一只“手”，難倒人形機(jī)器人

作者 |??程茜,編輯?|??心緣

能賣220萬(wàn)的“手”，卡住了人形機(jī)器人的脖子。

智東西10月31日?qǐng)?bào)道，就在昨天，波士頓動(dòng)力放出了人形機(jī)器人Atlas在工廠已經(jīng)上崗就業(yè)的視頻。視頻中的Atlas可以自主在兩個(gè)地點(diǎn)移動(dòng)，將汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋放到準(zhǔn)確的位置。

還有前不久的特斯拉數(shù)十臺(tái)擎天柱（Optimus）機(jī)器人，也展現(xiàn)出超強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制能力。它們?cè)诎l(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)與觀眾親切交談，說話時(shí)伴隨著手部動(dòng)作，還能倒飲料、提袋子、遞送。

上述兩個(gè)場(chǎng)景中，人形機(jī)器人下肢的移動(dòng)能力和穩(wěn)定性已經(jīng)基本可以應(yīng)對(duì)各種環(huán)境，能讓其搬運(yùn)重物、遞飲料或者疊衣服、擰螺絲的關(guān)鍵就是機(jī)器人最末端的靈巧手，這也是機(jī)器人研發(fā)最難的一環(huán)。

當(dāng)下，評(píng)判靈巧手性能的最重要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是自由度，目前市面上靈巧手的自由度在6-42個(gè)之間，其中以6個(gè)自由度為主流，這也導(dǎo)致相比于人手的27個(gè)自由度，當(dāng)下人形機(jī)器人的精細(xì)化操作能力欠缺。但自由度又與靈巧手成本相關(guān)。英國(guó)仿生靈巧手老牌企業(yè)Shadow Robot的Shadow靈巧手系列自由度已經(jīng)達(dá)到24個(gè)，擁有超100個(gè)傳感器，但售價(jià)達(dá)到100萬(wàn)~220萬(wàn)元，價(jià)格甚至比馬斯克預(yù)計(jì)的人形機(jī)器人本體價(jià)格高10倍，馬斯克預(yù)計(jì)售價(jià)2萬(wàn)~3萬(wàn)美元（折合約14～21萬(wàn)人民幣）。

現(xiàn)在人行機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展逐漸細(xì)分，從整機(jī)到專攻關(guān)鍵零部件的企業(yè)涌現(xiàn)，靈巧手就是近年來(lái)興起的人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中非常關(guān)鍵的一類產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分方向。國(guó)內(nèi)靈巧手產(chǎn)業(yè)中有靈巧手企業(yè)/創(chuàng)企、人形機(jī)器人創(chuàng)企、高校與科研機(jī)構(gòu)三類企業(yè)，正試圖找到其性能和成本的平衡點(diǎn)。目前已公開售價(jià)的產(chǎn)品價(jià)格在0.99萬(wàn)元~11萬(wàn)元不等，其中一個(gè)代表性企業(yè)就是靈巧手創(chuàng)企靈心巧手，據(jù)了解，該公司的靈巧手自由度目前已經(jīng)達(dá)到業(yè)界最高42個(gè)，其公開售賣的20個(gè)主動(dòng)自由度靈巧手價(jià)格僅為4.99萬(wàn)元。

不過，這對(duì)于人形機(jī)器人的商業(yè)化落地而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。想要達(dá)到類比人類的靈巧手性能，還需要更多傳感器獲取數(shù)據(jù)作為執(zhí)行任務(wù)的依據(jù)。還有讓其實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的難題在于，靈巧手采用的電機(jī)等核心零部件價(jià)格高，使得單個(gè)靈巧手內(nèi)電機(jī)成本在2.6萬(wàn)~6.5萬(wàn)元之間；以及其內(nèi)部核心零部件在性能、輕量化和成本之間的平衡。智東西試圖深入靈巧手市場(chǎng)，找到人形機(jī)器人商業(yè)化落地的突破口。

01.人形機(jī)器人“心靈手巧”關(guān)鍵占整機(jī)成本14%

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授、智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任孫富春曾提到：“機(jī)器人是自動(dòng)化的‘最后一公里’，靈巧手是機(jī)器人‘最后的一厘米’?！?/p>

