器人賦予靈巧手千億級市場規(guī)模 273.2關(guān)注掌握靈巧手核心技術(shù)以及批量化制造能力的公司 4風險提示 28圖表目錄圖表目錄 6圖2.典型的多指抓持手 6 6圖4.國外靈巧手的發(fā)展歷程 8圖5.國外靈巧手的發(fā)展歷程 9圖6.通過觸覺感知重建模型 圖8.多層次的人手和機器人手結(jié)構(gòu)對比 12圖9.機器人靈巧手的分類 圖10.人手的自由度分布 14行業(yè)深度分析報告/證券研究報告圖11.SCHUNKSVH五指伺服電動機械抓手 圖12.StefanSchulz等研制的液壓驅(qū)動仿人機器手 圖13.FestoBionicSoftHand氣動靈巧手 16圖14.中國計量大學基于SMA驅(qū)動的三指靈巧手 圖15.靈巧手傳感器分類 18圖16.SVH結(jié)構(gòu)圖 21圖17.ShadowHand外觀尺寸圖 23 圖20.DexterityHand外觀圖 25圖21.RH56BFX系列/RH56D 26圖23.TRX-Hand外觀圖 27表1.機器人末端執(zhí)行器的分類情況 5表2.抓手類末端執(zhí)行器的分類情況 5表3.多指靈巧手的發(fā)展脈絡(luò) 7表4.全驅(qū)動靈巧手與欠驅(qū)動靈巧手對比情況 14表5.靈巧手兩種驅(qū)動方式的對比情況 15表6.靈巧手各類驅(qū)動源的比較情況 表7.靈巧手的各類傳動方式對比情況 17表8.靈巧手的各類感知方法對比 19表9.國外靈巧手產(chǎn)品梳理 表10.國內(nèi)靈巧手產(chǎn)品梳理 20表11.人形機器人靈巧手市場規(guī)模測算表 1靈巧手是人形機器人重要的運控交互部件，近年來海內(nèi)外研究進展加速靈巧手是機器人的一種新型末端執(zhí)行器。一般而言，機器人與環(huán)境交互的方式主要包括：移動行走、視覺等信息的獲取、決策的執(zhí)行輸出。末端執(zhí)行器(End-Effector)是機器人執(zhí)行部件的統(tǒng)稱，一般安裝于機器人腕部的末端，是直接執(zhí)行任務的裝置。末端執(zhí)行器作為機器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對提高機器人的柔性和易用性有著極為重要的作用，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。體的加工工種、生產(chǎn)工藝或日常動作噴槍、涂膠槍、點焊機、弧焊焊槍、毛刺打磨機、鉚釘槍、體溫數(shù)據(jù)來源：蔡世波等《機器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)》,財通證券研究所靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能為模仿對象，在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用?！办`巧”指的是手的姿勢可變性，這種可變性越高，則認為手就越靈巧。機器人靈巧手從結(jié)構(gòu)和功能上參考人手，能夠靈活操作對象，實現(xiàn)對物體的靈活抓取，滿足多種工作需求。多指靈巧手最普遍的手指數(shù)目為3-5個，各手指具有3個關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)的運動副都是采用轉(zhuǎn)動副。場被大量應用目標進行抓持，更無法對目標物體實施多指抓持手器一樣，由多連桿驅(qū)動或氣多指抓持手在目標適應性、抓持穩(wěn)定性等方面已經(jīng)有了大幅度的提升，并且得到了的操作能力多指靈巧手驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動高度系統(tǒng)集成的靈巧手具有靈活性和功能性的優(yōu)勢數(shù)據(jù)來源：蔡世波等《機器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)》,財通證券研究所兩指夾持器：是抓持物體進而操控物體的裝置，模仿的是手指的夾持運動。它能夠在執(zhí)行某些動作的同時夾住和松開目標物體。應用于機器人的末端夾持器一般采用電機或氣缸作為驅(qū)動，機構(gòu)原理以多連桿機構(gòu)和氣缸為主。例如德SCHUNK公司的氣動平行爪夾持器、FESTO公司的氣動夾持器、亞德客手指氣缸等。