人形機(jī)器人行業(yè)系列報告（二）：動力、傳動、傳感靈巧手分析框架與零部件選型

動力、傳動、傳感：靈巧手分析框架與零部件選型機(jī)器人多指靈巧手是一種高度靈活、復(fù)雜的末端執(zhí)行器，因其能夠模仿人手的各種靈巧抓持和復(fù)雜操作能力，得到持續(xù)的研發(fā)投入和廣泛關(guān)注。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前靈巧手實現(xiàn)成熟應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：航空航天、醫(yī)療假肢、工業(yè)及科研領(lǐng)域。靈活度設(shè)計：靈活度設(shè)計是一個取舍與平衡的過程，原因在于更多的靈活度意味著更強(qiáng)的功能性，但背后需要更多的驅(qū)動器與更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必然帶來魯棒性的下降。對于功能性的衡量，通常采用Cutkosky抓取分類法。多數(shù)高靈活度靈巧手需要面臨的一個任務(wù)是單關(guān)節(jié)雙自由度的實現(xiàn)，目前具有代表性的傳動形式有三種：（1）雙軸正交結(jié)構(gòu)；（2）球/孔結(jié)構(gòu)；（3）差動齒輪組。動力源：包括選擇動力源的種類、位置及數(shù)量，以及適配的減速器。目前電機(jī)驅(qū)動已成為主流驅(qū)動方式。電機(jī)類型包括直流無刷電機(jī)、無框力矩電機(jī)、空心杯有刷電機(jī)、空心杯無刷電機(jī)，減速器類型包括諧波減速器和行星減速器。傳動結(jié)構(gòu)：傳動系統(tǒng)的設(shè)計不僅決定了靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且直接影響到靈巧手的抓取穩(wěn)定性和靈活性。腱傳動對于空間狹小、傳動精密的靈巧手空間設(shè)計較為友好，關(guān)鍵在于腱繩材料的選擇；連桿、齒輪等傳動方式更為直接，但對空間、設(shè)計的要求較高。傳感系統(tǒng)：根據(jù)傳感器在機(jī)器人手中的布局和功能，可將傳感器分為兩類：內(nèi)在傳感器和外在傳感器。內(nèi)在傳感器反饋機(jī)器人本體的運動或動態(tài)信息，如手關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)扭矩和肌腱應(yīng)變，而外在傳感器感知外部環(huán)境，如壓力、力、溫度和平滑度。行業(yè)判斷：1）作為人形機(jī)器人與外界交互的重要媒介，靈巧手是機(jī)器人功能性的直接體現(xiàn)。這一方面決定了其在人形機(jī)器人體系中的重要地位，另一方面預(yù)示著五指靈巧手與人形機(jī)器人功能對應(yīng)，在硬件層面可選的方案數(shù)量將大于其他部位；2）五指靈巧手可以不依附于人形機(jī)器人而單獨存在，如機(jī)械臂、遠(yuǎn)程操作手套、假肢等，這決定了五指靈巧手的遠(yuǎn)期市場容量的進(jìn)一步擴(kuò)大；3）五指靈巧手作為一個功能單元，相較人形機(jī)器人其他部位，其自身零部件數(shù)量更多，硬件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要集合整手的運動控制、末端傳感、人機(jī)交互等，最終可能造成五指靈巧手環(huán)節(jié)的競爭更加多層次，也容易演化成為單獨環(huán)節(jié)。投資建議：1）動力源。建議關(guān)注：空心杯電機(jī)領(lǐng)域的鳴志電器、鼎智科技、偉創(chuàng)電氣、拓邦股份；直流無刷電機(jī)領(lǐng)域的德昌股份；無框力矩電機(jī)領(lǐng)域的步科股份；減速器環(huán)節(jié)：行星減速器建議關(guān)注中大力德、雙環(huán)傳動；諧波減速器建議關(guān)注綠的諧波；絲杠建議關(guān)注貝斯特；2）傳動結(jié)構(gòu)。主要集中在腱繩材料，建議關(guān)注鋼絲方案的大業(yè)股份，潛在超高分子量聚乙烯纖維材料受益標(biāo)的同益中、恒輝安防；3）傳感系統(tǒng)。建議關(guān)注：（一）六維力傳感器：柯力傳感、東華測試、八方股份二）觸覺傳感器：漢威科技、奧迪威三）身體平衡（IMU華依科技、芯動聯(lián)科。風(fēng)險分析1）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不及預(yù)期2）競爭加劇風(fēng)險3）核心技術(shù)進(jìn)步不及預(yù)期。16% 9% 3% -4%-10%12/2202/2304/2306/2308/23——電力設(shè)備新能源滬深300資料來源：Wind ）（）（電力設(shè)備新能源電力設(shè)備新能源隨著大模型等AI技術(shù)取得突破性進(jìn)展，作為其重要載體的人形機(jī)器人受到廣泛關(guān)注。2023年10月，工信部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，稱人形機(jī)器人有望成為繼計算機(jī)、智能手機(jī)、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品。為此，我們撰寫一系列有關(guān)人形機(jī)器人的報告，對相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)進(jìn)行梳理，并提示相關(guān)的投我們創(chuàng)新性提出人形機(jī)器人靈巧手的分析框架，從靈活度設(shè)計、動力源、傳動結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)四個層次進(jìn)行了闡述，同時結(jié)合已有的靈巧手案例，對各方面設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。（1）重大節(jié)點性事件催化。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)化前夕，容易受到重大節(jié)點性事件催化，如特斯拉舉辦AIDAY，Optimus產(chǎn)品發(fā)布新進(jìn)展，以及其他國內(nèi)外人形機(jī)器人廠商發(fā)布新產(chǎn)品等；（2）人形機(jī)器人技術(shù)取得突破性進(jìn)展。人形機(jī)器人的成熟建立在AI大模型、自動駕駛等多項前沿技術(shù)之上，底層技術(shù)的快速成熟有助于進(jìn)一步推動人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化落地；（3）訂單與投資。隨著人形機(jī)器人在諸多場景落地，產(chǎn)業(yè)將迎來實質(zhì)性落地。如果行業(yè)內(nèi)披露相關(guān)訂單、投資計劃，將對股價形成催化。（1）動力源。建議關(guān)注空心杯電機(jī)領(lǐng)域的鳴志電器、鼎智科技、偉創(chuàng)電氣、拓邦股份；直流無刷電機(jī)領(lǐng)域的德昌股份；無框力矩電機(jī)領(lǐng)域的步科股份；減速器環(huán)節(jié)：行星減速器建議關(guān)注中大力德、雙環(huán)傳動；諧波減速器建議關(guān)注綠的諧波；絲杠建議關(guān)注貝斯特；（2）傳動結(jié)構(gòu)。主要集中在腱繩材料，建議關(guān)注鋼絲方案的大業(yè)股份，潛在超高分子量聚乙烯纖維材料受益標(biāo)的同益中、恒輝安防；（3）傳感系統(tǒng)。建議關(guān)注：（一）六維力傳感器：柯力傳感、東華測試、八方股份二）觸覺傳感器：漢威科技、奧迪威三）身體平衡（IMU華依科技、芯動聯(lián)科。電力設(shè)備新能源電力設(shè)備新能源 6 6 7 92.1、全手自由度設(shè)計 92.2、單關(guān)節(jié)雙自由度實現(xiàn) 4.1、腱傳動 4.2、連桿傳動 4.4、特斯拉靈巧手 6 7 8 9 9 電力設(shè)備新能源電力設(shè)備新能源機(jī)器人中操作和動作決策的執(zhí)行輸出工具在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域被稱之為末端執(zhí)行器(End-Effector)。末端執(zhí)行器是機(jī)器人執(zhí)行部件的統(tǒng)稱，一般安裝于機(jī)器人腕部的末端，是直接執(zhí)行任務(wù)的裝置。末端執(zhí)行器作為機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對提高機(jī)器人的柔性和易用性有著極為重要的作用，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個機(jī)器人的工作性能。