靈巧手是模仿人手設(shè)計(jì)的高精度機(jī)械手，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的靈巧手大多采用三指設(shè)計(jì)，而人形機(jī)器人大多為五指。靈巧手是實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作的基礎(chǔ)，因?yàn)橐坏┢湫枰M(jìn)行精細(xì)裝配、拿取微小零件等，簡(jiǎn)單的抓夾、吸盤就無(wú)法做到。與人形態(tài)更相近的人形機(jī)器人，更是需要完成抓、握、捏、擰、旋轉(zhuǎn)等不同動(dòng)作，滿足多元化的場(chǎng)景需求。

因?yàn)殪`巧手的設(shè)計(jì)仿照人手，人體解剖學(xué)著作《格蘭特解剖學(xué)圖譜》中寫道，人手本體自由度為21個(gè)，加上手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度有27個(gè)。因此在自由度的分配上，靈巧手也仿照了人手。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)看，靈巧手需滿足兩個(gè)必要條件：在指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)使物體產(chǎn)生任意運(yùn)動(dòng)、指關(guān)節(jié)固定時(shí)能完全限制物體運(yùn)動(dòng)，所以在此基礎(chǔ)上，靈巧手需要至少3根手指、9個(gè)自由度。

目前，從形態(tài)來(lái)看，靈巧手主要有五指和三指兩種，也有人形機(jī)器人廠商選擇從二指、三指夾爪向靈巧手過渡，以滿足當(dāng)下機(jī)器人的應(yīng)用需求。從其自由度數(shù)量來(lái)看，正好處于6個(gè)-42個(gè)之間。

人形機(jī)器人的商業(yè)化落地方面，靈巧手的重要性也不容忽視。雖然體積并不大，但其成本占到人形機(jī)器人整體成本的14%~18%。摩根士丹利的數(shù)據(jù)顯示，特斯拉第二代人形機(jī)器人擎天柱靈巧手占比達(dá)到17.3%，以其整機(jī)成本5萬(wàn)~6萬(wàn)美元（折合約35萬(wàn)～43萬(wàn)人民幣）計(jì)算，靈巧手的成本在8650美元~10380美元（折合約6萬(wàn)～7.3萬(wàn)人民幣）之間。

靈巧手是機(jī)器人與外界交互時(shí)獲得觸覺反饋的關(guān)鍵。靈巧手上搭載的觸覺傳感器、力傳感器，可以幫助機(jī)器人感受物體的形狀、大小、硬度、溫度等，而不是僅通過視覺交互。

一個(gè)典型的靈巧手系統(tǒng)的關(guān)鍵部分包括驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、傳感器和控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)將這些動(dòng)力轉(zhuǎn)換為手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，然后觸覺系統(tǒng)用于感知手部與外界物體的接觸狀態(tài)和力度，控制系統(tǒng)是通過算法和軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

這一波人形機(jī)器人熱潮催化下，作為其關(guān)鍵部件之一的靈巧手，原先多用于科研、假肢等領(lǐng)域的靈巧手，以及在單獨(dú)做靈巧手的企業(yè)之外，衍生出人形機(jī)器人賽道的產(chǎn)業(yè)玩家。

02.三類企業(yè)、機(jī)構(gòu)競(jìng)逐國(guó)產(chǎn)靈巧手售價(jià)降到低于萬(wàn)元

當(dāng)下在這一賽道角逐的共有三類企業(yè)、機(jī)構(gòu)：人形機(jī)器人創(chuàng)企、靈巧手創(chuàng)企、科研機(jī)構(gòu)。其中，非人形機(jī)器人玩家的靈巧手產(chǎn)品均為公開售賣，科研機(jī)構(gòu)以技術(shù)研發(fā)為主，人形機(jī)器人創(chuàng)企又分為僅自研以及同時(shí)支撐自研、單獨(dú)售賣的。

1、靈巧手企業(yè)/創(chuàng)企：最低售價(jià)不到萬(wàn)元，最高自由度可達(dá)42個(gè)