抓持手、軟體多指抓持手等，其基本原理與前述兩指夾持器一樣，由多連桿驅(qū)動或氣缸驅(qū)動實現(xiàn)多指的同步運動。例如RighthandRobotics公司的ReFlexTakkTile三指手、蘇州鈞舵機器人有限公司的均巧三指手、德國SCHUNK公司的3-多指靈巧手：機構(gòu)形式是多指多關(guān)節(jié)，并且最普遍的是手指數(shù)目為3～5個，各手指具有3個關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)的運動副都是采用轉(zhuǎn)動副。靈巧手主要的驅(qū)動方式包括4種：液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動。如日本“電子美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制的Utah/MIT靈巧手等。謹請參閱尾頁重要聲明及財通證券股票和行業(yè)評級標準6財通證養(yǎng)行業(yè)深度分析報告/證券研究報告自20世紀70年代起，國內(nèi)外對靈巧手展開了大量研究，從三指到五指，從工業(yè)到生活，從簡單的抓取到靈巧操作，以期解決復雜的實際作業(yè)問題。靈巧手名稱主要日本電工實驗室3399貝爾格菜德大學53臺灣大學5熱那亞大學454日本岐阜大學5德國宇航中心4東京大學3895東京大學5北京航空航天大學45意大利熱那亞大學4日本奈良先端科學技術(shù)大學44哈爾濱工程大學399Schunk公司439369天津大學4巴雷特技術(shù)公司399日本立命館大學5意大利5美國555意大利3Shadow公司55上海交通大學5AnthropomorphicRobotHa韓國5韓國5數(shù)據(jù)來源：劉偉、肖釗、瞿寅朋、許守亮《機器人靈巧手研究綜海外靈巧手研究歷經(jīng)了50余年的發(fā)展，從開始簡單的機械手發(fā)展成現(xiàn)在的高科技人形仿生靈巧手。(1)20世紀70年代，日本“電子技術(shù)實驗室”研制出了Okada靈巧手，該靈巧手具有3個手指和一個手掌，拇指有3個自由度，另外兩個手指各有4個自由度，采用電機驅(qū)動和肌腱傳動方式。(2)20世紀80年代，美國斯坦福大學研制成功Stanford/JPL靈巧手，該手有3個手指，每指各有3自由度，采用12個直流伺服電機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動器，采用腱驅(qū)動系統(tǒng)傳遞運動和動力；美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制Utah/MIT靈巧手，該手具有完全相同的4個手指，每個手指有4個自由度，為后續(xù)仿人型多指靈巧手研究建立了理論基礎(chǔ)。(3)20世紀末，隨著嵌入式硬件的發(fā)展，多指靈巧手的研究向著高系統(tǒng)集成度和豐富的感知能力提升的方向發(fā)展，進入了快速發(fā)展階段。(4)近年來，高度系統(tǒng)集成的靈巧手具有靈活性和功能性的優(yōu)勢，但是復雜的系統(tǒng)導致了高額的制造成本并且降低了系統(tǒng)的可靠性和易維護性。因此近10年，多指靈巧手設(shè)計的一個重要方向是簡化系統(tǒng)、提高魯棒性。圖4.國外靈巧手的發(fā)展歷程義上的第一款美巧手1974年1983年1999年2004年2013年2021年4月2022年6月將等高級觸覺與運動學習算法Washington'sHighlyBionicDexterHands津大學合作研制了一款國際空間意大利博洛尼亞大學項山了第一代靈巧韓國的科研團隊于研發(fā)了一種果成連桿驅(qū)動的靈巧手IDA聯(lián)合研制了學國寶財中研制出了DLR意大利IIT研制美比Khandate等《Sampling-basedExplorationforReinforcementLearningofDexterousManipulation》,Sarcos官網(wǎng)，Navalnews官網(wǎng)，財通證券研究所國內(nèi)靈巧手的研究則是隨著國外研究的不斷推進。在2000年左右國內(nèi)一些機器人研究機構(gòu)和部分高等院校相繼開展了機器人多指靈巧手的研究工作。(1)2001年，哈工大(HIT)聯(lián)手德國宇航中心(DLR)共同研發(fā)了一種利用齒輪以及連桿傳動的HIT/DLR靈巧手。DLR有4根手指，每根手指有3個自由度。