末端執(zhí)行器按其功能可以分為兩大類，即：工具類和抓手類。工具類末端執(zhí)行器是根據(jù)具體工作需求專門設(shè)計并預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)化接口的機(jī)器人專用工具，可以直接實現(xiàn)具體的加工工種、生產(chǎn)工藝或日常動作；抓手類機(jī)器人末端執(zhí)行器恰如人的雙手，擔(dān)負(fù)著執(zhí)行各種動作、抓持和操作的任務(wù)。機(jī)器人多指靈巧手是一種高度靈活、復(fù)雜的末端執(zhí)行器，因其能夠模仿人手的各種靈巧抓持和復(fù)雜操作能力，得到持續(xù)的研發(fā)投入和廣泛關(guān)注。末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器工具類工具類抓手類抓手類弧焊焊槍毛刺打磨機(jī)手術(shù)刀具體溫槍吸盤等多指靈巧手鉚釘槍兩只夾持器弧焊焊槍毛刺打磨機(jī)手術(shù)刀具體溫槍吸盤等多指靈巧手鉚釘槍兩只夾持器點焊機(jī)涂膠槍點焊機(jī)涂膠槍多指抓持手資料來源：蔡世波《機(jī)器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)》20世紀(jì)70年代，在日益增長的工業(yè)需求的推動下，靈巧手的概念逐步形成，并產(chǎn)生了許多簡單的靈巧手。這一時期的代表性成果有日本的OkadaHand和通用公司(GM)的HandymanHand等。20世紀(jì)80年代，隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，靈巧手的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，很多國家和地區(qū)都開始著手于靈巧手的研制。這一時期的靈巧手不但具備了多手指、多自由度，而且初步具備了力/力矩、位置感知功能。由于技術(shù)水平的限制，驅(qū)動元件（如電機(jī)、氣壓驅(qū)動（氣動）肌肉等）尺寸較大，為保證靈巧手尺寸與重量，采用腱驅(qū)動將驅(qū)動元件放置在靈巧手外是當(dāng)時的主流設(shè)計思路，主要代表性成果有Utah/MITHand、Stanford/JPLHand等。20世紀(jì)90年代，隨著驅(qū)動元件體積減小與電氣系統(tǒng)集成度的提高，靈巧手體積迅速減小，并且在手指數(shù)目、自由度數(shù)、傳感器的豐富程度等方面有所提高。這一時期的靈巧手開始注重手掌的構(gòu)型設(shè)計，以提高靈巧手的抓取能力，代表作品有UB-IIHand、DLR-IHand、DISTHand等。由于采用了新型的驅(qū)動器，DLR-IHand得以將驅(qū)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)都集成在靈巧手內(nèi)部，被認(rèn)為是當(dāng)時世界上最復(fù)雜、集成度最高的靈巧手。21世紀(jì)以來，多指手進(jìn)入了一個穩(wěn)步提高的發(fā)展階段，多指手的集成化、智能化和靈巧操作水平得到了新的提升。由于實現(xiàn)了電氣系統(tǒng)的完全集成化和數(shù)字化，DLR-II手與主處理器之間的連線數(shù)量從DLR-I手的400多條減少到8條。1974日本電子技術(shù)實驗室Okada1982美國斯坦福大學(xué)Stanford/JPL1983美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)Uath/MIT立公司Hitachi1994德國宇航中心1998意大利熱內(nèi)亞大學(xué)DIST1999美國宇航局Robonaut2000德國宇航中心2004日本岐阜大學(xué)Gifu-III2004英國Shadow公司Shadow和美國汽車通用公司GMRobonuat21984清華大學(xué)1993起北京航空航天大學(xué)BH-1/BH-2/BH-3/BH-4/BH-9852001哈爾濱工業(yè)大學(xué)HIT-I2004哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國宇航中心DLR/HIT-I2008哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國宇航中心DLR/HIT-II20世紀(jì)90年代以后，隨著計算機(jī)、微電子學(xué)、微電機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，多指手進(jìn)入了一個嶄新的快速發(fā)展階段21世紀(jì)以來，多指手進(jìn)入了一個穩(wěn)步提高的發(fā)展階段，多指手的集成化、智能化和靈巧操作水平得到了新的提升資料來源：呂博瀚《空間機(jī)器人多自由度靈巧手關(guān)鍵技術(shù)研究》、蔡世波《機(jī)器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)》從應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前靈巧手實現(xiàn)成熟應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：航空航天、醫(yī)療假肢、工業(yè)及科研領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域?qū)π阅艿囊筝^高，對成本不敏感，如美國宇航中心（NASA）的RobonautHand、德國宇航中心（DLR）的DLRHand、Dexhand；醫(yī)療假肢是目前少有的已實現(xiàn)商業(yè)化批量制造的領(lǐng)域，如ottobock的BebionicHand、MichelangeloHand；工業(yè)領(lǐng)域靈巧手目前由少數(shù)協(xié)作機(jī)器人夾爪企業(yè)所引領(lǐng)，如SCHUNK公司的SCHUNKSVHHand、Festo公司的FestoExoHand；而科研領(lǐng)域主要由全球知名高校主導(dǎo)，靈巧手的設(shè)計思路較為開闊。從靈巧手設(shè)計層面來看，主要有全驅(qū)動和欠驅(qū)動兩種。DOF為手指關(guān)節(jié)的自由度，DOA為由驅(qū)動器控制的自由度。若DOA小于DOF，則為欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)；若DOA等于DOF，則為全驅(qū)動結(jié)構(gòu)。全驅(qū)動手的代表包括RobonautHand、ShadowHand、DLRHandII等，分別使用了14/20/12個驅(qū)動器，通過對每個自由度的獨立控制，達(dá)到對靈巧手出色的掌控效果。但考慮到魯棒性和功能性之間的取舍，欠驅(qū)動靈巧手成為更主流的選擇。其優(yōu)勢在于通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以少于手指關(guān)節(jié)自由度的驅(qū)動器，從而降低整只手的系統(tǒng)復(fù)雜度，同時提高可靠性。從驅(qū)動源來看，目前靈巧手的驅(qū)動源包括電機(jī)、液壓、氣壓、形狀記憶合金從傳動方式看，靈巧手的傳動方式主要包括腱傳動、連桿傳動、齒輪/蝸輪蝸桿從結(jié)構(gòu)形式來看，主要有外置式、內(nèi)置式、混合置式。隨著電機(jī)和控制電路的小型化發(fā)展，除了某些全驅(qū)動/腱繩傳動的靈巧手外，內(nèi)置式已成為靈巧手設(shè)計的發(fā)展趨勢。其優(yōu)點在于，通過將驅(qū)動、傳動裝置放置于靈巧手內(nèi)部，可實現(xiàn)靈巧手的模塊化設(shè)計，有利于靈巧手與機(jī)器人本體的無縫切換。靈巧手分析框架靈巧手分析框架設(shè)計層面?zhèn)鲃臃绞綉?yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動源結(jié)構(gòu)形式設(shè)計層面?zhèn)鲃臃绞綉?yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動源結(jié)構(gòu)形式航空航天康義肢全驅(qū)動欠驅(qū)動業(yè)航空航天康義肢全驅(qū)動欠驅(qū)動業(yè)科研電機(jī)驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動腱傳動連桿傳動外置式內(nèi)置式混合置式形狀記憶合金輪蝸輪蝸桿資料來源：蔡世波《機(jī)器人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)》、光大證券研究所繪制從自由度與原動機(jī)數(shù)量上來看，可將其劃分為欠驅(qū)動靈巧手和全驅(qū)動靈巧手。