人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——空心杯與靈巧手

人類正常的工作與生活離不開雙手的活動。在人與環(huán)境交互的需求中，手占據(jù)極其重要的地位。人的上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%。人形機器人可以更加方便地使用為人設計的各種工具和儀器，一個主要原因就是靈巧手與人手有著相似的形態(tài)、結構和功能，能夠完成靈活精細的抓取操作。如果沒有靈巧手，那么人形機器人幾乎沒有用，因為它沒有執(zhí)行主要功能的設備以達到特定目的。本文主旨在于拆解和分析人形機器人靈巧手的結構，以及國內(nèi)主要空心杯和靈巧手相關企業(yè)的介紹分析，以供大家參考。

一、靈巧手簡介

1.1、人手基本功能

人手的運動涉及相當高的靈活性水平，能做出各種各樣的動作，適用于執(zhí)行各種需要抓握力的任務。人手有十三種基本功能，其中抓取操作有勾拉、側捏、動態(tài)操作、球形抓握、球形指尖握、柱狀抓握、二指尖捏和多指尖捏八種。

圖|人手的基本功能

來源：華安證券

1.2、人形機器人靈巧手

特斯拉Optimus 和優(yōu)必選Walker的靈巧手都是電機驅(qū)動，特斯拉靈巧手為減小電機尺寸而使用空心杯電機。從基本參數(shù)看，Optimus單手擁有6個執(zhí)行器，11個自由度，可抓起20磅重量。利用仿生學關節(jié)設計，在靈巧手結構上，特斯拉采用彈簧負載設計方案。從內(nèi)部構成看，每個執(zhí)行器由空心杯電機+螺紋絲杠+精密行星齒輪箱+編碼器構成。靈巧手采用金屬肌腱，能夠帶動機器人精確抓住小而薄的物體。

圖|Optimus單手6個執(zhí)行器、11個自由度，可抓起20磅重量

來源：特斯拉發(fā)布會

1.3、靈巧手結構

圖|人形機器人靈巧手實物拆解圖

來源：與非研究院

圖|手指結構拆解

圖|空心杯電機+行星減速器拆解圖

來源：與非研究院

?由圖，空心杯電機和行星減速器為手指驅(qū)動的關鍵。手指的驅(qū)動來自空心杯電機的轉動，帶動行星減速器施加反向作用力，通過鉸鏈等連接拉動手指關節(jié)，實現(xiàn)旋轉運動到線性運動的轉換。通過施加正向或反向的電壓，手指可以實現(xiàn)伸縮動作，進而握緊或者松開物體。

二、國內(nèi)空心杯電機企業(yè)分析

2.1、鳴志電器

2.1.1、空心杯電機簡介

空心杯電機分為有刷和無刷兩種，有刷電機轉子無鐵芯，無刷電機（又稱無刷無齒槽電機）定子無鐵芯。可以看出兩種電機的區(qū)別在于有刷空心杯電機利用碳刷（或者金屬電刷）和換向器的配合來完成換向，無刷空心杯電機沒有這種物理結構，線圈導線直接連接到控制器，通過處理連接板上的霍爾反饋的位置信號完成換向；有刷空心杯電機是線圈，換向器和連接板在外殼和永磁體中間旋轉，他們共同組成轉子。無刷空心杯的線圈是固定的，永磁鐵作為轉子在中間旋轉。

來源：鳴志電器官網(wǎng)

公司目前開發(fā)出了φ13mm、φ16mm、φ22mm機座尺寸的無刷空心杯電機，電機的空載轉速可以達到15000rpm~50000rpm。根據(jù)客戶需求提供齒輪箱、編碼器、高低速應用、高低溫環(huán)境等定制選項。

來源：鳴志電器官網(wǎng)

在有刷空心杯產(chǎn)品領域，公司開發(fā)了φ8mm、φ10mm、φ13mm、φ16mm、φ17mm、φ24mm等眾多機座尺寸，電機的空載轉速在10000rpm-16000rpm，空心杯電機在搭配不同速比的減速機和不同分辨率的編碼器后，也可以作為力矩電機以及位置反饋的裝置使用。

表：空心杯電機對比（無刷vs有刷）

來源：鳴志電器官網(wǎng)、與非研究院整理

2.1.2、應用

空心杯電動機的應用，從軍事、高科技領域進入大工業(yè)和民用領域后，十多年來得到迅速的發(fā)展，尤其是在工業(yè)發(fā)達國家，已經(jīng)涉及到大部分行業(yè)和許多產(chǎn)品。
1、需要快速響應的隨動系統(tǒng)。如導彈的飛行方向快速調(diào)節(jié)，高倍率光驅(qū)的隨動控制，快速自動調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測設備，工業(yè)機器人，仿生義肢等，空心杯電動機能很好地滿足其技術要求。
2、對驅(qū)動元件要求平穩(wěn)持久拖動的產(chǎn)品。如各類便攜式的儀器儀表，個人隨身裝備，野外作業(yè)的儀器設備，電動車、玩具車、電動牙刷等，同樣一組電源，供電時間可以延長一倍以上。
3、各種飛行器，包括航空、航天、航模等。利用空心杯電動機重量輕，體積小，能耗低的優(yōu)點，可以很大程度地減輕飛行器的重量。
4、各種各樣的民用電器、工業(yè)產(chǎn)品。采用空心杯電動機作為執(zhí)行元件。