指尖部分采用多連桿耦合機構(gòu)，基礎(chǔ)關(guān)節(jié)的2個自由度通過差動機構(gòu)耦合來完成。(2)2005年，北京航空航天大學機器人研究所仿照Stanford/JPL手研制出了BH-3為3指9自由度靈巧手。BH靈巧手主要用于多指手的操作理論研究；通過數(shù)據(jù)手套可實現(xiàn)遠距離控制。最新一代靈巧手BH-985,其具有5個手指，外形尺寸約為人手的1.5倍，質(zhì)量小于1.5kg,采用內(nèi)置的Maxon直流伺服8(3)2022年5月23日，DoraHand是由中國深圳的Dorabot公司設(shè)計的模塊化靈巧手。鑒于其5mm的厚度，指尖可以在一些狹小的空間中使用。為了提供類似人類的能力，這款手配備了一個高度敏感的0.3mm薄膜力傳感器，作(4)2022年，北京Inspire機器人科技公司研發(fā)的靈巧手。它有5個手指、6個自由度和靈活的抓取能力，大小接近人類的手。拇指手指有2個自由度，而其他手指只有1個自由度。6個帶有肌腱的微型線性致動器用于驅(qū)動手指。這(5)2023年4月25日，騰訊RoboticsX實驗室公布最新機器人研究進展，首次展示在靈巧操作領(lǐng)域的成果，推出自研機器人靈巧手TRX-Hand和機械臂TRX-Arm。其中，靈巧手TRX-Hand擁有像人手一樣靈活的操作能環(huán)境自主研發(fā)，擁有七自由度和擬人的特性，具有運動靈巧、爆發(fā)力強、TRX-Hand和機械臂TRX.東華大學設(shè)計的靈巧手擁有離子皮膚指尖，它能夠?qū)崿F(xiàn)類似于人類指尖皮膚的觸覺感知計上海交通太學研制了-模塊化高度集成軟指驅(qū)北京航空般天大學機研制出的BH-3為3箱9哈工大聯(lián)手能國宇航中(DLR)共同研發(fā)了理中國深圳的Dorabot公司設(shè)中國科學院自動化研究所王鵬研究黃研究組研發(fā)了河北工業(yè)大學劉今越等提出了一種全新的設(shè)計方案的舵機器人非出g級負數(shù)的23.5月哈爾濱工程大學采用浙江工業(yè)大學研數(shù)據(jù)來源：小米技術(shù)公眾號，騰訊RoboticsX實驗室公眾號，高工機器人公眾號，中國科學院自動化研究所官網(wǎng)，劉偉等《機器人靈巧手研究綜述》,李達宏等《新型形狀記憶合金驅(qū)動器與三指靈巧手設(shè)計》,QingxinMeng等《DexterousUnderwaterRobotHand:HEUHandⅡ》,HaiyanQiao等《Non-equilibrium-GrowingAestheticlonicSkinforFingertip-LikeS1.3目前學術(shù)上的研發(fā)方向及難點雖然靈巧手的應用需求凸顯并日趨旺盛，這些需求也引領(lǐng)著機器人多指靈巧手的研發(fā)方向和發(fā)展趨勢，但目前的技術(shù)和產(chǎn)品依然存在諸多問題和挑戰(zhàn)，9更復雜的應用功能需求提出，研究人員逐漸開始從人手內(nèi)在結(jié)構(gòu)理等方面思考其仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并逐步延伸到復合材料計，智能材料的研究又反過來影響多指靈巧手的仿過程的研究，也應屬于機器人多指靈巧手仿生研究器人靈巧手必然需要像人類皮膚一樣能夠感知靈巧手觸覺傳感器用于實時傳輸與物體的接觸信息，目前還(1)理解高級語義信息。機器人需要從低級感官數(shù)據(jù)中提取任務需求和人類偏好等高級語義信息，首先要知道被操作的對象是什么,需要進行什么(2)跨模態(tài)算法，不同的感覺模式間的知識傳遞。人類不是通過單一的感官形態(tài)來探測物體，而是通過多種感官整合信息，例如觸覺/味覺/視覺/聲音信息等都可以幫助人類理解物體。例如，視覺數(shù)據(jù)提供的幾何屬性，與觸覺數(shù)據(jù)提供的物理屬性(如重量或硬度)是互補又共存的，整合多種感知模式的傳感器可以解決單一傳感器的局限性，并獲得更加豐富的環(huán)境信息，但對不同模態(tài)信息建立統(tǒng)一的特征表示和關(guān)聯(lián)關(guān)系的方法仍需數(shù)據(jù)來源：劉偉、肖釗、瞿寅朋、許守亮《機器人靈巧手研究綜述》,財通證券研究所10(3)探索中的安全性問題。在機器人手與物體的物理交互和觸覺探索過程中，需要保證機器人手及其周圍環(huán)境的安全。一方面，要及時采集觸覺信號并傳遞給控制器的同時，也需要有避免不必要傷害的能力。