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。