圖|空心杯電機應用

來源：鳴志電器官網(wǎng)

2.2、鼎智科技

公司成立于 2008 年 4 月，主要從事線性執(zhí)行器、混合式步進電機、直流電機、音圈電機及其組件等產(chǎn)品的設計、研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

空心杯電機杯可避免由于齒槽存在磁阻不均勻而引起氣隙磁感應的脈振?？蓪崿F(xiàn)消除電樞鐵心中產(chǎn)生脈振損耗和主極極靴表面上產(chǎn)生表面損耗。空心杯電機杯具有高耐用性、低電氣噪聲和高效率，目前電機最大效率達到91%?？招谋姍C杯適用于需要快速動作、功率較大的隨動系統(tǒng)中。

圖|鼎智科技空心杯電機系列

來源：鼎智科技官網(wǎng)

目前，鼎智科技根據(jù)產(chǎn)品構思、結構設計，確定繞線原理，攻克了繞線工藝、繞線成型、線包固化等多項技術難點，具備空心杯電機自動化批產(chǎn)能力。現(xiàn)有7種系列產(chǎn)品，涵蓋直徑φ10mm至φ42mm產(chǎn)品線。

2.3、兆威機電

??? 深圳市兆威機電股份有限公司（以下簡稱“兆威”）成立于2001年，是一家集設計、研發(fā)、制造于一體的微型驅(qū)動系統(tǒng)方案解決商。

圖|無刷空心杯電機

來源：兆威機電官網(wǎng)

??? 兆威機電無刷空心杯電機直徑φ6mm-φ12mm，滿足靈巧手使用范圍。

圖|6mm空心杯電機參數(shù)

來源：兆威機電官網(wǎng)

圖|行星減速箱（高性能版）

來源：兆威機電官網(wǎng)

兆威機電齒輪箱直徑φ3.4mm-φ38mm，齒輪箱減速比4-1708。

兆威機電始終關注機器人前沿技術，從微型驅(qū)動領域出發(fā)，致力幫助機器人實現(xiàn)應用落地。兆威機電基于對精密減速箱、高性能電機、電控系統(tǒng)的產(chǎn)品組合，適用于機器人頭部、手指等運動執(zhí)行等應用，具有精度高、尺寸小、重量輕等特點。

2.4、空心杯電機市場空間

在人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈不斷發(fā)展的過程中，手部方案的主流配置與目前特斯拉Optimus 的用量一致，為單臺機器人12只（左右手各6只），后續(xù)隨著產(chǎn)品成熟度提高，未來方案中為了實現(xiàn)更加靈巧的雙手，達到單臺機器人 22 只（左右手各11 只）的用量。

當人形機器人的出貨量達到10萬臺時，單機空心杯電機的價值量大約14400元，帶來的增量市場空間已經(jīng)有14.4億，增加了原本空心杯電機市場的28%左右；而當人形機器人產(chǎn)品出貨量級達到百萬時，單臺空心杯電機的價值量分別為10080元、帶來的增量市場空間約為101億元。

三、國內(nèi)靈巧手企業(yè)簡介

3.1、因時機器人

因時機器人創(chuàng)立于2016年，是一家專注于微型精密運動部件研發(fā)制造和伺服控制技術突破創(chuàng)新的高新技術企業(yè)。典型產(chǎn)品包括微型伺服電缸和機器人末端執(zhí)行器，在微小型、高精度和力控技術等方面具有獨特優(yōu)勢。

微型伺服電缸是一種小型一體化直線伺服系統(tǒng)，是機器人、醫(yī)療器械、工業(yè)設備等精密機電設備的核心運動部件。其內(nèi)部集成了空心杯電機、精密減速器、絲杠傳動機構、傳感器及閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有體積小、精度高、功率密度大等技術特點，可以實現(xiàn)行程范圍內(nèi)任意位置精確伺服控制。內(nèi)置絕對位置傳感器，斷電后不會丟失位置信息，無需找零位。

圖|微型伺服電缸

來源：因時機器人

表|伺服電缸分類

來源：因時機器人介紹、與非研究院整理

圖|微型伺服電缸

來源：因時機器人產(chǎn)品介紹

圖|仿人五指靈巧手

來源：因時機器人官網(wǎng)

仿人五指靈巧手采用創(chuàng)新型直線驅(qū)動設計，內(nèi)部集成了6個力控微型伺服電缸。單手 具有6個自由度和12個運動關節(jié)，外形美觀且高度仿真，結合力位混合控制算法，具有亞 毫米級定位精度和數(shù)千克的負載能力，可以模擬人手實現(xiàn)精準的抓取操作。