另一方面，由于對象模型是未知的，機器人可能會違反一些關(guān)鍵的約束。如果在勘探過程中發(fā)生意外損傷，具有一定的自愈能力和拉伸能力可以保證系統(tǒng)的安全性。(4)提升觸覺傳感器的靈活性。因為手的表面通常是不規(guī)則的，與剛性傳感器相比，柔性傳感器更容易與手的表面集成柔性傳感器可以放置在整個手掌表面，而不是指尖，接觸信息更加豐富。觸覺傳感器的其他性能也需要進一步提高，如自愈能力和自功率。具有自修復能力的觸覺傳感器可以提高其對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應能力。3.成本控制：現(xiàn)有的機器人多指靈巧手的銷售價格普遍較高。例如：哈爾濱工業(yè)大學-德國宇航中心合作開發(fā)的HIT/DLR靈巧手售價在90萬元人民幣以上，ShadowDexterousHand報價約30萬美元，德國SCHUNK公司的SVH五指手報價70萬元人民幣以上。高昂的價格是推廣應用一大障礙，許多多指手產(chǎn)品也僅僅在科研實驗室里用于科學研究和應用基礎(chǔ)開發(fā)。近年來，各類科研機構(gòu)開始投入研發(fā)低成本的機器人多指手，從材料、加工方式、驅(qū)動器件、感知器件等方面進行低成本化設(shè)計和制造，開發(fā)了一些樣機，但其靈活性、感知豐富性和可靠性等指標普遍較低。所以，如何在性能和成本之間取得合理的平衡也是值得研究的課題。財通證養(yǎng)4.新材料的應用：大部分靈巧式機械手的研究都是通過骨架結(jié)構(gòu)以及橡膠等其他軟體材料來模擬人手的外形。對于抓/握/捏/擰等日常手部動作來說，雖然可以有效進行，但是在實際應用過程中依然存在著包絡(luò)性、靈活性和穩(wěn)定性差等問題。如果要保持靈巧性和抓取的穩(wěn)定性，根據(jù)仿生學對生物機體環(huán)境適應性強、高效能、身體結(jié)構(gòu)合理等特點進行模擬及研究，開發(fā)出一種新型材料并用于靈巧式機械手的研發(fā)，可最大化生物優(yōu)勢。目前，中外通過研發(fā)還原肌肉纖維、結(jié)構(gòu)組織等已在拾取裝置實際使用中獲得較好的效果。圖8.多層次的人手和機器人手結(jié)構(gòu)對比圖8.多層次的人手和機器人手結(jié)構(gòu)對比ThebaselayerThesecondlaAdvantagesPartI:Design,LigamentousJoint,andExtensorMechanism》,財通證券研究所2機器人靈巧手的分類與商業(yè)化應用2.1機器人靈巧手的分類機器人靈巧手作為一種新型的末端執(zhí)行器，在機器人與環(huán)境的以分為若干類型。靈巧手靈巧手合金驅(qū)動蝸桿傳動抓取，滿足多種工作需求。手指擁有兩種運動形式，通過各指節(jié)旋轉(zhuǎn)副的屈曲/前伸運動以及通過手指末端球形副的側(cè)擺運動。我個，共15個，對于Roll方向的自由度，大拇指有2個自由度，其余手指各1個，共6個。整手通過這21個自由度，實現(xiàn)了復雜多變的人手運動形式。由于真實人手的高自由度、結(jié)構(gòu)緊湊、復雜等特征，絕大多數(shù)機械手都無法完的功能，其設(shè)計和功能都是在某些特定場合和功能要求下的簡化和權(quán)衡。根據(jù)嚴璽《仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制研究》,在通常情況下，靈巧手只需要3根謹請參閱尾頁重要聲明及財通證券股票和行業(yè)評級標準13圖10.人手的自由度分布根據(jù)自由度與驅(qū)動源數(shù)量，可將靈巧手分為全驅(qū)動和欠驅(qū)動兩大類。全驅(qū)動靈巧手驅(qū)動源的數(shù)量與被控制靈巧手的自由度數(shù)量相等，欠驅(qū)動靈巧手被控制的自由度多于驅(qū)動源的數(shù)目，缺少驅(qū)動源的部分則進行耦合隨動。表4.