當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月28日，特斯拉公布了人形機(jī)器人新手臂的進(jìn)展，手上增加至22個(gè)自由度，腕部/前臂有 3 個(gè)自由度。
靈巧手是特斯拉人形機(jī)器人最引人注目的環(huán)節(jié)之一，未來(lái)高自由度的靈巧手有望成為產(chǎn)業(yè)大趨勢(shì)。
當(dāng)前全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要技術(shù)進(jìn)步主要觀察特斯拉等海外巨頭進(jìn)展。
特斯拉人形機(jī)器人Optimus作為全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的標(biāo)桿，其產(chǎn)品路線的每一次技術(shù)迭代都值得重點(diǎn)關(guān)注。在之前的文章中，我們梳理過(guò)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈，人形機(jī)器人三大核心零部件，本文重點(diǎn)梳理人形機(jī)器人靈巧手的核心硬件相關(guān)環(huán)節(jié)。01
人形機(jī)器人靈巧手概覽
靈巧手是人形機(jī)器人抓取物體的重要工具，特斯拉Optimus靈巧手價(jià)值量占比量高達(dá)14%。靈巧手的技術(shù)路線和配置方案直接決定了機(jī)器人在實(shí)際操作過(guò)程中的表現(xiàn)。當(dāng)前隨著人形機(jī)器人加速商業(yè)化落地，各家人形機(jī)器人廠商對(duì)靈巧手的方案選擇尤為關(guān)注。特斯拉 Optimus的技術(shù)方案有望成為各家廠商參考的首選。特斯拉人形機(jī)器人Optimus 的機(jī)械手部分經(jīng)過(guò)了幾代的更迭。從最開(kāi)始初代的“6 主動(dòng) 自由度+5 驅(qū)動(dòng)自由度”，到 Gen2的11 主動(dòng)自由度并增加指腹的觸覺(jué)傳感器。特斯拉此次更新的手臂22個(gè)自由度分別為5根手指單手指各4個(gè)自由度+腕部2個(gè)自動(dòng)度，最大程度地模仿了人類手指最下方關(guān)節(jié)超過(guò)1自由度的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)近乎于真人的手部動(dòng)作。特斯拉表示，今年年底前的任務(wù)包括集成更廣的觸覺(jué)感應(yīng)覆蓋、更精細(xì)的肌腱控制，以及減輕前臂重量。根據(jù)行行查數(shù)據(jù)，2023年全球機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)規(guī)模達(dá)15億美元，2030年將突破30億美元，CAGR約10.3%。
人形機(jī)器人靈巧手核心零部件
從結(jié)構(gòu)來(lái)看，靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心三要素是驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、傳感。價(jià)值量最高的零部件為空心杯電機(jī)、絲杠、減速器、觸覺(jué)傳感器等環(huán)節(jié)。一、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)
驅(qū)動(dòng)主要是提供運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出。當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前主流的靈巧手驅(qū)動(dòng)方式，不同電機(jī)的重量會(huì)因功率、材料和尺寸的不同而有所不同。由于第三代靈巧手自由度增加，所需電機(jī)數(shù)量增加。特斯拉第三代靈巧手由于相比于第二代的變化手部增加了自由 度，從而對(duì)應(yīng)的電機(jī)數(shù)量將可能從原本的 6 個(gè)提升到 13-17 個(gè)；驅(qū)動(dòng)器搭載位置從手掌改為手腕部位。空心杯電機(jī)是人形機(jī)器人占比較高的零部件環(huán)節(jié)。采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，其電樞繞組為空心杯線圈，是一個(gè)空心的杯狀結(jié)構(gòu)。在原材料中，空心杯電機(jī)的永磁材料以高端釹鐵硼(第三代稀土永磁)為主。由于人形機(jī)器人手指關(guān)節(jié)自由度提升，考慮到人形機(jī)器人的仿真性，其手指關(guān)節(jié)處需要配備體積小且能輸出較大力的電機(jī)，空心杯電機(jī)具備較強(qiáng)契合度。空心杯電機(jī)核心技術(shù)壁壘包括線圈設(shè)計(jì)、繞線工藝以及繞線設(shè)備。競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，海外品牌占據(jù)高端市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。全球空心杯電機(jī)CR5為67%，前五名企業(yè)包括 Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及 Nidec Copal Corporation。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不斷加速國(guó)產(chǎn)替代。根據(jù)公開(kāi)信息，國(guó)內(nèi)廠商鳴志電器、鼎智科技、拓邦股份、兆威機(jī)電、偉創(chuàng)電氣、禾川科技、萬(wàn)至達(dá)等加速產(chǎn)業(yè)布局空心杯電機(jī)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)空心杯電機(jī)主要廠商概況：
傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到所需的位置。傳動(dòng)上，腱繩+蝸輪蝸桿是特斯拉第一代方案，隨著行業(yè)手部靈巧手絲杠的日漸成熟，疊加特斯拉提升單手承載力的需求，手部采用絲杠進(jìn)行傳動(dòng)成為一種發(fā)展方向。
絲杠在人形機(jī)器人中，不同類型的絲杠發(fā)揮著重要作用。根據(jù)摩擦特性的不同，絲杠可以分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠以及靜壓絲杠三類。國(guó)內(nèi)絲杠廠商布局方面，新劍傳動(dòng)已建成國(guó)內(nèi)首條行星滾柱絲杠產(chǎn)線；北特科技推進(jìn)人形機(jī)器人絲杠產(chǎn)品的規(guī)模化產(chǎn)線建設(shè)；五洲新春以核心技術(shù)為關(guān)聯(lián)，積極向機(jī)器人執(zhí)行器核心零部件等方面轉(zhuǎn)型，目前已完成了相關(guān)絲杠產(chǎn)品的持續(xù)送樣和改進(jìn)；貝斯特、恒立液壓、新坐標(biāo)、斯菱股份等在絲杠端也有所布局。國(guó)內(nèi)行星滾柱絲杠已有一定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，如南京工藝、博特精工、新劍智能等廠商已能夠小規(guī)模生產(chǎn)行星滾柱絲杠。
減速器連接動(dòng)力源（如電機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如機(jī)器人的關(guān)節(jié)），確保機(jī)器人能夠在理想的速度范圍內(nèi)運(yùn)行。在人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，如肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等，減速器被廣泛應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)精確的傳動(dòng)和控制。諧波減速器因其體積小、重量輕、傳動(dòng)比大等特點(diǎn)，常被用于這些需要精細(xì)操作的部位。但是由于諧波的價(jià)格偏貴，因此在大部分的廠商選型中，行星齒輪箱也有望成為諧波替代方案。全球市場(chǎng)格局方面，日系龍頭哈默納科壟斷諧波減速器市場(chǎng)，全球份額超 80%。我國(guó)諧波減速器市場(chǎng)較為集中，前五大廠商出貨量占比超六成。綠的諧波引領(lǐng)國(guó)產(chǎn)替代，來(lái)福諧波、同川科技、大族精密等企業(yè)也加快市場(chǎng)布局。全球精密行星減速器市場(chǎng)主要被少數(shù)幾家企業(yè)所占據(jù)。德國(guó)企業(yè)處于領(lǐng)先地位，如紐卡特、威騰斯坦、賽威傳動(dòng)等，其他競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的還有日本企業(yè)，例如新寶、住友和電產(chǎn)等。國(guó)內(nèi)行星減速器主要布局廠商有科峰智能、中大力德、新時(shí)達(dá)、寧波東力等。此外，RV減速器能夠?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需的速度和力矩，同時(shí)大幅減少運(yùn)動(dòng)中的誤差，提高人形機(jī)器人的操作精度。RV減速器市場(chǎng)格局相對(duì)集中，兩大龍頭占據(jù)超過(guò)一半市場(chǎng)份額。2023 年全球龍頭納博特斯克和雙環(huán)傳動(dòng)市場(chǎng)份額合計(jì)超過(guò) 60%。國(guó)產(chǎn) RV 減速器已實(shí)現(xiàn)初步的國(guó)產(chǎn)替代，除雙環(huán)傳動(dòng)外，珠海飛馬、智同科技、中大力德、南通振康、秦川機(jī)床、六環(huán)傳動(dòng)等也是該領(lǐng)域具有實(shí)力的廠商。
傳感是對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部和外部環(huán)境做出相應(yīng)的反饋。應(yīng)用于靈巧手的傳感器主要分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要反饋靈巧手的姿態(tài)信息，分為運(yùn)動(dòng)傳感器和力/力矩傳感器，可提供靈巧手的關(guān)節(jié)角度信息、位置信息和動(dòng)態(tài)信息，對(duì)靈巧手的靈活、穩(wěn)定抓取至關(guān)重要。外部傳感器包括接近覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器，主要感知目標(biāo)物體的位置、受力等信息，這些信息對(duì)于提高靈巧手的操作成功率較為關(guān)鍵。靈巧的機(jī)器人手至少需要一組力和位置傳感器，以實(shí)現(xiàn)自主操作和遠(yuǎn)程操作中的位置控制和阻抗控制等控制方案。
