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原创 2024-05-01 22:15·人形机器人研究院
灵巧手相关文章链接：人形机器人行业系列报告解读第二期：人形机器人的灵巧手技术方案与投资关注点
一、灵巧手行业概览
1、灵巧手定义与重要性
机器人灵巧手，是一种高度模仿人类手臂及手指构造与功能的精密机器人末端执行器。其设计旨在实现如同人手一般的通用抓取能力和复杂动作执行，是人形机器人技术发展中不可或缺的关键组件。
灵巧手具备多自由度、柔韧性强、操控精准等特性，能够在制造业、医疗康复、服务行业等多个领域中替代或辅助人类完成精细作业，对于提升机器人整体性能和拓宽应用场景具有重要意义。
2、灵巧手发展历程
灵巧手技术起源于上世纪70年代，初期的原型产品如Okada灵巧手、Stanford/JPL灵巧手和Utah/MIT灵巧手，大多采用腱绳传动机制，并逐步引入电机驱动。随着时间推移，灵巧手的设计不断演进，从驱动器外置转向内置或混合布局，传动方式亦日趋多样化，包括连杆传动、齿轮传动、带传动和线绳驱动等多种组合。此外，灵巧手的感知能力得到大幅提升，通过集成内部与外部传感器实现了多感知融合，以满足更高级别的智能化需求。
二、灵巧手技术路线与市场参与者
1、灵巧手技术路线
1）结构形式的演变：
灵巧手结构形式由驱动器外置逐渐演变至驱动器内置或驱动器混合置，未来随着微驱动、微传动器件技术提升，灵巧手的结构将向着模块化、微机电集成化方向发展，以适应更高的性能指标和成本效益要求。
2）驱动方式的分类与比较：
电机驱动因其高效率、精确控制及便于实施商业化等原因成为当前主流，电机方面主要是使用空心杯电机，空心杯电机在节能、响应迅速和稳定性佳等特点在人形机器人手部关节应用中备受青睐，当然实际上特斯拉最新的产品方案中考虑使用无刷有齿槽的电机，主要还是成本和性能的综合考量决定的。
3）传动系统的三种主要类型：
连杆传动具有简单直观、负载能力强的优点；绳驱传动更适合轻量化设计和柔顺操作；齿轮传动则常用于需要较大扭矩传递的场合。
2、市场参与者分析
灵巧手市场参与者主要包括机器人制造企业和研究机构两大阵营。国际市场中，如Shadow Robot等公司凭借领先技术和高性能产品占据优势地位。与此同时，中国企业在该领域奋起直追，虽然起步相对较晚，但凭借成本优势和快速的研发进程，如因时机器人等本土企业已崭露头角，有望在未来市场争夺中获得更大的市场份额。
三、灵巧手市场空间与预测
1、市场规模预测
根据浙商证券的最新研报预测（23和24年机器人需求量略高仅供参考），伴随着人形机器人技术的飞跃和应用领域的拓宽，至2030年全球人形机器人灵巧手市场规模有望突破568亿元人民币，年复合增长率高达35%，。
2、人形机器人对市场的推动作用
特斯拉Optimus等项目的推进，预示着人形机器人即将进入大规模量产阶段，这必将触发灵巧手市场的爆发式增长，为人形机器人灵巧手创造出巨大的市场需求。
四、灵巧手关键部件分析
1、传动系统
连杆传动、齿轮传动、带传动及线绳驱动四种传动方式各有优劣，可根据实际需求灵活组合，连杆传动适用于工业和假肢领域，绳驱传动多见于科研和人形机器人，齿轮传动则在工业机器人中广泛应用。
2、传感系统
内在传感器如运动传感器和力矩传感器，为灵巧手提供实时状态反馈；外部传感器如接近觉传感器和触觉传感器，则对外部环境进行感知。二者融合运用，极大提升了灵巧手的抓取能力和智能化水平，弥补了单一传动方式的不足。
3、空心杯电机市场分析
1）空心杯电机的优势与应用
空心杯电机的独特结构显著降低了电机运行中的能量损耗和转动不稳，其小巧轻便、高效节能的特性使之成为灵巧手的理想驱动元件，尤其在追求体积紧凑、性能卓越的人形机器人灵巧手中起到决定性作用。
2）市场主要参与者
国内外空心杯电机制造商在软实力和硬实力均有一定差距。硬实力的差距主要集中在电机材料选用、本体设计和机电控制方案配置，国外企业具有先进的加工镀膜工艺与更扎实的电机材料理论研究、小尺寸电机设计能力强和上千种方案进行驱动配置;软实力的差距主要集中于市场影响力、客户资源、品牌声誉与市场认可度等。
3）市场规模与预测
全球空心杯电机市场规模稳健增长，预计至2030年将从2022年的约7亿人民币增长至132亿人民币，复合年增长率约70%。随着人形机器人市场对空心杯电机需求的增长，预计到2030年这一市场空间将因人形机器人的推广而大幅扩容。
