人形機(jī)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(jī)器人可以更加方便地使用為人設(shè)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(jié)構(gòu)和功能，能夠完成靈活精細(xì)的抓取操作。如果沒有靈巧手，那么人形機(jī)器人幾乎沒有用，因為它沒有執(zhí)行主要功能的設(shè)備以達(dá)到特定目的。本文主旨在于拆解和分析人形機(jī)器人靈巧手的結(jié)構(gòu)，以及國內(nèi)主要空心杯和靈巧手相關(guān)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(yùn)動涉及相當(dāng)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(wù)。人手有十三種基本功能，其中抓取操作有勾拉、側(cè)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(jī)器人靈巧手

特斯拉Optimus 和優(yōu)必選Walker的靈巧手都是電機(jī)驅(qū)動，特斯拉靈巧手為減小電機(jī)尺寸而使用空心杯電機(jī)。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(xué)關(guān)節(jié)設(shè)計，在靈巧手結(jié)構(gòu)上，特斯拉采用彈簧負(fù)載設(shè)計方案。從內(nèi)部構(gòu)成看，每個執(zhí)行器由空心杯電機(jī)+螺紋絲杠+精密行星齒輪箱+編碼器構(gòu)成。靈巧手采用金屬肌腱，能夠帶動機(jī)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(jié)構(gòu)

圖|人形機(jī)器人靈巧手實物拆解圖

來源：與非研究院

圖|手指結(jié)構(gòu)拆解

圖|空心杯電機(jī)+行星減速器拆解圖

來源：與非研究院

?由圖，空心杯電機(jī)和行星減速器為手指驅(qū)動的關(guān)鍵。手指的驅(qū)動來自空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到線性運(yùn)動的轉(zhuǎn)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(jìn)而握緊或者松開物體。

二、國內(nèi)空心杯電機(jī)企業(yè)分析

2.1、鳴志電器

2.1.1、空心杯電機(jī)簡介

空心杯電機(jī)分為有刷和無刷兩種，有刷電機(jī)轉(zhuǎn)子無鐵芯，無刷電機(jī)（又稱無刷無齒槽電機(jī)）定子無鐵芯?？梢钥闯鰞煞N電機(jī)的區(qū)別在于有刷空心杯電機(jī)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(jī)沒有這種物理結(jié)構(gòu)，線圈導(dǎo)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(jī)是線圈，換向器和連接板在外殼和永磁體中間旋轉(zhuǎn)，他們共同組成轉(zhuǎn)子。無刷空心杯的線圈是固定的，永磁鐵作為轉(zhuǎn)子在中間旋轉(zhuǎn)。

來源：鳴志電器官網(wǎng)

公司目前開發(fā)出了φ13mm、φ16mm、φ22mm機(jī)座尺寸的無刷空心杯電機(jī)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速可以達(dá)到15000rpm~50000rpm。根據(jù)客戶需求提供齒輪箱、編碼器、高低速應(yīng)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(lǐng)域，公司開發(fā)了φ8mm、φ10mm、φ13mm、φ16mm、φ17mm、φ24mm等眾多機(jī)座尺寸，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速在10000rpm-16000rpm，空心杯電機(jī)在搭配不同速比的減速機(jī)和不同分辨率的編碼器后，也可以作為力矩電機(jī)以及位置反饋的裝置使用。

表：空心杯電機(jī)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(yīng)用

空心杯電動機(jī)的應(yīng)用，從軍事、高科技領(lǐng)域進(jìn)入大工業(yè)和民用領(lǐng)域后，十多年來得到迅速的發(fā)展，尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)的隨動系統(tǒng)。如導(dǎo)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(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，仿生義肢等，空心杯電動機(jī)能很好地滿足其技術(shù)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(shè)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(jī)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(jī)作為執(zhí)行元件。

圖|空心杯電機(jī)應(yīng)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(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、音圈電機(jī)及其組件等產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

空心杯電機(jī)杯可避免由于齒槽存在磁阻不均勻而引起氣隙磁感應(yīng)的脈振。可實現(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(jī)杯具有高耐用性、低電氣噪聲和高效率，目前電機(jī)最大效率達(dá)到91%?？招谋姍C(jī)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(jī)系列

來源：鼎智科技官網(wǎng)

目前，鼎智科技根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)難點，具備空心杯電機(jī)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(jī)電

??? 深圳市兆威機(jī)電股份有限公司（以下簡稱“兆威”）成立于2001年，是一家集設(shè)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(jī)

來源：兆威機(jī)電官網(wǎng)

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

圖|6mm空心杯電機(jī)參數(shù)

來源：兆威機(jī)電官網(wǎng)

圖|行星減速箱（高性能版）

來源：兆威機(jī)電官網(wǎng)

兆威機(jī)電齒輪箱直徑φ3.4mm-φ38mm，齒輪箱減速比4-1708。

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

2.4、空心杯電機(jī)市場空間

在人形機(jī)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(jī)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(dá)到單臺機(jī)器人 22 只（左右手各11 只）的用量。