國(guó)內(nèi)專門做靈巧手的企業(yè)/創(chuàng)企中，目前已公開售價(jià)的產(chǎn)品價(jià)格在0.99萬(wàn)元~11萬(wàn)元不等。

其中，因時(shí)機(jī)器人、強(qiáng)腦科技、傲意科技等玩家的靈巧手均有6個(gè)自由度，大多只能完成手指向內(nèi)抓取物體的動(dòng)作，手指左右晃動(dòng)等動(dòng)作無(wú)法完成。因時(shí)機(jī)器人市場(chǎng)總監(jiān)房海南談道，其靈巧手自由度為6個(gè)，是綜合靈巧手成本、可靠穩(wěn)定性、綜合量產(chǎn)能力、抓取效果來(lái)綜合選擇的方案。這也是當(dāng)下產(chǎn)業(yè)中大家都選擇6個(gè)自由度的原因，可以基本上完成人手的60%~70%的抓取任務(wù)。

據(jù)房海南在2024科技創(chuàng)變者大會(huì)上透露，截至今年8月，因時(shí)機(jī)器人的靈巧手累計(jì)出貨量已經(jīng)達(dá)到幾千臺(tái)，其中人形機(jī)器人的靈巧手銷售額已經(jīng)達(dá)到一半以上。與大多數(shù)玩家的靈巧手不同，靈心巧手的LinkerHand系列靈巧手主動(dòng)自由度在12~42個(gè)之間，單指為2~7個(gè)。靈心巧手聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO周永認(rèn)為，靈巧手需要達(dá)到20個(gè)以上的自由度才能完全映射人類動(dòng)作，多傳感器需要能夠感知到位、力、觸、摸。

該公司SE版的靈巧手是目前國(guó)內(nèi)靈巧手唯一價(jià)格在萬(wàn)元之下的，不過該公司并未公布其具體參數(shù)；Pro版的主動(dòng)自由度為20個(gè)，售價(jià)4.99萬(wàn)元。此外，其系列產(chǎn)品還實(shí)現(xiàn)了360度自由旋轉(zhuǎn)，并配備了指尖攝像頭、觸覺傳感器、位置傳感器、力傳感器等多傳感器系統(tǒng)。

▲單獨(dú)售賣靈巧手的企業(yè)/創(chuàng)企（整理自公開信息，智東西制表）

2、人形機(jī)器人創(chuàng)企：多為支撐本體自研，僅兩家單獨(dú)售賣

這類企業(yè)中公開售賣靈巧手的玩家有鈦虎機(jī)器人、帕西尼感知兩家。

鈦虎機(jī)器人的靈巧手單只價(jià)格在2萬(wàn)元左右，不過如果要增加更多傳感器，售價(jià)可能會(huì)提升至3萬(wàn)~4萬(wàn)元之間。其靈巧手有6個(gè)自由度，每個(gè)手指都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其中大拇指能進(jìn)行兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其靈巧手與鈦虎機(jī)器人的人形機(jī)器人系列手部自由度一致。

與其他廠商不同，帕西尼感知的靈巧手更注重多維觸覺傳感，其第二代靈巧手DexH13擁有13個(gè)自由度，單手擁有978個(gè)ITPU多維觸覺傳感單元，15種多維觸覺感知能力。

第二代多維觸覺人形機(jī)器人ORA-ONE雙手集成近2000個(gè)自研的ITPU多維觸覺傳感單元，能瞬間捕捉并解析接觸面上細(xì)微形變與多維度觸感信息，其靈巧手自由度已經(jīng)提升至26個(gè)。

其余人形機(jī)器人創(chuàng)企自研的靈巧手自由度大多為6個(gè)、12個(gè)，且僅用于支撐自家人形機(jī)器人研發(fā)。

▲人形機(jī)器人創(chuàng)企靈巧手研發(fā)、價(jià)格梳理（整理自公開信息，智東西制表）

全球爆火的特斯拉擎天柱靈巧手自由度也是如此。特斯拉去年年底發(fā)布的第二代擎天柱的靈巧手擁有11個(gè)自由度，10月11日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克透露，其下一代Optimus的手將擁有22個(gè)自由度。其余OpenAI大模型加持的Figure 01與波士頓動(dòng)力的Atlas目前并沒有公開自家機(jī)器人靈巧手的自由度；小米鐵大的手為雙指抓夾，只能夾取物體。

