《機器人行業深度研究：機器人靈巧手的發展歷程及未來發展方向探討-230720（20頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機器人行業深度研究：機器人靈巧手的發展歷程及未來發展方向探討-230720（20頁）.pdf（20頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 敬請參閱最后一頁特別聲明 1 投資邏輯：本篇報告聚焦機器人靈巧手，主要探討靈巧手的本篇報告聚焦機器人靈巧手，主要探討靈巧手的演變歷程、分類方式以及未來有可能的發展方向演變歷程、分類方式以及未來有可能的發展方向。什么是機器人靈巧手？什么是機器人靈巧手？綜合機器人學和運動學理論，我們認為靈巧手是指數不少于 3，自由度不低于 9 的末端執行器。從技術角度看，自 20 世紀 70 年代以來，多指靈巧手的研究經歷了三個階段：（1）20 世紀 70 年代20 世紀90 年代，靈巧手開始搭載電機、腱繩等驅動器或傳動系統部件，可以完成基本的抓持等動作。（2）20 世紀 90 年代-2010 年，受益嵌入式硬

2、件的發展，靈巧手具備更高的系統集成度和更加豐富的感知能力。（3）2010 年至今，通過欠驅動等結構設計來簡化系統、提高魯棒性是近十年靈巧手設計的重要方向。機器人靈巧手有哪些類型？機器人靈巧手有哪些類型？根據驅動器位置分根據驅動器位置分為為驅動器內置、外置和混合置靈巧手驅動器內置、外置和混合置靈巧手，內置微型驅動器，內置微型驅動器有望成有望成發展方向。發展方向。（1）驅動器外置具有外觀設計擬人化、驅動器選型自由、可以采用更大的驅動電機等優勢，但存在驅動器與手本體距離遠，須借助腱繩連接、可維護性差等缺點。（2）驅動器內置利于傳感器直接測量、利于更換維護，但通信和控制難度大，靈巧手尺寸偏大，關節靈活

3、度下降。（3）驅動器混合置可以提高手指輸出力矩、控制體積大小，但仍需借助腱繩傳動。因此，在靈巧手內安裝微型驅動器，既能保證傳感器直接測量，又能減少靈巧手體積，有望成為未來發展方向。根據驅動器根據驅動器類型分為類型分為電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動和形狀記憶合金驅動電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動和形狀記憶合金驅動，電機驅動是主流。，電機驅動是主流。（1）電機驅動具有標準化、穩定可靠、精度高、響應快、驅控一體等優勢，是靈巧手主要驅動方式，缺點在于質量體積大、成本高。（2）氣壓/液壓驅動靈巧手具有輸出功率密度大、易于實現遠距離控制以及輸出力大等優點，但由于氣壓/液壓的控制相對較難導致靈巧手運動過程不平穩

4、，無法進行手指位置的精確控制。（3）形狀記憶合金具有驅動速度快、負載能力強等優勢，但存在疲勞和壽命問題。根據根據傳動方式傳動方式分為腱傳動、連桿傳動、齒輪分為腱傳動、連桿傳動、齒輪/蝸輪蝸桿傳動。蝸輪蝸桿傳動。（1）腱傳動對手指關節遠距離驅動，可以減小手指的尺寸，具有結構緊湊、研制靈活等優勢，缺點在于控制精度不高、抓取力不大，腱繩易磨損。（2）連桿傳動易于實現強力抓取、遲滯性較低，傳動精確，但傳動機構復雜，對零部件的制造精度要求高且擬人性不足。（3）齒輪/蝸輪蝸桿傳動較為精密、傳遞效率高、穩定性好，但存在結構復雜，使靈巧手的慣性增大、自重增大的缺點。靈巧手未來有哪些發展方向？靈巧手未來有哪些發

5、展方向？方向方向 1 1：內置微型驅動器：內置微型驅動器：可以避免因腱繩連接帶來的設計難度大的缺點，同時利于傳感器直接測量，方便維修。方向方向 2 2：多感知能力融合：多感知能力融合：利于提高靈巧手精細抓取能力和智能化水平，是未來靈巧手發展的另一重要方向。方向方向 3 3：多自由度：多自由度：自由度是靈巧手靈巧性的決定因素，提升自由度是未來靈巧手的又一發展方向。投資建議 機器人靈巧手核心零部件包括伺服電機、傳感器、減速器、滾珠絲杠等?？紤]當前靈巧手零部件市場空間大，且隨著人形機器人產業鏈發展成長前景較好，建議重點關注：空心杯電機領域的鳴志電器、拓邦股份、江蘇雷利；傳感器領域的柯力傳感、漢威科技

