人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析——空心杯與靈巧手

人類(lèi)正常的工作與生活離不開(kāi)雙手的活動(dòng)。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(jì)的各種工具和儀器，一個(gè)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(méi)有靈巧手，那么人形機(jī)器人幾乎沒(méi)有用，因?yàn)樗鼪](méi)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(guó)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(jiǎn)介

1.1、人手基本功能

人手的運(yùn)動(dòng)涉及相當(dāng)高的靈活性水平，能做出各種各樣的動(dòng)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(dòng)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(lái)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(dòng)，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(gè)執(zhí)行器，11個(gè)自由度，可抓起20磅重量。利用仿生學(xué)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，在靈巧手結(jié)構(gòu)上，特斯拉采用彈簧負(fù)載設(shè)計(jì)方案。從內(nèi)部構(gòu)成看，每個(gè)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(dòng)機(jī)器人精確抓住小而薄的物體。

圖|Optimus單手6個(gè)執(zhí)行器、11個(gè)自由度，可抓起20磅重量

來(lái)源：特斯拉發(fā)布會(huì)

1.3、靈巧手結(jié)構(gòu)

圖|人形機(jī)器人靈巧手實(shí)物拆解圖

來(lái)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(lái)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(dòng)的關(guān)鍵。手指的驅(qū)動(dòng)來(lái)自空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)行星減速器施加反向作用力，通過(guò)鉸鏈等連接拉動(dòng)手指關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到線性運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)施加正向或反向的電壓，手指可以實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作，進(jìn)而握緊或者松開(kāi)物體。

二、國(guó)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(jiǎn)介

空心杯電機(jī)分為有刷和無(wú)刷兩種，有刷電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，無(wú)刷電機(jī)（又稱無(wú)刷無(wú)齒槽電機(jī)）定子無(wú)鐵芯。可以看出兩種電機(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(lái)完成換向，無(wú)刷空心杯電機(jī)沒(méi)有這種物理結(jié)構(gòu)，線圈導(dǎo)線直接連接到控制器，通過(guò)處理連接板上的霍爾反饋的位置信號(hào)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(wú)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(lái)源：鳴志電器官網(wǎng)

公司目前開(kāi)發(fā)出了φ13mm、φ16mm、φ22mm機(jī)座尺寸的無(wú)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(xiàng)。

來(lái)源：鳴志電器官網(wǎng)

在有刷空心杯產(chǎn)品領(lǐng)域，公司開(kāi)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(duì)比（無(wú)刷vs有刷）

來(lái)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(dòng)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(lái)得到迅速的發(fā)展，尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)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(dòng)控制，快速自動(dòng)調(diào)焦，高靈敏的記錄和檢測(cè)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人，仿生義肢等，空心杯電動(dòng)機(jī)能很好地滿足其技術(shù)要求。
2、對(duì)驅(qū)動(dòng)元件要求平穩(wěn)持久拖動(dòng)的產(chǎn)品。如各類(lèi)便攜式的儀器儀表，個(gè)人隨身裝備，野外作業(yè)的儀器設(shè)備，電動(dòng)車(chē)、玩具車(chē)、電動(dòng)牙刷等，同樣一組電源，供電時(shí)間可以延長(zhǎng)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(dòng)機(jī)重量輕，體積小，能耗低的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。

圖|空心杯電機(jī)應(yīng)用

來(lái)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(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)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(shí)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?？招谋姍C(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%。空心杯電機(jī)杯適用于需要快速動(dòng)作、功率較大的隨動(dòng)系統(tǒng)中。

圖|鼎智科技空心杯電機(jī)系列

來(lái)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(jì)，確定繞線原理，攻克了繞線工藝、繞線成型、線包固化等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，具備空心杯電機(jī)自動(dòng)化批產(chǎn)能力?，F(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(jiǎn)稱“兆威”）成立于2001年，是一家集設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造于一體的微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案解決商。

圖|無(wú)刷空心杯電機(jī)

來(lái)源：兆威機(jī)電官網(wǎng)

??? 兆威機(jī)電無(wú)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(lái)源：兆威機(jī)電官網(wǎng)

圖|行星減速箱（高性能版）

來(lái)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(dòng)領(lǐng)域出發(fā)，致力幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地。兆威機(jī)電基于對(duì)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(dòng)執(zhí)行等應(yīng)用，具有精度高、尺寸小、重量輕等特點(diǎn)。

2.4、空心杯電機(jī)市場(chǎng)空間

在人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈不斷發(fā)展的過(guò)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(tái)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(lái)方案中為了實(shí)現(xiàn)更加靈巧的雙手，達(dá)到單臺(tái)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(wàn)臺(tái)時(shí)，單機(jī)空心杯電機(jī)的價(jià)值量大約14400元，帶來(lái)的增量市場(chǎng)空間已經(jīng)有14.4億，增加了原本空心杯電機(jī)市場(chǎng)的28%左右；而當(dāng)人形機(jī)器人產(chǎn)品出貨量級(jí)達(dá)到百萬(wàn)時(shí)，單臺(tái)空心杯電機(jī)的價(jià)值量分別為10080元、帶來(lái)的增量市場(chǎng)空間約為101億元。