欠驅(qū)動靈巧手原動機(jī)的數(shù)量少于被控制的靈巧手自由度，沒有驅(qū)動源的關(guān)節(jié)則是進(jìn)行耦合隨動。全驅(qū)動靈巧手則是原動機(jī)數(shù)量與被控制靈巧手的自由度數(shù)量相欠驅(qū)動靈巧手優(yōu)點在于易于控制，但擬人性不強(qiáng)，穩(wěn)定性有所欠缺。由于耦合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，所占空間小并具備可控性，如今大部分靈巧手都是欠驅(qū)動靈巧手。相對于欠驅(qū)動靈巧手，全驅(qū)動靈巧手的手指更加靈活，省去了無驅(qū)動手指關(guān)節(jié)的耦合機(jī)構(gòu)，但由于驅(qū)動器增多，導(dǎo)致體積變大、安裝困難并且靈巧手的控制變得更加繁瑣。人手骨骼結(jié)構(gòu)：手指：食指、中指、無名指和小指分別由3塊指骨和一塊掌骨組成，三塊指骨分別為遠(yuǎn)節(jié)指骨（Distalphalange）、中節(jié)指骨(Intermediatephalange)和近節(jié)指骨（Proximalphalange）。拇指：除了掌骨以外，只包含近節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨2塊指骨，兩個指骨之間的關(guān)節(jié)是指間關(guān)節(jié)（Interphalangealjoint，簡稱IP關(guān)節(jié)）。人手自由度分析：IP關(guān)節(jié)和PIP關(guān)節(jié)分別有1個自由度，能夠完成屈曲/伸展運動。而MCP關(guān)節(jié)具有2個自由度，可以完成屈曲/伸展和側(cè)向擺動的動作。因此，對于食指、中指、無名指和小指，每個手指具有4個自由度。拇指中的關(guān)節(jié)依次是指間關(guān)節(jié)和掌骨關(guān)節(jié)。其中指間關(guān)節(jié)有1個自由度，MCP關(guān)節(jié)具有2個自由度，掌骨和小腕骨指間的關(guān)節(jié)具有2個自由度，共計5個自由度。整個手具備21個自由度。資料來源：小米技術(shù)微信公眾號資料來源：鄭悅《高仿生性能假肢設(shè)計研發(fā)及應(yīng)用研究》Taylor等將人手抓取歸納為六種基本抓取模式，分別為圓柱抓取(Cylindrical)、指尖抓取(Tip)、胡克抓取(Hook)、掌心抓取(Palmar)、球形抓取(Spherical)及側(cè)向捏取(Lateral)。這些抓取模式可以實現(xiàn)日常生活中人手的大部分功能。除胡克抓取外，其余五種抓取模式均需要拇指參與。從有拇指參與的抓取模式中可以發(fā)現(xiàn)，拇指主要集中兩種姿態(tài)(拇指的姿態(tài)是指掌骨的姿態(tài))附近。(1)姿態(tài)T-I-M。在該姿態(tài)下，拇指與食指和中指之間的交互起主要作用。在這一姿態(tài)附近可以實現(xiàn)指尖抓取、掌心抓取和側(cè)向捏取，例如握筆和指尖操作一些小的物體等。(2)姿態(tài)T-M-R。拇指與中指和無名指之間的交互起主要作用。在這一姿態(tài)附近可以實現(xiàn)圓柱抓取和球形抓取，例如抓取礦泉水瓶和網(wǎng)球等類型的物體。相關(guān)統(tǒng)計表明，力量抓握、精捏和側(cè)捏這三個的動作占比高達(dá)85%，因此，靈活運動的拇指、食指和中指是完成動作的關(guān)鍵。資料來源：王海榮《仿人型靈巧手拇指靈巧性設(shè)計方法的研究》資料來源：鄭悅《高仿生性能假肢設(shè)計研發(fā)及應(yīng)用研究》對于靈巧手自由度及功能的評估，通過采用Cutkosky抓取分類法。在該分類方法中，手的抓取動作按照從力量型到精確型被分為16種。例如，針對SCHUNK五指靈巧手的抓取任務(wù)評估表明，SCHUNK五指靈巧手可以完成Cutkosky抓取分類法中的14種。資料來源：MARKR.CUTKOSKY《Ongraspchoice,graspmodels,andthedesignofhandsformanufacturingtasks》拇指：對掌運動是拇指的基本運動，通過對掌運動拇指可與其余4指接觸形成鉗狀，它是實現(xiàn)人手功能的基礎(chǔ)。這說明，拇指的雙自由度處于較為優(yōu)先的位置。手指：手指擁有兩種運動形式，通過各指節(jié)旋轉(zhuǎn)副的屈曲/前伸運動以及通過手指末端球形副的側(cè)擺運動。要實現(xiàn)單個關(guān)節(jié)的雙自由度運動，具有代表性的傳動形式有三種：（1）實現(xiàn)外展/內(nèi)收和翹曲的兩個軸正交，但卻不是相互交叉的。它們在軸線位置上有一定的距離，并且分別由單驅(qū)動器驅(qū)動，如Salisbury手。這種結(jié)構(gòu)可以使手指結(jié)構(gòu)簡單化，但降低了手指的靈活性，同時對驅(qū)動系統(tǒng)有更高的要求。資料來源：L.B.Bridgwater《TheRobonaut2Hand–DesignedToDoWorkWithTools》（2）球/孔結(jié)構(gòu)，如Omni手。這種結(jié)構(gòu)可以使手指的運動具有更大靈活性和適應(yīng)性，也可以使手指的計算機(jī)控制簡化。同時，它所具有的機(jī)械限位可以避免手指產(chǎn)生過度的伸展。雖然這種結(jié)構(gòu)有很好的緊湊性和靈活性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了手指的加工難度和成本。資料來源：roboticastreet（3）四個齒輪組成的差動結(jié)構(gòu)。這種基關(guān)節(jié)的兩個自由度通過4個相互嚙合的傘齒輪來實現(xiàn)。靈巧手基關(guān)節(jié)采用錐齒輪差動結(jié)構(gòu)不但能夠有效減小靈巧手的外形尺寸，而且能夠有效提高基關(guān)節(jié)的承載載荷。通常情況下包含兩個主動輪和兩個從動輪。當(dāng)主動輪同向轉(zhuǎn)動時，實現(xiàn)基關(guān)節(jié)俯仰方向的運動；當(dāng)主動輪逆向運動時，實現(xiàn)基關(guān)節(jié)側(cè)擺方向的運動。資料來源：J.Butterfa《DLR-HandII:NextGenerationofaDextrousRobotHand》BH-985共有5個手指和16個關(guān)節(jié)，配置有10個驅(qū)動源。拇指、食指和中指有3個關(guān)節(jié)自由度和3個驅(qū)動源，其余兩個手指采用一個驅(qū)動源耦合傳動。從圖12中可見，手指關(guān)節(jié)可分為雙驅(qū)動關(guān)節(jié)、單驅(qū)動關(guān)節(jié)、耦合隨動關(guān)節(jié)。（1）從手指自由度優(yōu)先級方面考慮，通常大拇指根部關(guān)節(jié)的雙自由度擁有最高優(yōu)先級。主要是由于拇指在各種抓握中占據(jù)的重要角色；（2）而手指根部的雙自由度是區(qū)分高級靈巧手的一個重要特征。經(jīng)典的六電機(jī)方案（特斯拉Optimus）在拇指配置雙電機(jī)，其他手指各配置一個電機(jī)，即根部關(guān)節(jié)單電機(jī)驅(qū)動。而在4根手指中，食指、中指所發(fā)揮的功能通常要高于無名指、小指；（3）遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)通常處于優(yōu)先級最后，作為耦合隨動關(guān)節(jié)。資料來源：嚴(yán)璽《仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制研究》按驅(qū)動方式，靈巧手動力源可分為電機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動（氣動）、液壓驅(qū)動與形狀記憶合金驅(qū)動。大高慢大小低快大高快小大低快小資料來源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動分析與試驗》基于氣壓驅(qū)動的靈巧手是近年來的研究熱點，典型的有Festo的氣動靈巧手、上海交大聯(lián)合MIT開發(fā)的氣動靈巧手等。英國Shadow公司研制出一款基于McKibben氣動人工肌肉的靈巧手ShadowHand，該靈巧手具有高達(dá)20個自由度，且每個自由度都是由一個獨立的McKibben氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，幾乎可以模仿人手能夠完成的所有動Festo軟體神經(jīng)假肢手具有六個主動自由度，在氣壓驅(qū)動下可實現(xiàn)多種靈巧抓握手勢。每個手指具有內(nèi)嵌多段分布式硬質(zhì)結(jié)構(gòu)層的纖維增強(qiáng)軟體結(jié)構(gòu)，在氣壓驅(qū)動下具有一個彎曲自由度。特別是拇指具有一個額外的自由度，用于實現(xiàn)對掌運動。