6、；減速器領域的綠的諧波、雙環傳動；滾珠絲杠領域的秦川機床、恒立液壓。風險提示 人形機器人發展不及預期，國產替代進展不及預期，行業競爭加劇。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 2 內容目錄內容目錄 1.什么是機器人靈巧手？.4 1.1 靈巧手是指數3，自由度9 的末端執行器.4 1.2 機器人靈巧手的前世今生.4 2.機器人靈巧手有哪些類型？.6 2.1 根據靈巧手驅動器位置劃分.7 2.2 根據靈巧手驅動器類型劃分.9 2.3 根據靈巧手傳動方式劃分.12 3.靈巧手未來有哪些發展方向？.15 3.1 方向 1：內置微型驅動器.15 3.2 方向 2：多感知功能融合.16 3.3 方向 3

7、：多自由度.17 4.投資建議.18 5.風險提示.18 圖表目錄圖表目錄 圖表 1：靈巧手是特殊的末端執行器.4 圖表 2：日本 TWENDY-ONE 靈巧手擁有 4 指、13 個自由度.4 圖表 3：機器人兩指夾持器.4 圖表 4：多指抓持手分類.5 圖表 5：初始階段的多指靈巧手.5 圖表 6：第二階段系統集成度更高、感知能力更加豐富的多指靈巧手.6 圖表 7：欠驅動靈巧手代表產品.6 圖表 8：機器人多指靈巧手分類.7 圖表 9：DARPA Extrinsic 及其驅動模塊 Cobot.7 圖表 10：Robonaut 2 靈巧手結構圖.7 圖表 11：Dexhand 靈巧手.8 圖表

8、 12：DLR/HITII 靈巧手及其關節傳動結構.8 圖表 13：DLR/HIT II 靈巧手手指結構.8 圖表 14：意大利 iCub 機器人及其靈巧手.9 圖表 15：韓國 RoboRay 機器人及其靈巧手.9 圖表 16：Stanford/JPL Hand 結構圖.9 圖表 17：德國 DLR-I Hand 示意圖.10 AViZtZkYjW8ZmOoMtQ7NbPaQtRrRmOnOeRqQoRkPtRnRaQoPpPNZmOpQNZqNoO行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 3 圖表 18：德國 Festo 公司研制的氣動仿生靈巧手.10 圖表 19：上海交大聯合 MIT 開發

9、的氣壓驅動靈巧手.10 圖表 20：Stefan Schulz 等人研制的微液壓驅動的仿生靈巧手.11 圖表 21：日本 Hitachi 靈巧手.11 圖表 22：中國計量大學基于 SMA 驅動的三指靈巧手.11 圖表 23：電機驅動綜合性能相對更好.11 圖表 24：特斯拉 Optimus 等機器人靈巧手采用電機驅動.12 圖表 25：腱傳動原理.12 圖表 26：Utah/MIT 靈巧手.13 圖表 27：CEA dexterous 靈巧手.13 圖表 28：Shadow Hand 仿生靈巧手.13 圖表 29：連桿傳動手指.14 圖表 30：連桿傳動的靈巧手結構透視圖.14 圖表 31：

10、KIST Hand 靈巧手.14 圖表 32：Panipat Wattanasiri 等人研制的靈巧手.14 圖表 33：齒輪傳動手指.15 圖表 34：HIT/DLR-I 靈巧手.15 圖表 35：BH-985 靈巧手.15 圖表 36：因時機器人靈巧手內部結構.16 圖表 37：因時機器人微型伺服電缸.16 圖表 38：因時機器人靈巧手.16 圖表 39：機器人傳感器分類.16 圖表 40：騰訊 TRX-Hand 指尖觸覺傳感器自動化標定.17 圖表 41：騰訊 TRX-Hand 靈巧手.17 圖表 42：人手有 21 個自由度.17 圖表 43：Shadow 靈巧手.18 圖表 44：S