當(dāng)人形機(jī)器人的出貨量達(dá)到10萬臺時，單機(jī)空心杯電機(jī)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(jī)市場的28%左右；而當(dāng)人形機(jī)器人產(chǎn)品出貨量級達(dá)到百萬時，單臺空心杯電機(jī)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(jī)器人

因時機(jī)器人創(chuàng)立于2016年，是一家專注于微型精密運(yùn)動部件研發(fā)制造和伺服控制技術(shù)突破創(chuàng)新的高新技術(shù)企業(yè)。典型產(chǎn)品包括微型伺服電缸和機(jī)器人末端執(zhí)行器，在微小型、高精度和力控技術(shù)等方面具有獨(dú)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(jī)器人、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備等精密機(jī)電設(shè)備的核心運(yùn)動部件。其內(nèi)部集成了空心杯電機(jī)、精密減速器、絲杠傳動機(jī)構(gòu)、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(shù)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(jī)器人

表|伺服電缸分類

來源：因時機(jī)器人介紹、與非研究院整理

圖|微型伺服電缸

來源：因時機(jī)器人產(chǎn)品介紹

圖|仿人五指靈巧手

來源：因時機(jī)器人官網(wǎng)

仿人五指靈巧手采用創(chuàng)新型直線驅(qū)動設(shè)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(yùn)動關(guān)節(jié)，外形美觀且高度仿真，結(jié)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(fù)載能力，可以模擬人手實現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取操作。

仿人五指靈巧手尺寸圖

來源：因時機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人官網(wǎng)

因時機(jī)器人作為靈巧手頭部企業(yè)，將持續(xù)深耕微型伺服運(yùn)動控制領(lǐng)域，力求研制出更微小更精密的運(yùn)動控制零部件，為機(jī)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(wù)。

3.2、強(qiáng)腦科技有限公司

BrainCo強(qiáng)腦科技創(chuàng)立于2015年，是首家入選哈佛大學(xué)創(chuàng)新實驗室(Harvard Innovation Lab)的中國團(tuán)隊，致力于成為全球領(lǐng)先的非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)解決方案供應(yīng)商，在康復(fù)、大健康、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢。

圖|智能仿生手

來源：強(qiáng)腦科技官網(wǎng)

BrainRobotics智能仿生手，是一款腦機(jī)接口技術(shù)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(yùn)動意圖，并將運(yùn)動意圖轉(zhuǎn)化為智能仿生手的動作，從而做到靈巧智能，手隨心動。

圖|強(qiáng)腦科技仿生智能手動作

來源：強(qiáng)腦科技官網(wǎng)

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

3.3、思靈機(jī)器人

思靈機(jī)器人（Agile Robots）是一家全球領(lǐng)先的智能機(jī)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(jī)器人技術(shù)探索與創(chuàng)新，并拓展機(jī)器人在更多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

圖|仿人型五指智能靈巧手

來源：思靈機(jī)器人官網(wǎng)

表|仿人型五指智能靈巧手指標(biāo)

圖|靈巧手可實現(xiàn)動作

來源：思靈機(jī)器人官網(wǎng)

思靈機(jī)器人五指靈巧手是世界領(lǐng)先的高度集成化和模塊化的多指力控機(jī)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，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(yùn)動軌跡，得益于拇指的對掌性，五指靈巧手可以復(fù)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(jī)器人手與環(huán)境交互的柔順性。

3.4、藍(lán)胖子機(jī)器智能

深圳藍(lán)胖子機(jī)器智能有限公司成立于2014年，運(yùn)用計算機(jī)視覺、運(yùn)動規(guī)劃、自主導(dǎo)航、多機(jī)協(xié)作、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，為物料、快遞、電商、海港、空港、先進(jìn)制造等場景，提供包含上件、分揀、運(yùn)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(lán)胖子機(jī)器智能官網(wǎng)

??? 采用模塊化設(shè)計，有效解決多指靈巧手成本高、不易維護(hù)的痛點，可應(yīng)用于機(jī)器人靈巧手操作及多種類物品的復(fù)雜抓取場景。產(chǎn)品同時采用特殊的傳感器設(shè)計，結(jié)合多自由度配置，既能適應(yīng)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(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

表|方案參數(shù)

來源：藍(lán)胖子機(jī)器智能官網(wǎng)

表|產(chǎn)品特點

來源：藍(lán)胖子機(jī)器智能官網(wǎng)

四、總結(jié)

靈巧手技術(shù)壁壘較高，目前國外一些靈巧手技術(shù)先進(jìn)，但是設(shè)計難度大，零部件多， 所以價格很高，一般用于科研領(lǐng)域，如Shadow靈巧手報價約220萬元/只。用于假肢領(lǐng)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(qiáng)腦科技的BrainRobotics仿生靈巧手應(yīng)用領(lǐng)域是假肢行業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)版價格是10.8萬元/只。因時機(jī)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(guān)節(jié)數(shù)和相同的電機(jī)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(jìn)入特斯拉這樣的人形機(jī)器人本體生產(chǎn)商的供應(yīng)鏈。隨著國內(nèi)人形機(jī)器人優(yōu)必選、小米、智元等人形機(jī)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。