3、科研機(jī)構(gòu)、高校：專注于提升自由度、負(fù)載能力

除此以外，還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)AI智能研究員智能機(jī)器人、騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)和高校，專注于靈巧手的研發(fā)。

其中，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的神經(jīng)擬態(tài)靈巧手機(jī)器人CasiaHand，具有25關(guān)節(jié)自由度、21驅(qū)動(dòng)自由度，還包括五個(gè)手指、掌部和腕部，仿人筋腱驅(qū)動(dòng)方式，指尖仿人觸覺感知能力，位置、力、觸覺、溫度多模態(tài)傳感93個(gè)。

此外，其研發(fā)重點(diǎn)還有靈巧手的負(fù)載能力，目前市面上單個(gè)靈巧手的負(fù)載集中于3kg~5kg，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出負(fù)載7kg的版本，下一步計(jì)劃將負(fù)載提升到15kg以上。

▲高校、科研機(jī)構(gòu)靈巧手研發(fā)情況（整理自公開信息，智東西制表）

可以看出，這些研究機(jī)構(gòu)對(duì)于靈巧手的研發(fā)，多集中在自由度提升、傳感器數(shù)量、負(fù)載能力方面。

03.靈巧手瓶頸：?jiǎn)问挚招谋姍C(jī)成本6.5萬(wàn)一只手塞上百個(gè)傳感器

20世紀(jì)70年代末，工業(yè)自動(dòng)化需求增長(zhǎng)，靈巧手的概念出現(xiàn)。

早期，靈巧手發(fā)展的典型代表就是日本“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”的Okada靈巧手，其拇指有3個(gè)自由度，另外2個(gè)手指各4個(gè)自由度；美國(guó)斯坦福大學(xué)的Stanford/JPL靈巧手，也是擁有3個(gè)手指，每個(gè)各有3自由度；美國(guó)麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)研制的Utah/MIT靈巧手有4個(gè)手指，每個(gè)4個(gè)自由度。

發(fā)展至今，這一產(chǎn)業(yè)有幾大明顯的趨勢(shì)。除了自由度提升外，靈巧手搭載的傳感器數(shù)量翻番，驅(qū)動(dòng)方式選擇上除性能外會(huì)兼顧商業(yè)化等。

首先其搭載的傳感器數(shù)量翻番。20世紀(jì)末，產(chǎn)業(yè)開始關(guān)注靈巧手的感知能力進(jìn)階，當(dāng)時(shí)德國(guó)宇航中心研發(fā)的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ靈巧手共集成了25個(gè)傳感器，現(xiàn)在靈巧手的傳感器數(shù)量已經(jīng)達(dá)到近百個(gè)。傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)就是控制算法進(jìn)行決策的依據(jù)。戴盟機(jī)器人首席科學(xué)家王煜教授說，靈巧手接觸到物體時(shí)的反饋是非常重要，沒有主動(dòng)的反饋就沒有靈巧操作，靈巧手的發(fā)展就卡在這里。

因此要讓靈巧手收集到更多的高質(zhì)量數(shù)據(jù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)就有兩大方面，一是傳感器數(shù)量增加對(duì)應(yīng)著靈巧手的成本增加，二是面對(duì)大量數(shù)據(jù)，控制算法處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)響應(yīng)速度會(huì)變慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效控制。

其次，當(dāng)下單價(jià)較高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為靈巧手的主流技術(shù)方向。除了性能優(yōu)勢(shì)外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)較為成熟，相關(guān)零部件和控制系統(tǒng)已經(jīng)形成一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃，便于進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。

靈巧手內(nèi)部空心杯電機(jī)數(shù)量不斷提升，但單個(gè)空心杯電機(jī)的價(jià)格并不低。國(guó)外驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商Maxon的空心杯電機(jī)單價(jià)為4675元，愛采購(gòu)頁(yè)面顯示，國(guó)內(nèi)兆威機(jī)電空心杯電機(jī)的單價(jià)在2000元左右。