11、hadow 手指結構圖.18 圖表 45：重點公司估值表.18 行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 4 1.什么是機器人靈巧手？1 1.1.1 靈巧手靈巧手是是指數指數3 3，自由度，自由度9 9 的的末端執行器末端執行器 靈巧手是機器人操作和動作執行的末端工具，在機器人學領域屬于末端執行器的范疇。從運動學的觀點看，靈巧手需滿足兩個條件：指關節運動時能使物體產生任意運動、指關節固定時能完全限制物體的運動，按照運動學理論，滿足上述條件至少要 3 個手指和 9 個自由度。因此，我們定義靈巧手是指數3，自由度9 的末端執行器。例如日本的 TWENDY-ONE機器人，其靈巧手擁有 4 根手指和 1

12、3 個自由度。圖表圖表1 1：靈巧手是特殊的靈巧手是特殊的末端執行器末端執行器 圖表圖表2 2：日本日本 TWENDYTWENDY-ONEONE 靈巧手擁有靈巧手擁有 4 4 指、指、1 13 3 個自由度個自由度 來源：機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰，國金證券研究所 來源：仿人型靈巧手拇指靈巧性設計方法的研究，國金證券研究所 1 1.2.2 機器人靈巧手的前世今生機器人靈巧手的前世今生 從形態和功能上看，靈巧手經歷了兩指夾持器、多指抓持手和多指靈巧手三個發展階段：兩指兩指夾持器夾持器 兩指夾持器通過模仿手指的夾持運動來抓持物體，能夠在執行動作的同時夾住和松開目標物體。其優點是結構簡單

13、，運動形式穩定，工作可靠，在工業現場常應用于目標零部件的夾取、搬運、換位、裝配等。但由于缺乏手指的靈活性，不能對復雜形狀的目標進行抓持，無法對目標物體實施操作。該類夾持器已有多種標準化的產品，例如德國 SCHUNK 公司的氣動平行爪夾持器、FESTO 公司的氣動夾持器等。圖表圖表3 3：機器人機器人兩指兩指夾持器夾持器 來源：機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰，國金證券研究所 多指抓持手多指抓持手 多指抓持手按照功能不同分為聯動型抓持手、多關節手指抓持手和軟體多指抓持手。聯動型抓持手一般為三指或四指結構，工作原理與兩指夾持器一樣，由于采用多指設計，可以對目標物體實施多觸點抓持，提高了抓持的

14、成功率和可靠性，但是依然缺乏靈活性和目標物體的適應性。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 5 多關節手指抓持手在其手指上設置多個關節，具有對目標物體進行仿形接觸和抓持的可能性，擴大了抓持范圍，能夠提高抓持的穩定性和可靠性。軟體多指抓持手在抓取物體時可根據物體形狀更自然妥帖地調整形態，在操作易碎品或不規則物體(如雞蛋、蔬果、個性化零件等)方面具有優勢。圖表圖表4 4：多指抓持手分類多指抓持手分類 來源：科工世界，工業機器人，國金證券研究所 多指靈巧手多指靈巧手 機器人多指靈巧手的研究始于 20 世紀 70 年代，一共經歷了三個階段：第一階段是從 20 世紀 70 年代20 世紀 90 年代。

15、這一階段有 3 款典型代表產品，分別是日本的 Okada、美國的 Stanford/JPL 和 Utah/MIT。這三只靈巧手是研究初始階段的典型代表，為后續仿人型多指靈巧手研究建立了理論基礎。1）1974 年日本“電子技術實驗室”成功研制了 Okada 靈巧手，它有 3 根手指和 1 個手掌，拇指有 3 個自由度，另外兩根手指各有 4 個自由度。手指的每個關節由電機驅動，通過鋼絲和滑輪機構實現運動和動力傳遞，可以完成螺栓擰進螺母等操作。2）20世紀80年代初美國斯坦福大學成功研制了Stanford/JPL靈巧手，該手有3個手指，每指有 3 自由度，手指使用 n+1 腱(n 個手指)設計，即每

16、個手指采用 4 條腱繩傳遞運動和動力，整手使用 12 個直流伺服電機作為關節驅動器。與 Okada 相比，Stanford/JPL 手的靈活性有較大的改善，但其控制系統也更為復雜。3）1982 年美國麻省理工學院和猶他大學聯合研制了 Utah/MIT 靈巧手，該手具有 4 個手指，每個手指有 4 個自由度，采用 2n 腱（n 個手指）傳動設計，整手共 32 個驅動器。手指的配置類似人手的拇指、食指、中指和無名指，都連接手掌且相對于手掌進行運動。圖表圖表5 5：初始階段的初始階段的多指靈巧手多指靈巧手 來源：小米技術微信公眾號，國金證券研究所 第二階段是從 20 世紀 90 年代到 2010 年

