五矿证券在《灵巧手硬件的五大方向》报告中指出,灵巧手是人形机器人的核心价值所在,也是当前产业链最大瓶颈。灵巧手占整机成本约20%-30%,研发难度和工程量可能占到整机开发的一半。按传动方式分为齿轮、连杆、腱绳三类,国内企业侧重连杆方案,海外更青睐腱绳方案。17个主动自由度是判断灵巧手能否接近人手灵活性的重要参考。
灵巧手——人形机器人的核心价值体现
人形机器人的核心能力是泛化性,而灵巧手是体现这种泛化性的核心。工业机器人使用专用的夹爪,成本低效率高但通用性差。而人形机器人的操作对象具有不确定性,需要执行器具备高度的灵活性。人形机器人所提供的价值,将主要通过灵巧手的方式展现。
灵巧手是人形机器人成本占比最高的零部件(约20%-30%),也是产业链瓶颈环节。当前灵巧手还只能完成人手的部分功能,软硬件均有较大提升空间。马斯克曾坦言,灵巧手的研发难度和工程量可能占到整机开发的一半。从AI数据闭环角度,灵巧手是人形机器人和外界交互的桥梁,是采集物理世界数据的窗口。
灵巧手是人形机器人成本占比最高的零部件(约20%-30%),也是产业链瓶颈环节。当前灵巧手还只能完成人手的部分功能,软硬件均有较大提升空间。马斯克曾坦言,灵巧手的研发难度和工程量可能占到整机开发的一半。从AI数据闭环角度,灵巧手是人形机器人和外界交互的桥梁,是采集物理世界数据的窗口。
三大传动方案详解——齿轮、连杆、腱绳
齿轮传动方案的电机位于手指,通过齿轮或定时皮带驱动关节。优点是关节驱动效率高、结构易布置;缺点是手的大小高度依赖电机,当前技术下手指粗大、惯性高、控制复杂。代表方案包括DLR-HIT-Hand II(15自由度)和KITECH-hand。
连杆传动方案的电机位于手掌,通过连杆传递运动。优点是双向控制、坚固、易维护;缺点是连杆较厚且坚硬,较难实现高灵巧性。但近年来连杆方案灵巧度也有明显提升,ILDA手已实现15自由度和34N指尖力。
腱绳传动方案的驱动器布置于前臂,通过腱绳连接关节。优点是结构最接近人类驱动机制,可轻松实现20个以上自由度;缺点是腱绳寿命有限、装配复杂、摩擦降低驱动效率。代表方案包括Robonaut2(12自由度)、DLR Hand Arm System(19自由度)和特斯拉新一代灵巧手(22自由度)。
连杆传动方案的电机位于手掌,通过连杆传递运动。优点是双向控制、坚固、易维护;缺点是连杆较厚且坚硬,较难实现高灵巧性。但近年来连杆方案灵巧度也有明显提升,ILDA手已实现15自由度和34N指尖力。
腱绳传动方案的驱动器布置于前臂,通过腱绳连接关节。优点是结构最接近人类驱动机制,可轻松实现20个以上自由度;缺点是腱绳寿命有限、装配复杂、摩擦降低驱动效率。代表方案包括Robonaut2(12自由度)、DLR Hand Arm System(19自由度)和特斯拉新一代灵巧手(22自由度)。
国内连杆vs海外腱绳——方案分化与路线选择
从当前市面灵巧手方案来看,国内企业侧重连杆传动,而海外企业更侧重腱绳传动。国内代表性连杆方案:兆威机电(17主动自由度,<1kg)、因时RH56(6主动+5被动,540g)、灵心巧手L20(20主动+5被动,1kg)。连杆方案在耐用性和灵活性上取得了较好平衡,且成本可控。
海外代表性腱绳方案:特斯拉新一代灵巧手(22自由度,高度灵活拟人)、DLR Hand Arm System(19自由度,拮抗驱动)、Robonaut2(12自由度,腱绳张力传感)。腱绳方案追求高灵活性,但装配维护复杂,腱绳寿命是主要瓶颈。
17个自由度(主动)是我们判断一款灵巧手性能的重要参考。一般认为当灵巧手具备17个主动自由度及以上时,可以实现接近人手的灵活性。
海外代表性腱绳方案:特斯拉新一代灵巧手(22自由度,高度灵活拟人)、DLR Hand Arm System(19自由度,拮抗驱动)、Robonaut2(12自由度,腱绳张力传感)。腱绳方案追求高灵活性,但装配维护复杂,腱绳寿命是主要瓶颈。
17个自由度(主动)是我们判断一款灵巧手性能的重要参考。一般认为当灵巧手具备17个主动自由度及以上时,可以实现接近人手的灵活性。
方案选择趋势与供应链影响
传动方案的选择直接影响供应链结构。齿轮/连杆方案电机位于手部,对微型电机(空心杯电机)需求量大;腱绳方案电机位于前臂,可使用成本更低的直流无刷电机,但增加了腱绳(钢丝绳或UHMWPE纤维)的需求。
特斯拉从11自由度(蜗轮蜗杆+欠驱动)迭代至22自由度(纯腱绳驱动),验证了腱绳方案在高自由度灵巧手上的优势。国内企业选择连杆方案,在量产成本控制和耐用性上更具优势。两种路线均有发展空间,供应链企业需根据方案差异布局不同硬件方向。
特斯拉从11自由度(蜗轮蜗杆+欠驱动)迭代至22自由度(纯腱绳驱动),验证了腱绳方案在高自由度灵巧手上的优势。国内企业选择连杆方案,在量产成本控制和耐用性上更具优势。两种路线均有发展空间,供应链企业需根据方案差异布局不同硬件方向。
| 传动方式 | 优点 | 缺点 | 代表方案 |
|---|---|---|---|
| 腱绳传动 | 节省空间、易实现多自由度 | 刚度有限、控制复杂、寿命受限 | 特斯拉、DLR、Robonaut2 |
| 连杆传动 | 刚度好、负载强、易维护 | 结构冗余、柔性不足 | 兆威、因时、灵心巧手 |
| 齿轮传动 | 效率高、结构易布置 | 手指粗大、惯性高 | DLR-HIT-Hand II |
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