全驅(qū)動靈巧手與欠驅(qū)動靈巧手對比情況全驅(qū)動靈巧手每個手指關(guān)節(jié)都有驅(qū)動器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)主每個手指關(guān)節(jié)都有驅(qū)動器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)主動控制，在某種程度上能夠像人手一樣完成全部的動作指令甚至要求更高的靈巧動作全驅(qū)動也意味著需要更多的驅(qū)動器，會使手掌體積變大、安裝困難、操作復雜缺點欠驅(qū)動靈巧手欠驅(qū)動手硬件集成度高，整體系統(tǒng)簡潔高效、體積小、質(zhì)量輕，便于進行動力學分析欠驅(qū)動機械手的高集成性一定程度上也是犧牲高自由度性能的結(jié)果，存在功能性不足，尤其是對于精度要求比較高的手指精巧控制無法勝任典型案例Hand驅(qū)動系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的動力源，是系統(tǒng)輸出力的保證。靈巧手的驅(qū)動方式根據(jù)驅(qū)動器是否布置在手指內(nèi)分為兩種：驅(qū)動器內(nèi)置與驅(qū)動器外置。早期的多指靈巧手一般將驅(qū)動器外置，主要是受驅(qū)動器結(jié)構(gòu)尺寸影響，難以嵌入手指內(nèi)。隨著材料、工藝技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動器的尺寸逐漸減小，機器人多指靈巧手逐漸走向驅(qū)動器內(nèi)置式。驅(qū)動器內(nèi)置很難做到驅(qū)動整根手指，于是混合式多指靈巧手的概念就出現(xiàn)了，即驅(qū)動器外置和內(nèi)置相結(jié)合的方式，進一步提高手指的輸出力矩，保證較高自由度的同時，控制體積大小。表5.靈巧手兩種驅(qū)動方式的對比情況驅(qū)動器內(nèi)置驅(qū)動器外置這種方式給了驅(qū)動器選型極大自由，不用這種方式給了驅(qū)動器選型極大自由，不用考慮體積空間，可以用更大的驅(qū)動電機來增加手指的輸出力，手指部位也可以做到比較纖細手指各關(guān)節(jié)具有較好的剛性，更利于傳感器的直接測量，且模塊化設(shè)計利于更換維護優(yōu)點缺點存在傳感器不能反應關(guān)節(jié)信息，控制器難度大、標定難、非模塊化設(shè)計、可維護性差等問題通信和控制難度加大，手指尺寸及靈巧手整手尺寸較大，關(guān)節(jié)靈活度下降驅(qū)動源是驅(qū)動系統(tǒng)的動力源，驅(qū)動源性能決定了驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動性能。目前，主流的驅(qū)動源有：電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動。(1)電機驅(qū)動：目前多指靈巧手的主要驅(qū)動方式，具有驅(qū)動力大、控制精度高、響應快、模塊化設(shè)計、易于更換維護等優(yōu)點。但是電機本身固有的體積較大等缺陷，導致無論是外置還是內(nèi)置，都會占用較大的物理空間，并且市場上很難匹配到通用電機。(2)液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動式機械手的驅(qū)動系統(tǒng)一般由液動機、伺服閥、油泵和油箱等組成，驅(qū)動機械手完成任務，常被用于工業(yè)機械手中，適合大型抓取作業(yè)。液壓驅(qū)動能獲得較大的工作力，能帶動較大的負荷，但體積大，成本高，容易被污染。圖11.圖11.SCHUNKSVH五指伺服電動機械抓手圖12.圖12.StefanSchulz等研制的液壓驅(qū)動仿人機器手氣壓驅(qū)動：基于氣動驅(qū)動的靈巧手是近年來的研究熱點，它是比較接近人體肌肉驅(qū)動的一種方式。氣壓驅(qū)動的優(yōu)勢在于操作方便、質(zhì)量輕巧、動作迅速、價格適中、維護簡便，缺點在于可操作性不強，軌跡精度不形狀記憶合金(SMA):形狀記憶合金是美國海軍在研究時無意發(fā)現(xiàn)的一種金屬材料，之后更多種類的SMA被大量研發(fā)。其中，Ni-Ti形狀記憶合金的性能較為優(yōu)良，廣泛應用于多個領(lǐng)域。形狀記憶合金驅(qū)動適合小型、高精度機器人裝配作業(yè)，它可以進行負載驅(qū)動快速反應，且位移大，變位迅速，但其無法長時間工作，并且疲勞強度較低。圖14.中國計量大學基于圖14.中國計量大學基于SMA驅(qū)動的三指靈巧手以上四種驅(qū)動方式在輸出力、運動精度、響應速度和體積方面的比較情況如下表快快快快快慢表6.