17、。受益嵌入式硬件的發展，這一階段的多指靈巧手有著更高的系統集成度和更加豐富的感知能力。例如：行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 6 1）美國研制了用于國際空間站艙外作業的宇航員靈巧手 Robonaut hand，由 1 個手腕和 5 個手指組成，共 14 個自由度，由于使用了腱繩張力傳感器，整手的運動控制更加準確。2）德國宇航中心先后研制成功了 DLR-和 DLR-靈巧手，共集成了 25 個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關節扭矩傳感器、位置傳感器和溫度傳感器等，靈巧手在靈活性和感知能力方面有顯著提升。3）意大利 IIT 研制的 iCub 靈巧手集成了 12 個觸覺傳感器，48 個壓

18、力傳感器和 17個位置傳感器以實現靈巧的操作和豐富的感知能力，系統集成度的提高和感知能力的豐富使得多指手在操作時更加靈巧。圖表圖表6 6：第二階段第二階段系統集成度系統集成度更高、更高、感知能力感知能力更加豐富的多指靈巧手更加豐富的多指靈巧手 來源：小米技術微信公眾號，國金證券研究所 第三階段是從 2010 年至今。第二階段高度系統集成的靈巧手具有靈活性和功能性的優勢，但是系統的復雜性導致制造成本較高，并且降低了系統的可靠性和易維護性。因此，簡化系統、提高魯棒性是近十年靈巧手設計的一個重要方向。例如，立命館大學設計的 Ritsumeikan Hand、以及 HERI Hand、SPRING h

19、and 等靈巧手采用了欠驅動（驅動器數量少于手指關節自由度）的結構設計實現了系統簡化。欠驅動手雖然以簡化的系統實現了抓取任務，但是由于欠驅動自身特性使得操作能力受到限制，所以目前靈巧手難以同時具備魯棒性和功能性。圖表圖表7 7：欠驅動欠驅動靈巧手代表產品靈巧手代表產品 來源：國際金屬加工網，國金證券研究所 2.機器人靈巧手有哪些類型？機器人靈巧手在體積、重量、靈活性和可操作性等各項性能指標上存在較大區別，這主要是因為靈巧手采用的驅動系統不同。靈巧手的驅動系統由驅動器和傳動系統兩部分組成。驅動器是驅動系統的核心部件，用以產生運動和力；傳動系統將運動和力從驅動器傳遞到靈巧手手指的關節。靈巧手在驅動

20、器位置、驅動器類型、傳動方式方面存在多種方案，據此可將靈巧手分為若干種類型。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 7 圖表圖表8 8：機器人多指靈巧手分類機器人多指靈巧手分類 來源：智星崛起，國金證券研究所 2 2.1.1 根據靈巧手根據靈巧手驅動器位置驅動器位置劃分劃分 靈巧手可根據驅動器位置分為驅動器內置式、驅動器外置式和驅動器混合置式靈巧手。驅動器外置 驅動器外置靈巧手有兩個優點：第一，驅動器外置使得機械手本體的設計可以在足夠的空間內展開，從而使得靈巧手的外觀設計更加擬人化，手指本體更加纖細。第二，驅動器選型可以更加自由，可以采用更大的驅動電機，從而增大手指的輸出力。驅動器外置靈巧手的

21、典型代表產品包括美國的 DARPA Extrinsic 靈巧手、NASA（美國宇航中心）和 GM(通用公司)聯合研制的 Robonaut 2 靈巧手。DARPA Extrinsic 靈巧手由美國國防部研制，該手具有 5 個手指，其電機和傳動系統都集成在前臂，被稱為 Cobot。前臂 Cobot 由 1 個 30W 的動力電機和 15 個操縱電機組成。動力電機是 Cobot 的主驅動元件，沿該電機的輸出軸布置著 5 個圓盤，每個圓盤內都集成有 3 個 CVT 裝置。CVT 裝置由操縱電機、位置傳感器、動力傳動球、操縱輥和同步齒輪組成的，能夠根據需要調整轉矩和速度。Robonaut 2 是 NAS

22、A 和 GM 聯合研制的靈巧手，該手有 18 個活動關節、12 個自由度，手與腕部的所有電機和電路以及電源線和來自上臂的通訊都集成在前臂內，其中，電源線有 6 根。手的有效負載超過 9kg，手指在充分伸展時可以承受 2.25kg 的指尖力，指尖速度超過 200mm/s。圖表圖表9 9：DARPA ExtrinsicDARPA Extrinsic 及其驅動模塊及其驅動模塊 CobotCobot 圖表圖表1010：Robonaut 2Robonaut 2 靈巧手結構圖靈巧手結構圖 來源：仿人型靈巧手拇指靈巧性設計方法的研究，國金證券研究所 來源：空間機器人多自由度靈巧手關鍵技術研究，國金證券研究所