此外，手指固有的柔順性使其在面對柔軟、易碎物體時也能夠進(jìn)行自適應(yīng)抓氣壓驅(qū)動的靈巧手是比較接近人體肌肉驅(qū)動的一種方式，具有易于控制、能量儲存方便、柔性等特點，但其剛度低、動態(tài)性能差，且裝配較難并無法精確運動，從而難以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。資料來源：武子龍《機(jī)械傳感一體化的仿生靈巧手設(shè)計與運動控制》資料來源：Festo官網(wǎng)液壓驅(qū)動是指為了完成能量的傳遞、增強(qiáng)和積壓，通過液體介質(zhì)的靜壓力來實現(xiàn)的驅(qū)動方式，通常在一定的機(jī)械和電子系統(tǒng)內(nèi)使用較多。為得到較大操作力，一般使用液壓馬達(dá)等作為驅(qū)動裝置，能驅(qū)動較大的負(fù)載，但因有較大的泄露和流體阻力的影響，故效率不高。并且因為液體存在可能泄漏和被壓縮的缺點，所以導(dǎo)致傳動比不夠精確，并且體積大、成本高和易污染。資料來源：武子龍《機(jī)械傳感一體化的仿生靈巧手設(shè)計與運動控制》資料來源：I.Gaiser《Anewanthropomorphicrobotichand》形狀記憶合金(SMA)具有方向靈活度高、變形量大和可迅速進(jìn)行變位的特性。它是一種能記憶任何形狀，即便產(chǎn)生變形，只要將其加熱到某一合適溫度時，就能恢復(fù)為變形之前外形的特殊合金。形狀記憶合金驅(qū)動技術(shù)即為這種驅(qū)動器進(jìn)行的驅(qū)動技術(shù)。因此，它具有位移較大、功率重量比高、變位迅速、方向自由的特性。對于機(jī)器人進(jìn)行高速度及高精度的小負(fù)載裝配任務(wù)非常合適，但形狀記憶合金的缺點是造價高，并且易產(chǎn)生疲勞，壽命較低。日本的Hitachi靈巧手，就是采用形狀記憶合金驅(qū)動。資料來源：嚴(yán)璽《仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制研究》電機(jī)驅(qū)動是目前多指靈巧手的主要驅(qū)動方式，具有驅(qū)動力大，控制精度高、響應(yīng)快、模塊化設(shè)計、易于更換維護(hù)等優(yōu)點。作為靈巧手典型代表的Stanford/JPL手、DLR手和NASA手均采用電機(jī)作為驅(qū)動源。體積小、輸出力大的電機(jī)及集成驅(qū)動芯片的采用使電機(jī)、驅(qū)動電路板能與手指機(jī)械本體融為一體，利于實現(xiàn)多指靈巧手手指的模塊化控制。綜合比較驅(qū)動器類型，電機(jī)驅(qū)動的綜合性能更好，具有標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定可靠、精度高、響應(yīng)快、驅(qū)控一體等優(yōu)勢，是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種驅(qū)動方式，為大多數(shù)靈巧手采用。按結(jié)構(gòu)形式，靈巧手可分為驅(qū)動器外置式、驅(qū)動器內(nèi)置式與驅(qū)動器混合置式。早期的多指靈巧手一般將驅(qū)動器外置，主要是受驅(qū)動器結(jié)構(gòu)尺寸影響，難以嵌入手指內(nèi)。外置式的典型代表NASA手和Shadow手，其突出的優(yōu)點是靈巧手的仿人化程度較高，靈巧手本體內(nèi)沒有需要布置的器件，可以縮減手本體的體積，做到接近人手的外形，自由度的布置也很靈活。同時也具有以下缺點：第一，驅(qū)動器與手本體之間空間距離較遠(yuǎn)，必須借助腱實現(xiàn)兩者的連接，不可避免地具有腱傳動的相關(guān)弊病。第二，可維護(hù)性差。當(dāng)某根腱斷裂時，必須進(jìn)行靈巧手整體的拆卸，工作量大。BebionicHandVincentHandSCHUNKSVHHandSSSAMyHand因時靈巧手BebionicHandVincentHandSCHUNKSVHHandSSSAMyHand因時靈巧手DexhandDLR/HITHandIIPisa//IITSoftHand思靈靈巧手ILDAHandNAISTHandFestoExoHandRobonautHandShadowHand資料來源：《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）》、光大證券研究所整理隨著材料、工藝技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動器的尺寸逐漸減小，機(jī)器人多指靈巧手逐漸走向驅(qū)動器內(nèi)置式。內(nèi)置式的多指靈巧手的出現(xiàn)，除能夠有效地克服由于繩索驅(qū)動帶來的缺點外，還具備下列優(yōu)勢：1、由于驅(qū)動器集成在手指內(nèi)部，因此集成度較高，簡化手指同外部的軟硬接口，便于手指模塊化設(shè)計；2、高集成度帶來的好處就是手指間互換性增強(qiáng)，便于維護(hù)和實際應(yīng)用；3、能夠作為一個局部自主系統(tǒng)同任何機(jī)器人手臂通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連。當(dāng)然內(nèi)置式靈巧手也同樣存在一些問題，比如目前由于驅(qū)動器的不同及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路不同導(dǎo)致靈巧手的整體外形尺寸較大，這也是內(nèi)置式靈巧手的最大問1998年，DLR新型驅(qū)動器的研制成功，使得靈巧手的所有驅(qū)動器、傳動裝置、傳感器系統(tǒng)及電器系統(tǒng)都集成在靈巧手的內(nèi)部。因此，被公認(rèn)為是當(dāng)時世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手。典型的內(nèi)置式靈巧手HIT/DLR–II，整體尺寸為人手的1.5倍。具有1個獨立的手掌和5根模塊化手指，每根手指集驅(qū)動、傳感、控制等為一體，具有4個關(guān)節(jié)和3個自由度。其中，拇指與手掌之間有一個類似人手的外張/收斂自由度，可以通過配置拇指的位置來滿足不同的抓取要求。資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》動力源位置及數(shù)量的一般性規(guī)律：1）對于非電機(jī)驅(qū)動（如氣壓、液壓往往采用驅(qū)動器外置；對于電機(jī)驅(qū)動的靈巧手，外置+腱繩傳動普遍適用于驅(qū)動器數(shù)量較多的情況（如10個以上驅(qū)動器）；內(nèi)置式則適用于1-15個電機(jī)的各類型靈巧手；2）6電機(jī)方案是較為經(jīng)典的一種配置類型。即拇指2個+其他手指各1個；3）在追求高自由度的情景下，可采用單手指3電機(jī)方案，在4指/5指靈巧手中分別使用12/15個電機(jī)。驅(qū)動器內(nèi)置VincentHandIlimbUltraNAISTHandNAISTHandIDLAhand驅(qū)動器數(shù)量Pisa//IITSoftHandMichelangeloHandSSSAMyHandRitsumeikanHandBebionicHandTeslaOptimusSCHUNKSVHHandDLRHandIIDLR/HITHandII123456驅(qū)動器外置FestoExoHandWashingtonHandRobonautHandShadowHand資料來源：《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）》、光大證券研究所整理在現(xiàn)代靈巧手的發(fā)展過程中，電機(jī)驅(qū)動逐漸成為主流驅(qū)動方式。作為靈巧手典型代表的Stanford/JPL手、DLR手和NASA手均采用電機(jī)作為驅(qū)動源。體積小、輸出力大的電機(jī)及集成驅(qū)動芯片的采用，使電機(jī)、驅(qū)動電路板能與手指機(jī)械本體融為一體，利于實現(xiàn)多指靈巧手手指的模塊化控制。從已有案例的電機(jī)選型來看，靈巧手用到的電機(jī)有直流無刷電機(jī)、無框力矩電機(jī)、空心杯有刷電機(jī)、空心杯無刷電機(jī)。間刷）電機(jī)刷）電機(jī)機(jī)機(jī)刷）電機(jī)4636888資料來源：maxon官網(wǎng)、TQ官網(wǎng)、光大證券研究所整理從電機(jī)外形來看，靈巧手存在著兩種方案：1）扁平電機(jī)，即直流無刷電機(jī)、無框力矩電機(jī)，普遍搭配諧波減速器，兩者之間可以軸心垂直，也可以平行放置，并通過傳動帶實現(xiàn)耦合；2）細(xì)長電機(jī)，即空心杯有刷電機(jī)和空心杯無刷電機(jī)，而空心杯有刷電機(jī)的電刷又分為稀有金屬電刷和石墨電刷?？招谋姍C(jī)普遍搭配行星齒輪減速器。