靈巧手各類驅(qū)動源的比較情況運動精度小運動精度小大大小輸出力大大響應速度電機驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動形狀記憶合金驅(qū)動機器人靈巧手傳動系統(tǒng)把驅(qū)動器產(chǎn)生的運動合力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié)，從而使關(guān)節(jié)做相應的運動，傳動系統(tǒng)的設(shè)計與驅(qū)動器密切相關(guān)。雖然驅(qū)動源是影響靈巧手體積重量的重要因素，但是抓取穩(wěn)定性和靈活性等重要指標取決于傳動靈巧手的主要傳動方式有腱傳遞、連桿傳動和齒輪/蝸輪蝸桿傳動。線繩驅(qū)動是目前靈巧手研究中應用最為廣泛的一種傳動方式；齒輪/蝸輪蝸桿傳動在工業(yè)機器人中應用比較廣泛；連桿傳動多用于工業(yè)和商業(yè)用途，多個連桿串并聯(lián)混合的使用形式較為常見。定義由腱(鋼絲繩、迪力馬繩等)定義驅(qū)動器通過齒輪或蝸輪蝸桿將優(yōu)點缺點腱一般具有很高的抗拉強度和很輕的重量，容易實現(xiàn)多自由度和遠距離動力傳輸，節(jié)省空間和成本，是一種柔順傳動方腱本身的剛度有限，影響位置精度；控制時需要一定的預緊力，容易產(chǎn)生摩擦；腱的布局容易產(chǎn)生力矩和運動的耦合。這些因素都增加了手爪抓取控剛度好、出力大、負載能力強、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實現(xiàn)，能夠較好實現(xiàn)多種運動結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對手因時機器人-RH56DFX反饋信息。然而，要實現(xiàn)像人類皮膚一樣的復雜和柔性結(jié)構(gòu)并保持優(yōu)良的感外部傳感器內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)來源：劉偉《機器人靈巧手研究綜述》,ZiweiXia等《Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation》,財通證券研究所更精確的關(guān)節(jié)角度信息可以減少指尖的運動誤差。兩種常見進行穩(wěn)定的靈巧抓取和操作的必要條件。因此，力/扭矩傳感器對于與未知能力通常由視覺反饋提供，但對于機器人來說，這種能力可以由接近覺傳感器提供。有了接近覺傳感器，機械手就能在謹請參閱尾頁重要聲明及財通證券股票和行業(yè)評級標準18和其他物理信息。對于靈巧操作而言，提前了解這些信息有助于提高操作的成功率。觸覺傳感器：對于人類的雙手來說，觸覺系統(tǒng)可以提供豐富的信息，如抓取物體的力度、質(zhì)地、溫度和硬度等，人類雙手的熟練程度取決于其復雜的結(jié)構(gòu)和強大的感覺系統(tǒng)。在早期階段，觸覺傳感器研究的主要方向是壓力和力的測量，幾乎所有的機械手都將配備這類傳感器，通常安裝在指尖，用于測量多維力。目前大多數(shù)機器手配備的傳感器都是多陣列觸覺傳感器(Multi-arraytactilesensor),但仍然只能獲取多模態(tài)觸覺信息也很重要，多模態(tài)傳感器(MultimodalSensor)提供了解決方案，可同時獲取多種觸覺信息。從感知中獲得的信息可以幫助機器人有效地做出決策。在操縱物體時，可以應用規(guī)劃、控制和學習等不同方法來計算靈巧機械手的運動和控制方案。表8.靈巧手的各類感知方法對比感知方法規(guī)劃級控制級學習級簡介提取觸覺特征，融合信息以識別物體反饋信息到控制器，基于感知信息完成靈巧操作通過感知信息學習自動操作日本岐阜指3)電機驅(qū)動有624個檢測點的分布式觸覺傳感器5自由度：手指掌1:手腕2)氣動)度計、關(guān)節(jié)角度傳感器、扭矩傳感器、觸覺傳感器、子配置)院電機驅(qū)動所指3)電機驅(qū)動電機驅(qū)動(9個驅(qū)動電機)上室5電機驅(qū)動腱傳動等利521(欠驅(qū)動電機驅(qū)動腱傳動財通證養(yǎng)電機驅(qū)動5利5519(欠驅(qū)動)5肉和閥門驅(qū)動)電池續(xù)航2hEQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(表),產(chǎn))EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(1),品)EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