五、国内外主要灵巧手公司产品
1、国际主要灵巧手公司
1）Shadow Robot Company（英国）
产品与技术路线：英国Shadow Robot公司以其先进的仿人机器手闻名，Shadow灵巧手是一款极具代表性的五指机械手，具有高自由度和出色的逼真度，每个手指都有多个关节，实现与人手类似的抓握功能。该公司的技术路线强调模块化设计、微驱动和微传动器件的集成，以及采用高效的电机驱动，特别是空心杯电机，因其节能、高精度和稳定性强等特性在灵巧手关节驱动中占据优势。
应用领域：Shadow灵巧手主要应用于科研领域和高端工业应用，如太空探索、精密装配、危险环境操作等。另外，鉴于其高仿真度，也常用于假肢制作和康复治疗领域。
2）Schunk（德国）
产品与技术路线：Schunk公司生产的灵巧手强调的是坚固耐用与精确控制，采用了多种传动方式，包括连杆传动、齿轮传动等，结合强大的电机驱动系统，确保了灵巧手的高性能表现。Schunk的产品往往兼顾力控与视觉传感技术，实现准确抓取和智能操作。
应用领域：Schunk灵巧手广泛应用于汽车制造、半导体行业、实验室自动化以及航天航空领域，同时也面向服务机器人和人形机器人市场提供解决方案。
3）DLR Hand（德国宇航局与哈工大联合研发）
德国宇航中心（DLR）研发的灵巧手通常被称为“DLR Hand”，是一款具有高精度、多功能和模块化设计的仿人机器人末端执行器，代表着国际上顶尖的机器人灵巧手技术。
产品特点与技术路线： DLR Hand具有高度仿真的五指设计，每一个手指都配备了多个关节，实现了与人手类似的复杂动作。DLR Hand采用采用谐波+齿轮+带传动，应用于航空航天而成本高。
主要应用领域： DLR Hand因其先进的技术和优秀的性能，在多个领域发挥了重要作用：
- 科研领域：作为高级科研项目的基础平台，DLR Hand在人形机器人、机器人学、生物医学工程以及人工智能算法验证等方面开展了深入研究。
- 航空航天：DLR本身作为一个航天航空研究机构，其研发的灵巧手被应用于宇宙飞船、卫星等航天器的远程操作和在轨维修任务中。
2、国内主要灵巧手公司
1）因时机器人
产品与技术路线：因时机器人是中国在商业级五指灵巧手领域的领军企业，其产品采用了电机驱动，实现了五指灵活抓取和多种内部传感器的集成。在传动系统上，因时机器人考虑到了连杆传动、绳驱传动等不同类型的应用需求，并致力于结构的模块化设计，以便于生产和维护。
应用领域：因时机器人的灵巧手已成功应用于工业自动化、服务机器人和人形机器人领域，特别是在科研成果转化和商业化进程中表现突出，有望借由其价格优势抢占更多市场份额。
2）思灵机器人
产品与技术路线：思灵机器人发布的Dexterity Hand 采用“直流伺服电机+二级减速器”的方式驱动手指和拇指各个指节完成运动，不仅具备出力大、响应速度快的优点，而且能够实现机械自锁，指尖输出力最大可达 10N。同时，每个手指均集成有力传感器和位置传感器，可实现多传感器融合的抓取算法，保证灵巧手与环境的柔顺接触。
应用领域：思灵机器人灵巧手在工业生产线上的组装、搬运以及服务机器人行业有所应用，同时也瞄准了人形机器人市场的发展契机。
3）腾讯Robotics X实验室
产品与技术路线：腾讯Robotics X实验室推出了自主研发的TRX-Hand机器人灵巧手，同样选用电机驱动，注重产品的智能化和通用性，通过内外传感器的深度融合，提高了抓取操作的精准度和自主性。
应用领域：腾讯TRX-Hand灵巧手不仅在实验室环境下进行前沿技术研发，而且着眼于在家庭服务、商业展示、教育娱乐等多元化场景下的应用。
六、结论与展望
灵巧手行业将继续沿着模块化、智能化和高性价比的方向发展，人形机器人的持续演进将有力地拉动灵巧手市场需求。在投资前景上，无论技术还是投资都应关注灵巧手核心技术的创新突破，以及国产化替代进程中所带来的商业化市场机会。
多感知能力融合是未来灵巧手的发展方向。一方面，同时获取多种信息有助于灵巧手对物体的精准识别以及提升操作精细度和智能化水平；另一方面，多种传感方式搭配可弥补传动方案缺陷，如绳驱方案具有力度和重定位精度较差的缺陷，可用角度传感器测量累计弯曲角度，补偿电缆因摩擦引起的非线性变化，从而增强对腱绳张力控制的精确度。
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