一般情況下，靈巧手的自由度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)應(yīng)，如果折中計(jì)算，假設(shè)單個(gè)靈巧手的自由度為13，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要13個(gè)，成本已經(jīng)達(dá)到2.6萬(wàn)~6.5萬(wàn)元之間。

這一市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外巨頭所壟斷，不過目前國(guó)內(nèi)鳴志電器、偉創(chuàng)電氣、雷賽智能、兆威機(jī)電等企業(yè)也推出了空心杯電機(jī)相關(guān)產(chǎn)品，其中，偉創(chuàng)電氣在回復(fù)投資者問時(shí)透露，該公司在空心杯電機(jī)產(chǎn)品方面可以提供完整的模組解決方案，適用于靈巧手10mm的空心杯電機(jī)模組正在推向市場(chǎng)，已經(jīng)取得小批量訂單。不過，整體來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)等要求更加嚴(yán)格的人形機(jī)器人應(yīng)用，其性能距離頭部玩家仍有一定差距。

第三，這些趨勢(shì)都顯示靈巧手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量越來(lái)越多、機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸精密，但還有一大前提是其本身體積并不大，如何平衡零部件數(shù)量、性能與小型化、輕量化之間的關(guān)系，也是這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。

上個(gè)月，Shadow Robot總監(jiān)里奇·沃克（Rich Walker）曾在接受《衛(wèi)報(bào)》采訪時(shí)談道，機(jī)器人靈巧性的挑戰(zhàn)之一就是體積。Shadow靈巧手的大小與人的手掌相當(dāng)，有四根手指和一根拇指，但其需要連在比人類手臂寬得多的機(jī)械臂上，用以承載電纜、執(zhí)行器等諸多部件。

這是因?yàn)殪`巧手想要達(dá)到人手的操作水平，需要安裝多個(gè)關(guān)節(jié)、傳感器、傳動(dòng)裝置等。其中電機(jī)數(shù)量要與關(guān)節(jié)數(shù)量一致，才能達(dá)到全驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧手的精準(zhǔn)控制。

目前一些企業(yè)為了控制靈巧手內(nèi)部的電機(jī)數(shù)量，會(huì)同時(shí)采用全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)方式，欠驅(qū)動(dòng)指的就是沒有提供對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，而是基于其它外部力量驅(qū)動(dòng)。但欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)能力較差，需要更加準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型和控制算法，這也增加了靈巧手運(yùn)動(dòng)過程的風(fēng)險(xiǎn)。

最后還有諸如關(guān)節(jié)耐久性、重量等，是之后人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，走進(jìn)真實(shí)落地場(chǎng)景過程中需要一直考量的難題。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)誕生了專門做靈巧手的玩家，并且已經(jīng)擁有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)下可匹配人形機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。

04.結(jié)語(yǔ)：人形機(jī)器人落地前夜靈巧手迎千億市場(chǎng)

從當(dāng)下人形機(jī)器人市場(chǎng)的發(fā)展來(lái)看，其在下肢能力的進(jìn)展飛速，諸如跑跳、走路等都有了較大突破，但對(duì)上肢而言，其靈巧手不僅是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作的關(guān)鍵，同時(shí)也是讓人形機(jī)器人降本，真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的關(guān)鍵。市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)頭豹研究院的報(bào)告顯示，根據(jù)特斯拉預(yù)測(cè)，人形機(jī)器人將于3-5年達(dá)成量產(chǎn)，量產(chǎn)后，靈巧手市場(chǎng)將爆發(fā)式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2030年將突破800億元。

具體而言，從材料、核心電機(jī)到傳感器、雷達(dá)等感知系統(tǒng)，靈巧手都需要技術(shù)創(chuàng)新和成本控制。但宏觀來(lái)看，這些零部件和系統(tǒng)在人形機(jī)器人的其他部件上也有應(yīng)用，因此這同樣可以帶動(dòng)整個(gè)人形機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。

參考資料：小米技術(shù)公眾號(hào)《機(jī)器人中的“百達(dá)翡麗” — 五指精密仿生靈巧手技術(shù)淺析》