(0.),名)EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(靈巧),南名稱)手EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(產(chǎn)),國)EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(品),家)梳EQ\*jc3\*hps18\o\al(\s\up2(理),發(fā)布)時間手指數(shù)量白由度)電機驅(qū)動業(yè)大學、中心中德2007個自由度)電機驅(qū)動腱傳動手電機驅(qū)動連桿傳動多點陣列壓力傳個白由度)電機驅(qū)動機)靈巧手個)電機驅(qū)動連桿傳動電機驅(qū)動每個手指均集成有力傳感器和位由度)自由度)成本，易TRX-覺傳感器陣列、微型激光雷達接近覺傳感器、傳感器、多傳感器信息融合技術(shù)中國科學中國度，21驅(qū)動自由度角度傳感器、“位力觸溫”多數(shù)據(jù)來源：思靈機器人官網(wǎng)，硅步機器人官網(wǎng)，藍胖子機器智能官網(wǎng)，因時機器人官網(wǎng)，思靈機器人公眾號，先進機器人手公眾號，騰訊Rob謹請參閱尾頁重要聲明及財通證券股票和行業(yè)評級標準SCHUNK成立于1945年，是刀具和工件夾持、抓取技術(shù)和自動化技術(shù)領(lǐng)域的國摩擦力，可實現(xiàn)更為牢固的夾持效果。用于位置控制等的配套電子元件SVH有三個顯著的優(yōu)點：第一，低能耗，適用數(shù)據(jù)來源：SCHUNK官網(wǎng)，財通證券研究所ShadowRobot成立于1987年，最初只是一個業(yè)余愛好者團體，現(xiàn)已成為英國運握、操縱、神經(jīng)控制、大腦計算機接口、工業(yè)質(zhì)量控制和危險材料處ShadowHand一共擁有24個自由度，其中20個由電機驅(qū)動，4個欠驅(qū)動。這24個自由度每一個都有與人類相近的運動范圍，允許其做出與人手類21還具備了129個內(nèi)置傳感器，包括關(guān)節(jié)位置傳感器，溫度傳感器，力反饋傳感人手同等數(shù)量的24個關(guān)節(jié)(包括腕部);第二，與人手尺寸相同，整體大小與人手一致，方便模仿人類的手部動作，通過與ShEtherCAT進行內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸以及和遠程控制端的通訊，通過高頻率的反饋與控集成ROS,整體軟件架構(gòu)完全基于ROS開發(fā)，對ROS平臺100%兼容，可用作qbRobotics成立于2011年，致力于將軟體制了人類手部運動的"第一次協(xié)同",實現(xiàn)了靈活、適應性強的抓取。集成了qbSoftHandIndustry的系統(tǒng)可完成的任務包括測試、質(zhì)量檢測、取放、復雜處理、裝配、機器操作、研發(fā)等。qbSofHandResearch采用欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，能夠復制人手約75%的抓握動作，并且由于其固有的機械智能，它能夠自然地適應它正在拾取的物體，無需使用需要復雜電子編程的精密傳感器。qbSoftHandResearch具有很強的適應性，可以在控制動作沒有任何變化的情況下抓住不同的對象。適用于研究機構(gòu)、大學、學校、測試實驗室以及私營和上市公司的研發(fā)部門。qbSoftHand2Research是qbSoftHandResearch更強大、更智能、更多功能的進化版。它在復雜性與靈巧性之間達到了一種平衡，既能進行精確抓握，也能進行動力抓握，還能在保持穩(wěn)定抓握的同時操縱物體。第二協(xié)同作用的引入，使qbSoftHand2Research可以在不改變手腕方向的情況下，操縱與人手互動的物體。此外，與前兩個靈巧手不同的是，它使用了兩個電機。這種手部操控能力大大增加了在研發(fā)、測試和人機交互領(lǐng)域的應用。姓wtrdksstoTharkstolhssatnatreCloneRobotics從2014年開始研發(fā)，最初的使命是制造低成本的機器人來執(zhí)行日常生活中所有的常見勞動。Clone擁有一支由12名科學家和工程師組成的創(chuàng)意團隊，涉及物理學、生物力學、材料科學、電子學和機器學習等領(lǐng)域。