刷）電機(jī)刷）電機(jī)刷）電機(jī)7///(K/W)/(K/W)/98748111111資料來源：maxon官網(wǎng)、TQ官網(wǎng)、光大證券研究所整理；帶底色數(shù)據(jù)為數(shù)值突出或顯著較大的數(shù)字直流無刷電機(jī)、無框力矩電機(jī)呈現(xiàn)雙高特點：高轉(zhuǎn)子慣量、高轉(zhuǎn)矩密度。高高高高低低低低資料來源：maxon官網(wǎng)、TQ官網(wǎng)、光大證券研究所盤式電機(jī)（直流無刷電機(jī)）盤式電機(jī)在maxon產(chǎn)業(yè)手冊中屬于ECflat系列，本質(zhì)上屬于直流無刷電機(jī)。帶有定子鐵芯繞組+永磁體轉(zhuǎn)子，采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子設(shè)計結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速可達(dá)20000rpm，尤其適于空間狹小的應(yīng)用場合。資料來源：maxon官方微信公眾號已有的靈巧手案例中，DLR/HITHandII、MichelangeloHand均使用了盤式電模塊化手指基關(guān)節(jié)的驅(qū)動器和傳動系統(tǒng)中，兩個內(nèi)置位置傳感器的盤式電機(jī)（型號：EC-20flat）和諧波減速器并排橫臥于手指后側(cè)。手指單元的驅(qū)動器同樣是盤式電機(jī)，該電機(jī)橫臥于第一關(guān)節(jié)內(nèi)部、諧波減速器橫臥于手指第三關(guān)節(jié)處，二者之間通過同步帶結(jié)構(gòu)連接。資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》無框力矩電機(jī)已有的靈巧手案例中，Dexhand、Spacehand使用了同一款無框力矩電機(jī)——RobodriveILM25。在上述兩款靈巧手中，無框力矩電機(jī)與傳動比100:1的諧波減速器HFUC8結(jié)合，組成圓柱體驅(qū)動單元，提供2.4Nm的連續(xù)扭矩，峰值高達(dá)9Nm。Dexhand中，該驅(qū)動單元直徑為27毫米、長度為17.5毫米、重46克；后續(xù)的Spacehand中，該驅(qū)動單元直徑27毫米、長度20毫米、重量50克。資料來源：MaximeChalon《Dexhand:aSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》資料來源：MaximeChalon《Dexhand:aSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》空心杯電機(jī)（有刷/無刷）SoftHand、VincentHand、IlimbUltra、IDLAhand均使用了空心杯有刷電機(jī)，而RICArm則使用了空心杯無刷電機(jī)。資料來源：JosephT.Belter《Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands》資料來源：UikyumKim《Integratedlinkage-drivendexterousanthropomorphicrobotichand》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。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。資料來源：資料來源：鳴志電器官網(wǎng)資料來源：鳴志電器官網(wǎng)空心杯電機(jī)的優(yōu)點包括：無齒槽效應(yīng)（低速運行平穩(wěn)、低振動、低噪音、轉(zhuǎn)子可控制在任意位置結(jié)構(gòu)緊湊（磁路設(shè)計更優(yōu)、功率密度更高、溫升低、效率高低電感（高動態(tài)響應(yīng)、高加速度）。80%60%40%20%量量0%50%100%150%200%250%300%資料來源：Maxon官網(wǎng)、TQ官網(wǎng)、光大證券研究所整理轉(zhuǎn)矩密度轉(zhuǎn)矩密度空心杯電機(jī)空心杯電機(jī)0%50%100%150%200%250%300%資料來源：Maxon官網(wǎng)、TQ官網(wǎng)、光大證券研究所整理按靈巧手手指的傳動方式可分為腱繩傳動、連桿傳動與齒輪傳動。傳動系統(tǒng)負(fù)責(zé)把驅(qū)動器產(chǎn)生的動力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié)，從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運動。因此，傳動系統(tǒng)的設(shè)計不僅決定了靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且直接影響到靈巧手的抓取穩(wěn)定性和靈活性。傳動方式抗拉強(qiáng)度和很輕的重量，容易實現(xiàn)多自由度和遠(yuǎn)距離動力采用平面連桿機(jī)構(gòu)傳動，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實現(xiàn)，驅(qū)動器通過齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)變成直線運動，拉動驅(qū)簧來驅(qū)動手指產(chǎn)生動作，手指部分采用金屬連接，各個手有多種的抓取構(gòu)形，和別的多指靈巧手相比，驅(qū)動更加靈活液壓驅(qū)動和氣動的驅(qū)動方式是近年來興起的一種重要資料來源：小米技術(shù)微信公眾號《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》已有案例表明，（1）腱傳動靈巧手的案例占比較大；（2）在醫(yī)療假肢領(lǐng)域極少采用腱傳動。主要原因在于，相比連桿、齒輪等傳動方式，腱傳動對于空間狹小、傳動精密的靈巧手空間設(shè)計較為友好，但傳動效率與可靠性較差。資料來源：任賾宇《對于30種機(jī)械手的歸類與分析——從假肢（Prosthetic）和機(jī)器人（Robotics）兩個應(yīng)用領(lǐng)域討論》腱腱腱腱腱腱腱Pisa//IITSoftHand腱腱腱腱資料來源：《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）》、光大證券研究所整理腱繩傳動是指通過腱繩和纏繞腱繩的輔助裝置把驅(qū)動源的力矩傳送到手指各個關(guān)節(jié)上的傳動方式，由于傳動腱繩具有較高的柔性以及較小的尺寸，使得腱繩傳動對驅(qū)動器和減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸要求較低，并且傳動路線靈活多樣，但也具有以下缺點：難以對繩索結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)緊，并且所有的繩索都具備彈性，致使傳感器無法準(zhǔn)確反應(yīng)手指關(guān)節(jié)位置的信息，使精確控制難于實施。腱驅(qū)動控制系統(tǒng)采用由微型伺服力矩電機(jī)、微型滾珠絲杠減速器和高強(qiáng)度碳氟纖維腱組成的解決方案。NASARobonaut2靈巧手的優(yōu)點：靈巧手采用腱傳動配合連桿耦合傳動的方式，驅(qū)動電機(jī)以及電氣控制系統(tǒng)安置于手臂內(nèi)部，可采用較大功率的電機(jī)，從而提高靈巧手的抓握力，節(jié)約了手指和手掌內(nèi)部空間，有利于實現(xiàn)靈巧手的小型化、擬人化設(shè)計。此外，靈巧手具有較高的自由度數(shù)，使得靈巧手具有更為靈活的工作空間，滿足空間在軌服務(wù)精細(xì)作業(yè)的任務(wù)需求。資料來源：M.G.Catalano《AdaptivesynergiesforthedesignandcontrolofthePisaIITSoftHand》資料來源：韓如雪《腱驅(qū)動空間多指靈巧手感知與控制關(guān)鍵技術(shù)研究》腱繩材料選擇在腱傳動靈巧手中，腱繩材料的選擇至關(guān)重要。因為腱繩涉及動力傳遞，且作為末端傳遞單元，直接影響手指執(zhí)行效果的精度，所以腱繩需要滿足的要求包括：2）低耐磨：連續(xù)施加36000次循環(huán)的恒定拉力（10h3）固定表面摩擦系數(shù)低；4）可以承受小的彎曲半徑；5）易于實現(xiàn)終止；6）抗蠕變性（可通過閉環(huán)策略進(jìn)行補(bǔ)償）。通過對已有腱傳動靈巧手案例中腱繩材料的統(tǒng)計，我們發(fā)現(xiàn)：1）腱繩材料整體分為不銹鋼、高分子纖維兩大類，其中高分子纖維使用更為廣2）高分子纖維中以Dyneema和Spectra?