23、 驅動器外置靈巧手也有兩個缺點：（1）驅動器與手本體之間距離遠，必須借助腱實現兩者的連接，傳感器獲得信息并不能反映靈巧手手指關節位置和關節驅動力，增加了控制器設計的難度。（2）可維護性差，當某跟腱斷裂時，必須進行靈巧手整體的拆卸，工作量大。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 8 驅動器內置 相比驅動器外置，驅動器內置式靈巧手各關節具有較好的剛性，更利于傳感器的直接測量，且模塊化設計利于更換維護。但是驅動器的內置分布讓通信和控制難度加大，手指尺寸及靈巧手整手尺寸較大，關節靈活度下降。驅動器內置式靈巧手典型代表產品包括德國宇航中心(DLR)于 2011 研制的面向空間應用的多指靈巧手 Dexh

24、and，以及哈爾濱工業大學和 DLR 公司研制的 DLR/HIT II。德國宇航中心研制的 DLR/HIT II 靈巧手為了應對復雜的空間環境，將驅動器及電氣系統都集中在手掌內，并通過 2mm 厚的鋁質外殼來屏蔽電磁干擾，降低溫度影響。DLR/HIT II 靈巧手尺寸為人手的 1.5-2 倍，具有 1 個獨立的手掌和 5 根模塊化手指，每根手指集驅動、傳感、控制等為一體。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。圖表圖表1111：DexhandDexhand 靈巧手靈巧手 來源：腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗，國金證券研究所 圖

25、表圖表1212：DLR/HITDLR/HITIIII 靈巧手及其關節傳動結構靈巧手及其關節傳動結構 圖表圖表1313：DLR/HIT IIDLR/HIT II 靈巧手手指結構靈巧手手指結構 來源：智星崛起，國金證券研究所 來源：仿人靈巧手的結構設計及其控制研究，國金證券研究所 驅動器混合置 部分靈巧手采用驅動器外置和內置相結合的方式，這種設計可以提高手指的輸出力矩，保證較高自由度的同時，控制體積大小。例如意大利的 iCub 和韓國的 RoboRay 靈巧手。意大利 iCub 靈巧手有 20 個活動關節、9 個自由度。9 個電機只有 2 個集成在手掌內，另外 7 個集成在前臂里。韓國三星公司 2

26、014 年研制了 RoboRay 靈巧手，該手具有五根手指，12 個自由度，7個大載荷的驅動器放置在前臂內，提供主要的抓取力，實現包絡抓取，并將5 個小載荷的驅動器放置在手掌內，用來改變手指姿態，實現精確抓取。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 9 圖表圖表1414：意大利意大利 iCubiCub 機器人及其機器人及其靈巧手靈巧手 圖表圖表1515：韓國韓國 RoboRayRoboRay 機器人機器人及其靈巧手及其靈巧手 來源：仿人型靈巧手拇指靈巧性設計方法的研究，國金證券研究所 來源：腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗，國金證券研究所 混合置式靈巧手將一部分驅動器放在手臂，既保證了

27、驅動力，也降低了靈巧手本體的體積，使得靈巧手更加擬人化。同時，靈巧手本體內置一部分驅動器，也有利于傳感器的直接測量。但另一方面，混合置靈巧手仍然具有外置式的缺點，例如需要借助腱繩傳動，增加了維修難度。從未來的發展趨勢上看，隨著微驅動、微傳動器件技術提升，多指靈巧手的研究將會向著模塊化、微機電集成化方向發展。2 2.2 2 根據靈巧手根據靈巧手驅動器類型驅動器類型劃分劃分 常見的靈巧手驅動器包括電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動和形狀記憶合金驅動。其中，電機驅動為主要驅動方式。電機電機驅動驅動 電機驅動是利用電動機產生的力或力矩，直接或經過減速機構驅動工業機械手，以獲得所需的位置、速度、加速度。電機驅