人形機(jī)器人的力覺(jué)主要有指、肢和關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人對(duì)受力的感知。六維力傳感器是維度最高的力覺(jué)傳感器，能夠提供最高維度的力覺(jué)信息，并給出最為全面和精準(zhǔn)的力覺(jué)數(shù)據(jù)。由于技術(shù)壁壘較高，具備批量化產(chǎn)品供應(yīng)能力的廠商仍十分有限。六維力矩傳感器品牌以歐美、日韓為主（ATI為行業(yè)龍頭）。根據(jù)公開(kāi)資料，國(guó)內(nèi)相關(guān)布局廠商包括宇立儀器、坤維科技、鑫精誠(chéng)、藍(lán)點(diǎn)觸控、昊志機(jī)電、柯力傳感、東華測(cè)試、海伯森、瑞爾特等。
傳感器裝置上，觸覺(jué)傳感器是價(jià)值量較大的環(huán)節(jié)。觸覺(jué)傳感器目前處于發(fā)展早期，以Canatu、Sensel、Flexpoint等海外企業(yè)為主。根據(jù)公開(kāi)資料，國(guó)內(nèi)布局觸覺(jué)傳感器的公司有蘇州能斯達(dá)電子（漢威科技）、墨現(xiàn)科技、力感科技、瑞滸科技等、埔慧科技、帕西尼感知科技、韌和科技、他山科技、柔宇科技、宇博智能、常州福普生、上海澄科電子、常州柔希電子、柯力傳感等。
人形機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)格局
近年來(lái)國(guó)內(nèi)廠商也在加速靈巧手環(huán)節(jié)的布局。因時(shí)機(jī)器人是國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)靈巧手商業(yè)化量產(chǎn)的企業(yè)，也是第一家把靈巧手價(jià)格降到萬(wàn)元水平的企業(yè)。其產(chǎn)品包括仿人五指靈巧手RH56BFX、RH56DFX和FTP系列，其中FTP系列工業(yè)級(jí)觸覺(jué)感知仿人五指靈巧手可實(shí)時(shí)獲取各個(gè)部位的觸覺(jué)信息，有助于優(yōu)化手指抓握動(dòng)作，提高操作精細(xì)度。星動(dòng)紀(jì)元推出了自主研發(fā)的靈巧手Xhand，具有12個(gè)主動(dòng)自由度，采用全驅(qū)動(dòng)方案，指尖還配置觸覺(jué)傳感器。靈七智能推出了國(guó)產(chǎn)首款量產(chǎn)高自由度五指靈巧手—DexHand021。該設(shè)備擁有19個(gè)自由度及23個(gè)高精度傳感器，具備高可靠性與廣泛的兼容性，能夠高效實(shí)現(xiàn)人手33項(xiàng)功能動(dòng)作中的32項(xiàng)。傲意科技靈巧手ROHand是模擬人體手部運(yùn)動(dòng)的高靈敏度末端執(zhí)行裝置，由手掌、手腕、五個(gè)手指、電機(jī)、傳動(dòng)部件等部分組成。五個(gè)手指可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，在外部命令下可以做出不同的動(dòng)作。帕西尼感知科技靈巧手產(chǎn)品DexH13 GEN2是市場(chǎng)上首款融合多維觸覺(jué)與AI視覺(jué)雙模態(tài)能力的四指仿生靈巧手。雙手搭載世界上最多的1956顆專業(yè)級(jí)ITPU多維觸覺(jué)傳感器，并帶來(lái)驚人的7824路觸覺(jué)信號(hào)解析能力。兆威機(jī)電推出手指集成驅(qū)動(dòng)的高可靠靈巧手產(chǎn)品。整手通過(guò)兆威機(jī)電獨(dú)創(chuàng)的關(guān)節(jié)全集成動(dòng)力模 組及仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，配備17個(gè)主動(dòng)執(zhí)行單元，其中單指節(jié)擁有3個(gè)及以上主動(dòng)執(zhí)行單元，精準(zhǔn)模擬人手部的抓握等精細(xì)動(dòng)作，賦予機(jī)械手更好的靈活性與精確度。此外，兆威機(jī)電與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院達(dá)成深度合作，雙方成立了“靈巧手智能系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，專注于具備自主學(xué)能力的靈巧手智能系統(tǒng)研發(fā)。整體而言，靈巧手往更高自由度、高感知能力和低成本提升的方向發(fā)展乃是大勢(shì)所趨。未來(lái)在醫(yī)療、制造業(yè)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。樂(lè)晴智庫(kù)精選
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