三、國(guó)內(nèi)靈巧手企業(yè)簡(jiǎn)介

3.1、因時(shí)機(jī)器人

因時(shí)機(jī)器人創(chuàng)立于2016年，是一家專注于微型精密運(yùn)動(dòng)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(shì)。

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(dòng)部件。其內(nèi)部集成了空心杯電機(jī)、精密減速器、絲杠傳動(dòng)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)行程范圍內(nèi)任意位置精確伺服控制。內(nèi)置絕對(duì)位置傳感器，斷電后不會(huì)丟失位置信息，無(wú)需找零位。

圖|微型伺服電缸

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人

表|伺服電缸分類(lèi)

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人介紹、與非研究院整理

圖|微型伺服電缸

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人產(chǎn)品介紹

圖|仿人五指靈巧手

來(lái)源：因時(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了6個(gè)力控微型伺服電缸。單手 具有6個(gè)自由度和12個(gè)運(yùn)動(dòng)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(jí)定位精度和數(shù)千克的負(fù)載能力，可以模擬人手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取操作。

仿人五指靈巧手尺寸圖

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人官網(wǎng)

因時(shí)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(shì)交互等場(chǎng)景。支持ROS，可提供ROS插件。

圖|因時(shí)RH56BFX系列靈巧手參數(shù)

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人官網(wǎng)

因時(shí)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(shí)RH56DFX系列靈巧手參數(shù)

來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人官網(wǎng)

因時(shí)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(dòng)控制領(lǐng)域，力求研制出更微小更精密的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室(Harvard Innovation Lab)的中國(guó)團(tuán)隊(duì)，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(shì)。

圖|智能仿生手

來(lái)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(guò)檢測(cè)佩戴者的神經(jīng)電和肌肉電信號(hào)，識(shí)別佩戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，并將運(yùn)動(dòng)意圖轉(zhuǎn)化為智能仿生手的動(dòng)作，從而做到靈巧智能，手隨心動(dòng)。

圖|強(qiáng)腦科技仿生智能手動(dòng)作

來(lái)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(guò)采集解析使用者的神經(jīng)信號(hào)，無(wú)需手術(shù)埋入電極，也可以精確控制每根手指的運(yùn)動(dòng)速度和位置，完成各種交互姿勢(shì)。目前，該技術(shù)多用于假肢行業(yè)康復(fù)領(lǐng)域，未來(lái)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(guó)慕尼黑、中國(guó)北京設(shè)立雙總部，以德國(guó)宇航中心為技術(shù)依托，致力于推動(dòng)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(lái)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(shí)現(xiàn)動(dòng)作

來(lái)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(gè)模塊化的多關(guān)節(jié)手指和1個(gè)具有主動(dòng)對(duì)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(gè)手指均具有仿人型的運(yùn)動(dòng)軌跡，得益于拇指的對(duì)掌性，五指靈巧手可以復(fù)現(xiàn)多種人手的抓取類(lèi)型。5 個(gè)手指均集成有力傳感器和位置傳感器等，可實(shí)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(jì)算機(jī)視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(lái)源：藍(lán)胖子機(jī)器智能官網(wǎng)

??? 采用模塊化設(shè)計(jì)，有效解決多指靈巧手成本高、不易維護(hù)的痛點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)器人靈巧手操作及多種類(lèi)物品的復(fù)雜抓取場(chǎng)景。產(chǎn)品同時(shí)采用特殊的傳感器設(shè)計(jì)，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(lái)源：藍(lán)胖子機(jī)器智能官網(wǎng)

表|產(chǎn)品特點(diǎn)

來(lái)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(guó)外一些靈巧手技術(shù)先進(jìn)，但是設(shè)計(jì)難度大，零部件多， 所以價(jià)格很高，一般用于科研領(lǐng)域，如Shadow靈巧手報(bào)價(jià)約220萬(wàn)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(jià)格也相對(duì)較低，如德國(guó)的Bebionic仿生靈巧手價(jià)格至少32萬(wàn)元/只。國(guó)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(jià)格是10.8萬(wàn)元/只。因時(shí)機(jī)器人是國(guó)內(nèi)商業(yè)級(jí)五指靈巧手的龍頭企業(yè)，因時(shí)靈巧手與特斯拉靈巧手有著類(lèi)似的關(guān)節(jié)數(shù)和相同的電機(jī)數(shù)目，現(xiàn)在價(jià)格為5萬(wàn)元/只。

目前，國(guó)內(nèi)外靈巧手行業(yè)尚處于早期階段。國(guó)內(nèi)靈巧手生產(chǎn)商有望憑借降本優(yōu)勢(shì)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(guó)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(lái)出貨量將逐步提高，也必將帶動(dòng)靈巧手行業(yè)快速發(fā)展。