28、動是技術較為成熟、應用廣泛的一種驅動方式，為大多數靈巧手所采用。電機驅動的靈巧手的驅動形式可以分為旋轉型驅動和直線型驅動。采用旋轉型驅動的靈巧手以 StanfordJPL 手為代表，其驅動系統由直流電機和齒輪減速機構組成，因而體積較大，驅動系統只能放在手掌部位，通過腱進行手指關節的遠距離驅動。圖表圖表1616：Stanford/JPL HandStanford/JPL Hand 結構圖結構圖 來源：腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗，國金證券研究所 近年來，微型驅動器和減速器的發展為手指驅動系統的微型化和集成化創造了條件。例如，德國的 DLR 靈巧手采用直線型驅動器來驅動關節，其直線驅動

29、器將旋轉電機、旋轉直線轉換結構和減速機都集成在靈巧手內部。該靈巧手采用了模塊化的設計思想，由四根完全相同的手指組成，每根手指有 4 個關節，3 個自由度，末端的 2 個關節仿照人手設計成 1:1 的耦合運動。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 10 圖表圖表1717：德國德國 DLRDLR-I HandI Hand 示意圖示意圖 來源：腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗，國金證券研究所 氣壓氣壓/液壓液壓驅動驅動 氣壓/液壓驅動靈巧手的工作原理是通過動力元件推動工作介質(液體或氣體)在缸體內產生壓力差而驅動執行元件，與其他驅動方式相比，液壓和氣壓驅動具有輸出功率密度大、易于實現遠距離

30、控制以及輸出力大等優點。氣壓驅動 氣壓驅動靈巧手的典型代表有德國 Festo 公司的氣動靈巧手、上海交大聯合 MIT 開發的氣動靈巧手等。以德國 Festo 靈巧手為例，該手采用柔性硅膠和氣動波紋管材料作為手骨骼框架，具有極強的柔順性和安全性。當波紋管構成的密閉空間內充滿氣體時，在壓力差的作用下波紋管發生形變使手指產生彎曲運動；反之，當氣體從波紋管構成的密閉空間內排除時，手指恢復初始伸展狀態。此外，拇指和食指還具備特殊的氣動單元結構使其不僅能夠實現伸屈運動還可橫向移動，同時通過合理的布局和結構設計，整個靈巧手的 12 個自由度僅由 8 個氣動制動器就能完成驅動。這種氣壓驅動的仿生靈巧手存在兩方

31、面不足：（1）由于氣壓的控制相對較難導致靈巧手運動過程中會出現不平穩的情況；（2）氣壓驅動的相關驅動元件體積較大，不便于實現機械和驅動單元的集成化設計。圖表圖表1818：德國德國 FestoFesto 公司研制的氣動仿生靈巧手公司研制的氣動仿生靈巧手 圖表圖表1919：上海交大聯合上海交大聯合 MITMIT 開發的開發的氣壓驅動氣壓驅動靈巧手靈巧手 來源：機械傳感一體化的仿生靈巧手設計與運動控制，國金證券研究所 來源：智星崛起，國金證券研究所 液壓驅動 在氣壓驅動的啟發下，Stefan Schulz 等人研制出微液壓驅動的仿生靈巧手。該仿生靈巧手共有 8 個關節，關節處集成有柔性流體執行器，執

32、行器由集成在手掌內部的微型液壓系統進行驅動。當充液時，手指關節處的柔性流體執行器會產生壓力差從而驅動手指關節產生彎曲運動。當放液時，柔性流體執行器內的壓強減小，此時手指關節在關節處嵌入扭簧產生的扭力作用下恢復到初始的狀態。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 11 液壓驅動設計存在以下 3 點不足：（1）與氣壓驅動類似，液壓驅動依然會存在運動不平穩現象，導致仿生靈巧手無法進行手指位置的精確控制；（2）將液壓驅動元件集成到手指指體結構中造成手指結構冗雜，影響靈巧手的抓握性能。（3）液壓系統集成在手掌內部，高度集成化、輕量化的設計，導致靈巧手的抓握輸出力較小。圖表圖表2020：Stefan Sc

33、hulzStefan Schulz 等人研制的微液壓驅動的仿生靈巧手等人研制的微液壓驅動的仿生靈巧手 來源：機械傳感一體化的仿生靈巧手設計與運動控制，國金證券研究所 SMASMA（形狀記憶合金）驅動（形狀記憶合金）驅動 形狀記憶合金是一種能記住自身形狀的一種合金，當其發生永久變形后，若加熱到某一溫變形前的形狀，具有驅動速度快、負載能力強等優勢，但與其他金屬一樣，存在疲勞和壽命問題。日本在 1984 年成功研制了 Hitachi 手，該手由 3 個 4 自由度手指和 1 個拇指構成，采用了形狀記憶合金（SMA）驅動。國內中國計量大學等也有相關研究，研發出了基于形狀記憶合金的三指靈巧手，通過增加