兩種纖維為主流，分別為帝斯曼和霍尼韋爾生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維材料；3）早期使用的腱繩材料有特氟龍、芳綸纖維、滌綸等，但因性能方面不如超高分子量聚乙烯纖維而被淘汰；4）ZYLON纖維在長期作業(yè)方面優(yōu)于超高分子量聚乙烯纖維，在某些惡劣場景、長期高負(fù)載運行情況下可以代替超高分子量聚乙烯纖維。資料來源：《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）》、《經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）》、光大證券研究所整理連桿傳動是指靈巧手采用多個連桿串并聯(lián)混合的形式傳遞運動和力矩，傳遞的剛性比較強(qiáng)，手指具備較大的抓取力，并且結(jié)構(gòu)比較緊湊，但連桿手指受連桿尺寸以及傳動誤差的影響，不易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，抓取穩(wěn)定范圍較小。連桿傳動中的指尖、二指節(jié)、三指節(jié)均為不同形狀的三角形連桿，驅(qū)動連桿以及耦合連桿為直線形式，K1以及K2為復(fù)位彈簧，當(dāng)K1處的驅(qū)動連桿順/逆時針轉(zhuǎn)動時，手指做屈曲/前伸運動。資料來源：嚴(yán)璽《仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制研究》資料來源：Youtube平臺OttobockProfessionals官方主頁齒輪傳動的優(yōu)點是能進(jìn)行精確傳動，傳遞效率高、穩(wěn)定性好。但也存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使靈巧手的慣性增大、自重增大的缺點。且當(dāng)靈巧手需要的手指較長時，傳遞所需的相應(yīng)齒輪數(shù)目也會增多，這極大限制了齒輪鏈傳動結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。通過對以上幾種主流靈巧手的驅(qū)動及傳動方式的介紹可知，這些方法都已有較多使用案例，其展現(xiàn)出的特性也各有不同，而且不同的驅(qū)動及傳動方式，對靈巧手的性能也有所制約和影響。資料來源：GiulioCerruti《DesignandControlofaDexterousAnthropomorphicRoboticHand》索）傳動的方式，其主要原因是受到驅(qū)動源、驅(qū)動電路板以及減速結(jié)構(gòu)等的體積限制，使得這些部件不能集成到手掌或手指內(nèi)部而需要放在靈巧手以外的空間。但是，腱傳動在實現(xiàn)空間布置自由的同時，存在不可忽視的缺陷：連接復(fù)雜、可靠性差；由于腱的柔性，使得控制精度低、存在遲滯等。相對于腱傳動方式，DLRII手、GIFUII手等采用齒輪、齒形皮帶等直接傳動的方法，具有腱傳動無法比擬的優(yōu)點：可靠性高、遲滯小等。同時，直接傳動方式對驅(qū)動、減速結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的空間位置有較高的要求，一般將電機(jī)、減速結(jié)構(gòu)等集成在手掌或手指內(nèi)部時，可以采用直接傳動的方式。因此，在電機(jī)、減速結(jié)構(gòu)等體積不能做得更小的情況下，腱傳動與直接傳動相結(jié)合的方法將會保留兩者的優(yōu)點，凸顯其獨特的優(yōu)勢。特斯拉Optimus產(chǎn)品的靈巧手具有6個執(zhí)行器，操作5根手指，其中拇指分配2個執(zhí)行器，其他手指各分配1個執(zhí)行器。手指執(zhí)行器采用空心杯電機(jī)+蝸輪蝸桿傳動+腱傳動。一方面，特斯拉Optimus采用了經(jīng)典的六電機(jī)方案，在電機(jī)數(shù)量有限的情況下最大程度上實現(xiàn)手指自由度；另一方面，蝸輪蝸桿的不可反驅(qū)動特性使得靈巧手可以在抓握完成后實現(xiàn)無功耗保持。資料來源：TeslaAIDay2022資料來源：金屬加工微信公眾號根據(jù)傳感器在機(jī)器人手中的布局和功能，可將傳感器分為兩類：內(nèi)在傳感器和外在傳感器。內(nèi)在傳感器反饋機(jī)器人本體的運動或動態(tài)信息，如手關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)扭矩和肌腱應(yīng)變，而外在傳感器感知外部環(huán)境，如壓力、力、溫度和平滑度。靈巧手感知系統(tǒng)外部感知外部感知運動傳感器迫近傳感器觸覺傳感器運動傳感器迫近傳感器觸覺傳感器力/力矩信息位置傳感器彎曲傳感器位置傳感器彎曲傳感器關(guān)節(jié)扭矩傳感器資料來源：ZiweiXia《DexhandaSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》、光大證券研究所整理以HIT/DLRHandII靈巧手為例，內(nèi)部感知系統(tǒng)包括霍爾位置傳感器、電位計位置傳感器、一維/二維力矩傳感器，外部感知系統(tǒng)包括觸覺傳感器、指尖六維力矩傳感器。資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》對于人手來說，觸覺系統(tǒng)能夠提供豐富的信息，如存在、位置、形狀、缺陷、溫度和紋理等。人手的靈巧程度取決于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的觸覺系統(tǒng)。作為機(jī)器人感知外部環(huán)境的方式之一，觸覺傳感器在描述物體的幾何特征、物理屬性以及刻畫接觸動態(tài)過程有著獨特的優(yōu)勢。通過對觸覺信息的有效分析不僅能夠提高機(jī)器人對外部環(huán)境的感知能力而且對優(yōu)化人機(jī)交互過程以及提高仿生靈巧手精細(xì)操作都有著重要的意義。目前主流的觸覺傳感器根據(jù)其工作原理可以分為壓阻式觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器、電容式觸覺傳感器、電磁式觸覺傳感器以及基于光學(xué)的觸覺傳感器等。壓電觸覺傳感器是基于壓電效應(yīng)原理，即在外界力的作用下，壓電材料表面因形變會產(chǎn)生電壓。它的頻率響應(yīng)好，測量范圍大，但分辨率不是很理想。壓阻式觸覺傳感器基于壓阻效應(yīng)原理，即施加外力時會產(chǎn)生自身電阻的變化。它測量范圍大，魯棒性好，但是遲滯效應(yīng)較大。電容式觸覺傳感器利用電容的變化來測量接觸力。其空間分辨率高，功耗低，但抗干擾能力差?；诠鈱W(xué)原理的觸覺傳感器靠檢測光的參數(shù)變化間接感知外界的接觸信息，優(yōu)點是抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的空間分辨率。資料來源：高帥康《基于多模態(tài)觸覺感知的機(jī)器人物體識別研究》從功能角度看，觸覺傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：（1）早期的觸覺傳感器聚焦于對指尖力的測量（基于壓電效應(yīng)）。雖然可以檢測力的方向，但對接觸位置的檢測不太可靠；（2）多陣列傳感器為目前多數(shù)靈巧手所配備，可以同時感知力與力的位置，但缺點是通常只能感知單模態(tài)信息；（3）第三階段有兩個發(fā)展方向：發(fā)展方向之一是：同時獲取多種觸覺信息的多模態(tài)傳感器；發(fā)展方向之二是：多區(qū)域感知（如覆蓋整個機(jī)器人手的電子皮膚，而不是僅限于指尖感知）。指尖壓力傳感器基于光學(xué)的觸覺傳感器指尖壓力傳感器基于光學(xué)的觸覺傳感器多區(qū)域感知傳感器（電子皮膚）多陣列觸覺傳感器（單模態(tài)）多模態(tài)觸覺傳感器資料來源：ZiweiXia《DexhandaSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》、光大證券研究所整理指尖力的測量：早期觸覺傳感器研究的主要方向是壓力和力的測量。這些傳感器多基于壓電效應(yīng)，被安裝于指尖，用于測量指尖多維力。這類傳感器雖然可以檢測力的方向，但對于接觸位置的檢測不太可靠。因此下一代產(chǎn)品的研究更多集中在陣列觸覺傳感器上。觸覺傳感器以指尖力的測量為主，使用的傳感器包括一維、二維、六維力/力矩資料來源：呂博瀚《空間機(jī)器人多自由度靈巧手關(guān)鍵技術(shù)研究》資料來源：H.Liu《MultisensoryFive-FingerDexterousHand:TheDLR/HITHandII》多陣列觸覺傳感器：多陣列觸覺傳感器的出現(xiàn)，是為了克服第一代指尖力傳感器無法檢測接觸位置的從底層原理上看，多陣列觸覺傳感器放棄了傳統(tǒng)的應(yīng)變片/彈性體路線，而是使用柔性材料，在指尖處覆蓋壓阻單元點陣列，從而滿足對接觸位置的分辨率。騰訊靈巧手TRX-Hand：在指尖、指腹和掌面均覆蓋了自研的高靈敏度柔性觸覺傳感器陣列。