仿人五指靈巧手尺寸圖

來源：因時機器人官網(wǎng)

因時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。支持ROS，可提供ROS插件。

圖|因時RH56BFX系列靈巧手參數(shù)

來源：因時機器人官網(wǎng)

因時RH56DFX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。支持ROS，可提供ROS插件。

圖|因時RH56DFX系列靈巧手參數(shù)

來源：因時機器人官網(wǎng)

因時機器人作為靈巧手頭部企業(yè)，將持續(xù)深耕微型伺服運動控制領域，力求研制出更微小更精密的運動控制零部件，為機器人行業(yè)、精密制造業(yè)及生物醫(yī)療（醫(yī)美）器械行業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和更專業(yè)的服務。

3.2、強腦科技有限公司

BrainCo強腦科技創(chuàng)立于2015年，是首家入選哈佛大學創(chuàng)新實驗室(Harvard Innovation Lab)的中國團隊，致力于成為全球領先的非侵入式腦機接口技術解決方案供應商，在康復、大健康、人機交互等領域具有領先優(yōu)勢。

圖|智能仿生手

來源：強腦科技官網(wǎng)

BrainRobotics智能仿生手，是一款腦機接口技術與人工智能算法高度整合的智能產(chǎn)品。這款仿生手可通過檢測佩戴者的神經(jīng)電和肌肉電信號，識別佩戴者的運動意圖，并將運動意圖轉化為智能仿生手的動作，從而做到靈巧智能，手隨心動。

圖|強腦科技仿生智能手動作

來源：強腦科技官網(wǎng)

強腦科技的智能仿生手基于腦機接口技術，通過采集解析使用者的神經(jīng)信號，無需手術埋入電極，也可以精確控制每根手指的運動速度和位置，完成各種交互姿勢。目前，該技術多用于假肢行業(yè)康復領域，未來有可能和人形機器人相結合。

3.3、思靈機器人

思靈機器人（Agile Robots）是一家全球領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、中國北京設立雙總部，以德國宇航中心為技術依托，致力于推動機器人技術探索與創(chuàng)新，并拓展機器人在更多領域的推廣應用。

圖|仿人型五指智能靈巧手

來源：思靈機器人官網(wǎng)

表|仿人型五指智能靈巧手指標

圖|靈巧手可實現(xiàn)動作

來源：思靈機器人官網(wǎng)

思靈機器人五指靈巧手是世界領先的高度集成化和模塊化的多指力控機器人靈巧手，由 4個模塊化的多關節(jié)手指和1個具有主動對掌功能的拇指組成，整手外觀上略小于正常成年男性手，具有擬人的外觀和功能。五個手指均具有仿人型的運動軌跡，得益于拇指的對掌性，五指靈巧手可以復現(xiàn)多種人手的抓取類型。5 個手指均集成有力傳感器和位置傳感器等，可實現(xiàn)多傳感器融合的抓取算法，以保證機器人手與環(huán)境交互的柔順性。

3.4、藍胖子機器智能

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，為物料、快遞、電商、海港、空港、先進制造等場景，提供包含上件、分揀、運輸、裝卸等環(huán)節(jié)的一站式解決方案。

圖|3指、5指靈巧手

來源：藍胖子機器智能官網(wǎng)

??? 采用模塊化設計，有效解決多指靈巧手成本高、不易維護的痛點，可應用于機器人靈巧手操作及多種類物品的復雜抓取場景。產(chǎn)品同時采用特殊的傳感器設計，結合多自由度配置，既能適應絕大部分物體的抓取需求，又能降低靈巧手成本，從而推廣其在科研、工業(yè)、服務等領域的應用。

表|方案參數(shù)

來源：藍胖子機器智能官網(wǎng)

表|產(chǎn)品特點

來源：藍胖子機器智能官網(wǎng)

四、總結

靈巧手技術壁壘較高，目前國外一些靈巧手技術先進，但是設計難度大，零部件多， 所以價格很高，一般用于科研領域，如Shadow靈巧手報價約220萬元/只。用于假肢領域的仿生靈巧手靈活程度稍差一些，但價格也相對較低，如德國的Bebionic仿生靈巧手價格至少32萬元/只。國內(nèi)強腦科技的BrainRobotics仿生靈巧手應用領域是假肢行業(yè)，標準版價格是10.8萬元/只。因時機器人是國內(nèi)商業(yè)級五指靈巧手的龍頭企業(yè)，因時靈巧手與特斯拉靈巧手有著類似的關節(jié)數(shù)和相同的電機數(shù)目，現(xiàn)在價格為5萬元/只。

目前，國內(nèi)外靈巧手行業(yè)尚處于早期階段。國內(nèi)靈巧手生產(chǎn)商有望憑借降本優(yōu)勢進入特斯拉這樣的人形機器人本體生產(chǎn)商的供應鏈。隨著國內(nèi)人形機器人優(yōu)必選、小米、智元等人形機器人產(chǎn)品逐漸定型，未來出貨量將逐步提高，也必將帶動靈巧手行業(yè)快速發(fā)展。