34、SMA 的使用量來實現較大驅動位移輸出。圖表圖表2121：日本日本 HitachiHitachi 靈巧手靈巧手 圖表圖表2222：中國計量大學基于中國計量大學基于 SMASMA 驅動的三指靈巧手驅動的三指靈巧手 來源：基于并聯手指結構的機器人靈巧手的設計與研究，國金證券研究所 來源：智星崛起，國金證券研究所 綜合比較四種驅動器類型，電機驅動的綜合性能更好，具有標準化、穩定可靠、精度高、響應快、驅控一體等優勢，是目前技術成熟、應用廣泛的一種驅動方式，為大多數靈巧手采用。圖表圖表2323：電機驅動綜合性能相對更好電機驅動綜合性能相對更好 驅動方式驅動方式 優點優點 缺點缺點 電機驅動 標準化、穩定

35、可靠、精度高、響應快、驅控一體 質量體積大、成本高 氣壓驅動 能量存儲方便；傳動介質獲取方便；抗燃、防爆及不污染環境 驅動器的動態性能較差 液壓驅動 穩定性好、可靠性強、阻轉能力強，驅動器的結構簡單并且價格便宜 存在較大的泄漏流量，微型閥對污染物十分敏感 形狀記憶合金驅動 驅動速度快、負載能力強 存在疲勞和壽命問題 行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 12 來源：機器人多指靈巧手及其驅動系統研究的現狀，機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰，國金證券研究所 例如，思靈機器人 20 年推出的五指靈巧手 Dexterity Hand、因時機器人 21 年推出的五指靈巧手 RH56DFX 系列，

36、以及 22 年特斯拉推出的 Optimus 均采用電機驅動方案。圖表圖表2424：特斯拉特斯拉 OptimusOptimus 等機器人靈巧手采用電機驅動等機器人靈巧手采用電機驅動 來源：思靈機器人官網，因時機器人官網，特斯拉 AI Day，國金證券研究所 2 2.3.3 根據靈巧手根據靈巧手傳動方式傳動方式劃分劃分 機器人靈巧手抓取的穩定性和靈活性指標主要取決于傳動系統，按照傳動方式不同，可將靈巧手分為腱傳動、連桿傳動、齒輪/蝸輪蝸桿傳動等類型：腱傳動 腱傳動是最常用的靈巧手驅動方式，其工作原理為：置于靈巧手前臂中的電機通過齒輪箱驅動滾珠絲杠，通過滾珠絲杠上的螺母把轉動變為平動，腱繩形成一個腱

37、環套在螺母上，螺母拉動連接在靈巧手手指指骨上的腱繩，實現手指繞關節軸的轉動運動。其中為了引導腱繩的走線，避免腱繩之間的干擾，一般采用腱繩外包裹導管的形式。圖表圖表2525：腱傳動原理腱傳動原理 來源：腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究，國金證券研究所 腱傳動的優點較多，主要包括：（1）可以使驅動器和手指本體分離，對手指關節進行遠距離驅動，從而減小手指的尺寸和質量；（2）結構緊湊、研制靈活、成本低；（3）腱傳動使一種零回差的柔順傳動方式，可以簡化力控制器的設計。其缺點在于控制精度不高、抓取力不大，腱繩需要額外的張緊裝置、易磨損。綜合來看，腱傳動優勢較為明顯，為大部分靈巧手所采用。例如 U

38、tah/MIT、CEA dexterous、PISA/IIT Soft、DLR_Hand Arm System，以及商用化的 shadow hand 等都采用腱繩驅動。Utah/MIT 手由麻省理工學院和猶他大學于 1980 年聯合研制，該手 4 個手指完全相同，每個手指都連接到手掌并且相對于手掌進行運動。該手采用氣動伺服缸作為手指關節的驅動元件，通過腱和滑輪實現遠距離傳動。為達到最大的操作度，該手采用了 2N型腱驅動系統，每個關節通過一對運動方向相反的腱進行驅動。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 13 CEA dexterous 靈巧手由西班牙國防中心大學與法國交互式機器人實驗室于 2