資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究》資料來源：騰訊RoboticsX實驗室多模態(tài)傳感器多陣列觸覺傳感器通常感知單模態(tài)信息。然而，當(dāng)人類抓住一個物體時，它的重量、大小、溫度、質(zhì)地等都會被同時感知。因此，對于機(jī)器人手來說，同時獲取多模態(tài)觸覺信息也很重要。光學(xué)的觸覺傳感器是一類較為經(jīng)典的多模態(tài)傳感器。研究人員可以從光學(xué)觸覺傳感器獲得更多有用的信息，包括但不限于接觸位置、溫度、粗糙度、剛度、紋理資料來源：B.Siciliano《TheHumanHandasanInspirationforRobotHandDevelopment》資料來源：WenzhenYuan《GelSight:High-ResolutionRobotTactileSensorsforEstimatingGeometryandForce》物體軟硬屬性的辨識及穩(wěn)定抓握運動控制是優(yōu)化仿生靈巧手人機(jī)交互能力的一個重要方向。相對于觸覺傳感器，視覺傳感器的發(fā)展相對成熟，因此很多的辨識算法都是基于視覺信息進(jìn)行分析。如智元機(jī)器人的“遠(yuǎn)征A1”機(jī)器人的“Skillhand靈巧手”采用了基于視覺的指尖傳感器。但目前視覺依然無法很好的解決復(fù)雜背景等外部環(huán)境因素帶來的影響，而基于觸覺信息則可以避免這些問題，同時還能夠感知視覺信息無法感知的一些信息，如物體的軟硬程度或者表面紋理等。資料來源：智元機(jī)器人，光大證券研究所資料來源：AkhilPadmanabha《OmniTact:AMulti-DirectionalHigh-ResolutionTouchSensor》多區(qū)域感知傳感器多區(qū)域感知是觸覺感知的另一個研究方向。研究人員專注于可以覆蓋整個機(jī)器人手的電子皮膚，以檢測觸覺感知，而不是僅限于指尖感知。資料來源：GuoYao《Bioinspiredtriboelectricnanogeneratorsasself-poweredelectronicskinforrobotictactilesensing》資料來源：YoucanYan《Softmagneticskinforsuperresolutiontactilesensingwithforceself-decoupling》接近傳感器用于為機(jī)器人提供檢測表面和物體的能力。在抓取或操縱物體之前，感知物體與機(jī)器人手之間的相對位置。借助接近傳感器，機(jī)械手可以在操作之前估計物體的位置、形狀和其他物理信息。對于靈巧手來說，提前了解這些信息有助于提升操作的成功率。騰訊靈巧手TRX-Hand：掌心處安裝有微型激光雷達(dá)和接近傳感器，同時每一個關(guān)節(jié)均集成了角度傳感器，保證靈巧手在抓取和操作過程中能準(zhǔn)確地感知自身與物體狀態(tài)信息。JelizavetaKonstantinova提出，接近傳感器的使用有助于在執(zhí)行動作時在線規(guī)劃和調(diào)整抓取策略，尤其是面對未定義物體。其設(shè)計的接近傳感器由一對光纖組成，其終端位于指尖表面的中間。該傳感器的傳感原理與光強(qiáng)調(diào)制相同，以物體本身作為反射表面來測量與物體的距離。通常情況下，即使是較暗的材料，也不能完全吸收光線。因此，由發(fā)送光纖發(fā)射的光束的一部分被反射，然后被接收器檢測到。通過這種方式，可以檢測到位置接近的物體，并確定物體的距離。資料來源：JelizavetaKonstantinova《ForceandProximityFingertipSensortoEnhanceGraspingPerception》資料來源：騰訊RoboticsX實驗室關(guān)節(jié)扭矩傳感器關(guān)節(jié)扭矩屬于內(nèi)部傳感器的一種，用于提供靈巧手關(guān)節(jié)處收到的實時扭矩信息，這對于靈巧手穩(wěn)定、靈活的抓取和操作來說是必需的。資料來源：DzmitryTsetserukou《Opticaltorquesensorsforimplementationoflocalimpedancecontrolofthearmofhumanoidrobot》在DLRHandII中，每個手指配備3個使用了基于應(yīng)變計的關(guān)節(jié)力矩傳感器。傳感器類型數(shù)量/手指33136資料來源：德國宇航中心官網(wǎng)腱繩張力傳感器肌腱只能提供一個方向的力，并且肌腱路徑中的摩擦損失很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此研究人員通常使用張力傳感器來測量肌腱張力。常用腱繩張力測量方式包括串聯(lián)彈性體、包覆彈性體、偏置引導(dǎo)輪等。資料來源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動分析與試驗》腱張力傳感器的設(shè)計是實現(xiàn)手指力反饋控制的關(guān)鍵，Robonaut2hand使用彈性體構(gòu)建腱張力傳感器，通過測量導(dǎo)管對傳感器的作用力，得到腱繩張力。博洛尼亞大學(xué)設(shè)計的UBH-IVhand使用了基于窄視角光電元件的特性來測量由腱張力引起的柔順框架的非常小的變形，從而得到腱繩張力。資料來源：韓如雪《腱驅(qū)動空間多指靈巧手感知與控制關(guān)鍵技術(shù)研究》資料來源：G.Palli《MiniaturizedOptical-basedForceSensorsforTendon-drivenRobots》位置傳感器關(guān)節(jié)角位置傳感器是實現(xiàn)靈巧手位置閉環(huán)控制的關(guān)鍵。關(guān)節(jié)位置傳感器布置在驅(qū)動器末端，通過檢測驅(qū)動輸出端的角度位置，間接獲得關(guān)節(jié)角度位置。常用的角度位置傳感器有電位計式傳感器、編碼器和磁敏傳感器等。傳感器類型資料來源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動分析與試驗》TheRobonaut2Hand采用磁鋼和霍爾傳感器的設(shè)計方案，傳感器核心部分是霍爾敏感元件，當(dāng)手指關(guān)節(jié)運動時，磁鋼相對于霍爾傳感器發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，霍爾傳感器周圍的磁場變化導(dǎo)致其輸出信號的變化，通過相關(guān)標(biāo)定處理，即可得到精確的關(guān)節(jié)角度。博洛尼亞大學(xué)設(shè)計的UBH-IVhand使用了基于光學(xué)測量的關(guān)節(jié)角度位置傳感器。其主要原理為，關(guān)節(jié)角度變化導(dǎo)致LED發(fā)出的光被部分遮擋，通過測量通過光功率的大小反推出關(guān)節(jié)角度變化量。資料來源：韓如雪《腱驅(qū)動空間多指靈巧手感知與控制關(guān)鍵技術(shù)研究》資料來源：ZiweiXia《Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation》彎曲傳感器對于腱驅(qū)動的機(jī)械手來說，腱繩的位移總是隨著套管形狀的變化而變化，這種位置誤差可能導(dǎo)致控制精度下降。因此，僅利用腱繩張力信息進(jìn)行控制可能會產(chǎn)生彎曲傳感器具有高分辨率和大彎曲感應(yīng)范圍。在使用彎曲傳感器后，無需直接測量輸出張力，即可精確控制腱繩的張力。資料來源：ZiweiXia《Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation》從應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前靈巧手實現(xiàn)成熟應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：航空航天、醫(yī)療假肢、工業(yè)及科研領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域?qū)π阅艿囊筝^高，對成本不敏感，如美國宇航中心（NASA）的RobonautHand、德國宇航中心（DLR）的DLRHand、Dexhand；醫(yī)療假肢是目前少有的已實現(xiàn)商業(yè)化批量制造的領(lǐng)域，如ottobock的BebionicHand、MichelangeloHand；工業(yè)領(lǐng)域靈巧手目前由少數(shù)協(xié)作機(jī)器人夾爪企業(yè)所引領(lǐng)，如SCHUNK公司的SCHUNKSVHHand、Festo公司的FestoExoHand；而科研領(lǐng)域主要由全球知名高校主導(dǎo)，靈巧手的設(shè)計思路較為開闊。從靈巧手設(shè)計層面來看，主要有以下幾個層面：1）靈活度設(shè)計。