他們計劃于2024年推出第一條產(chǎn)品線，包括CloneHand和CloneTorso。財通證養(yǎng)行業(yè)深度分析報告/證券研究報告CloneHand是世界上最接近人類的肌肉骨骼手，由CloneRobotics專有的液壓肌肉和閥門驅(qū)動。其尺寸和生物特征與人手相同，包括一半臂骨、完整的前臂和手掌，具有所有可能的自由度。CloneHand由聚合物制成，比金屬更軟、更輕、更便宜且性能更好。其中，骨骼由碳纖維制成，手的其余部分由柔軟材料制成，包括由液壓系統(tǒng)控制的37塊肌肉。這些肌肉目前可以承受65萬次擴張和收縮循環(huán)，并且手指足夠強壯，可以抓住并支撐7kg的重量。數(shù)據(jù)來源：全球風口公眾號，財通證券研究所思靈機器人(AgileRobots)是一家全球領(lǐng)先的智能機器人明星企業(yè)，公司創(chuàng)立于2018年，立足全球化發(fā)展，在德國慕尼黑、中國北京設(shè)立雙總部，以德國宇航中心為技術(shù)依托，致力于推動機器人技術(shù)探索與創(chuàng)新，并拓展機器人在更多領(lǐng)域的推廣應用。思靈機器人的仿人型五指靈巧手DexterityHand于2020年完成第一代開發(fā)，主要面向服務、康復理療、危險環(huán)境作業(yè)、空間探索等應用場景。DexterityHand是世界領(lǐng)先的高度集成化和模塊化的多指力控機器人靈巧手，由4個模塊化的多關(guān)節(jié)手指和1個具有主動對掌功能的拇指組成，每個手指有一個獨立自由度和兩個耦合自由度，所有的驅(qū)動、傳動、傳感及電氣模塊均集成在手上。DexterityHand采用“直流伺服電機+二級減速器”的方式驅(qū)動手指和拇指各個指節(jié)完成運動，不僅具備出力大、響應速度快的優(yōu)點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)機械自鎖，指尖輸出力最大可達10N。同時，每個手指均集成有力傳感器和位置傳感器，可實現(xiàn)多傳感器融合的抓取算法，保證靈巧手與環(huán)境的柔順接觸。因時機器人成立于2016年，專業(yè)從事伺服電動推桿和末端執(zhí)行器研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，產(chǎn)品主要應用于機器人、生物醫(yī)療、工業(yè)自動化和教育科研等領(lǐng)域。在靈巧手市場上，因時機器人具有核心零部件自主研發(fā)；傳動機構(gòu)、傳感器和控制算法；成本控制等三方面的優(yōu)勢，以應對國際、國內(nèi)廠商的雙重競爭。因時機器人仿人五指靈巧手采用創(chuàng)新型直線驅(qū)動設(shè)計，具有6個自由度和12個運動關(guān)節(jié)，結(jié)合力位混合控制算法，可以模擬人手實現(xiàn)精準的抓取操作。其中，因時機器人RH56DF3系列靈巧手抓握力大，速度適中，適用于機器人或假肢的抓取操作。RH56BFX系列靈巧手又稱鋼琴手，速度快、抓握力稍小，集成力傳感器，適用于彈鋼琴及手勢交互等場景。二者均支持ROS,可提供ROS插件。深圳藍胖子機器智能有限公司成立于2014年，運用計算機視覺、運動規(guī)劃、自主導航、多機協(xié)作、機器學習等人工智能技術(shù)，DoraHand采用模塊化設(shè)計，有效解決多指靈巧手殊的傳感器設(shè)計，結(jié)合多自由度配置，既能適應絕大部分物體的抓取要夠靈敏感知力的大小以及施力點位移變化；靈知、抓取規(guī)劃及手指指尖設(shè)計，便于各類手勢切換，并適騰訊RoboticsX實驗室成立于2018年，目前實驗室的研究方向包括作為機器人技術(shù)。2023年4月25日，騰訊RoboticsX實驗室推出自研機器人靈巧手TRX-TRX-Hand兼具高靈巧和高負載速度的特性，擁有8個可獨立控制關(guān)節(jié)，最大持續(xù)指尖力可達15牛，可輕松應對不同形狀尺寸物體的抓取和操作，對高動態(tài)的拋接動作也游刃有余。同時，柔性驅(qū)動的指尖設(shè)計有效提感器陣列，掌心處安裝有微型激光雷達和接近傳感器，數(shù)據(jù)來源：騰訊RoboticsX實驗室公眾號，財通證券3投資建議3.1人形機器人賦予靈巧手千億級市場規(guī)模靈巧手作為機器人執(zhí)行末端，是人形機器人必不可少的部上報價，單只靈巧手價格約為5萬元，如果未來人形機器人銷量到達百萬臺，對應靈巧手市場