靈活度設(shè)計是一個取舍與平衡的過程，原因在于更多的靈活度意味著更強(qiáng)的功能性，但背后需要更多的驅(qū)動器與更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必然帶來魯棒性的下降。對于功能性的衡量，通常采用Cutkosky抓取分類法。多數(shù)高靈活度靈巧手需要面臨的一個任務(wù)是單關(guān)節(jié)雙自由度的實現(xiàn)，目前具有代表性的傳動形式有三種：（1）雙軸正交結(jié)構(gòu)；（2）球/孔結(jié)構(gòu)；（3）差動齒輪組；2）動力源。包括選擇動力源的種類、位置及數(shù)量，以及適配的減速器。目前電機(jī)驅(qū)動已成為主流驅(qū)動方式。電機(jī)類型包括直流無刷電機(jī)、無框力矩電機(jī)、空心杯有刷電機(jī)、空心杯無刷電機(jī)，減速器類型包括諧波減速器和行星減速器；3）傳動結(jié)構(gòu)。傳動系統(tǒng)的設(shè)計不僅決定了靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且直接影響到靈巧手的抓取穩(wěn)定性和靈活性。腱傳動對于空間狹小、傳動精密的靈巧手空間設(shè)計較為友好，關(guān)鍵在于腱繩材料的選擇；連桿、齒輪等傳動方式更為直接，但對空間、設(shè)計的要求較高；4）傳感系統(tǒng)。根據(jù)傳感器在機(jī)器人手中的布局和功能，可將傳感器分為兩類：內(nèi)在傳感器和外在傳感器。內(nèi)在傳感器反饋機(jī)器人本體的運動或動態(tài)信息，如手關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)扭矩和肌腱應(yīng)變，而外在傳感器感知外部環(huán)境，如壓力、力、溫度和平滑度。綜上，我們認(rèn)為，人形機(jī)器人與人工智能技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)鏈正處于放量前夕，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈面臨巨大投資機(jī)遇。五指靈巧手的投資機(jī)會主要體現(xiàn)在：1）作為人形機(jī)器人與外界交互的重要媒介，是機(jī)器人功能性的直接體現(xiàn)。這一方面決定了其在人形機(jī)器人體系中的重要地位，另一方面預(yù)示著五指靈巧手與人形機(jī)器人功能對應(yīng)，在硬件層面可選的方案數(shù)量將大于其他部位；2）五指靈巧手可以不依附于人形機(jī)器人而單獨存在，如機(jī)械臂、遠(yuǎn)程操作手套、假肢等，這決定了五指靈巧手的遠(yuǎn)期市場容量的進(jìn)一步擴(kuò)大；3）五指靈巧手作為一個功能單元，相較人形機(jī)器人其他部位，其自身零部件數(shù)量更多，硬件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要集合整手的運動控制、末端傳感、人機(jī)交互等，最終可能造成五指靈巧手環(huán)節(jié)的競爭更加多層次，也容易演化成為單獨環(huán)節(jié)。公司是運動控制領(lǐng)域的綜合制造商，專注于運動控制、智公司的空心杯無齒槽電機(jī)基于公司在控制電機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)儲備和產(chǎn)品開精密直線傳動系統(tǒng)和減速機(jī)產(chǎn)品在移動機(jī)器人的移動控制模塊、關(guān)節(jié)模公司是以微特電機(jī)為主要構(gòu)成的定制化精密運動控制解決方案提供商，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)和公司主營業(yè)務(wù)為智能控制系統(tǒng)解決方案的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，即以電控、電機(jī)、電池、電源、物聯(lián)網(wǎng)平臺的“四電一網(wǎng)”技術(shù)為核心，面向家電、工具、新能源、工業(yè)、智能解決方案等五大行業(yè)提供各種定制化解決公司主要從事工業(yè)自動化控制核心部件與數(shù)字化工廠軟硬件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售以及相關(guān)技術(shù)服務(wù)，并為客戶提供公司無框力矩電機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)平臺化的生產(chǎn)和銷售，20公司主要從事電機(jī)相關(guān)的家用電器產(chǎn)品及汽車零部件產(chǎn)品公司是一家集電機(jī)驅(qū)動、微特電機(jī)、精密減速器的研發(fā)、公司專注于齒輪傳動產(chǎn)品制造，目前的主要產(chǎn)品為乘用車公司是一家專業(yè)從事精密傳動裝置研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，產(chǎn)品包括諧波減速器及精密零部件、機(jī)電一體化執(zhí)行器、微型電液伺服裝置、智能自動化裝備公司通過自主創(chuàng)新、自主研發(fā)，發(fā)展完善了新一代諧波嚙合“P公司主要生產(chǎn)軸承及汽車配件等高端精密零部件。為德國T型螺紋絲杠開發(fā)完成并向客戶送樣，行星滾柱絲杠零戶多次送樣，公司的短期目標(biāo)是切入主流客戶產(chǎn)公司業(yè)務(wù)分為三大板塊：一、各類精密零部工業(yè)母機(jī)領(lǐng)域，全面布局直線滾動功能部件，產(chǎn)壓元件、精密鑄件、液壓系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)于一體的大型綜合性械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)工程、海洋工程、能源科技、隧道工絲桿電動缸、750根行星滾柱絲桿電動缸、100,0公司主營業(yè)務(wù)為胎圈鋼絲、鋼簾線以及膠管鋼絲的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品主要應(yīng)用于乘用車輪胎、載重輪胎、工公司為專業(yè)從事超高分子量聚乙烯纖維及其復(fù)合材料研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家高新技術(shù)企業(yè)，憑借二十余年在行業(yè)的深耕和技術(shù)積淀，成為行業(yè)內(nèi)少數(shù)可以同時實現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維及其復(fù)合材料規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)，擁有公司對戰(zhàn)略新材料產(chǎn)業(yè)超高分子量聚乙烯纖維及其復(fù)合纖維持續(xù)投入，在新材料產(chǎn)業(yè)化及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用方面不斷實現(xiàn)突破，已實現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維及其復(fù)合纖維公司是智能傳感器行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，主要研制和生產(chǎn)各類型物理量傳感器，以及不同工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及多場景應(yīng)用解公司是國內(nèi)領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究和電化學(xué)工作站整體公司主要從事電踏車（即電動助力車）電機(jī)及配套電氣系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)，公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于公司專注于汽車動力總成智能測試領(lǐng)域，致力于提供業(yè)界公司以傳感器為核心，將傳感技術(shù)、智能儀表技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、地理信息和云計算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，形物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案、公用事業(yè)及居家智能與健康等行業(yè)控股子公司蘇州能斯達(dá)積極拓展柔性微