39、014 年設計，該靈巧手采用了腱傳動，其特點在于三軸單元位于手指 MP 關節處，通過巧妙地引導腱繩穿過 MP 關節，避免了腱繩之間的耦合運動，使得每個驅動器可以獨立地驅動 1 個自由度，降低了控制難度。Shadow Hand 靈巧手由英國 Shadow 公司于 2004 年研制，由靈巧手本體和 2 個自由度的手腕組成。該手采用腱繩驅動，所有驅動器放置在靈巧手外，有效減小了靈巧手本身的尺寸。圖表圖表2626：Utah/MITUtah/MIT 靈巧靈巧手手 圖表圖表2727：CEA dexterousCEA dexterous 靈巧手靈巧手 來源：空間機器人多自由度靈巧手關鍵技術研究，國金證券研究

40、所 來源：腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗，國金證券研究所 圖表圖表2828：Shadow HandShadow Hand 仿生靈巧手仿生靈巧手 來源：機械傳感一體化的仿生靈巧手設計與運動控制，國金證券研究所 連桿傳動 靈巧手可以采用多個連桿串并聯混合的形式傳遞運動和力矩，以一個手指為例，其工作原理為：手的指尖、二指節、三指節為不同形狀的三角形連桿，連桿為直線形式，K1 以及K2 為復位彈簧，當 K1 處的驅動連桿順/逆時針轉動時，手指做屈曲/前伸運動。其優點在于：第一，連桿傳動由于連桿機構的剛度大，易于實現強力抓取物體，并且遲滯性較低，傳動精確，易于達到較高的動態響應。第二，除拇指單

41、獨驅動之外，其余四指可以由一個電機共同驅動，降低了購買電機所帶來的成本。其缺點包括：第一，傳動機構較為復雜，對零部件的制造精度要求高。第二，柔性較差，靈巧手在抓握不規則形狀物體時的包絡性和自適應性較差。第三，擬人性不足，受機械機構的限制，手指小型化和擬人化的實現較為困難。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 14 圖表圖表2929：連桿傳動手指連桿傳動手指 圖表圖表3030：連桿連桿傳動傳動的靈巧手結構透視圖的靈巧手結構透視圖 來源：仿人靈巧手的結構設計及其控制研究，國金證券研究所 來源：空間機器人多自由度靈巧手關鍵技術研究，國金證券研究所 采用連桿傳動的代表案例有韓國科學技術研究院開發的

42、KIST Hand 靈巧手和 Panipat Wattanasiri 團隊研發的仿生靈巧手。KIST Hand 由韓國科學技術研究院開發，該手的基關節運動由 2UPS-RR 并聯機構實現，手指的運動由耦合連桿實現。Panipat Wattanasiri 團隊研發的仿生靈巧手采用曲柄滑塊連桿機構，每根手指各有一個伸曲自由度。整個仿生靈巧手的 6 個自由度運動通過凸輪滑塊機構進行耦合，實現僅通過集成在手掌中部的單個直流無刷電機進行驅動。圖表圖表3131：KIST HandKIST Hand 靈巧手靈巧手 圖表圖表3232：Panipat WattanasiriPanipat Wattanasiri

43、 等人研制的靈巧手等人研制的靈巧手 來源：仿人型靈巧手拇指靈巧性設計方法的研究，國金證券研究所 來源：機械傳感一體化的仿生靈巧手設計與運動控制，國金證券研究所 齒輪/蝸輪蝸桿傳動 齒輪/蝸輪蝸桿傳動工作原理為：驅動器通過齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉變成直線運動，拉動驅動器和手指之間的彈簧來驅動手指產生動作，手指部分采用金屬連接，各個手指動作相互獨立，具有多種的抓取構形。和其他傳動方式相比，齒輪傳動的優點是能進行精確傳動，傳遞效率高、穩定性好。但另一方面，齒輪傳動存在結構相對復雜，使靈巧手的慣性增大、自重增大的缺點。并且當靈巧手需要的手指較長時，傳遞所需的相應齒輪數目也會增多，較大限制了齒輪鏈傳動機構的

44、應用。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 15 圖表圖表3333：齒輪傳動手指齒輪傳動手指 來源：仿人靈巧手的結構設計及其控制研究，國金證券研究所 例如：哈工大(HIT)聯合德國宇航中心(DLR)共同研發的HIT/DLR-I靈巧手，該手有4根手指，每根手指具備 3 自由度，選取齒輪以及連桿傳動，指尖關節為連桿耦合，傘齒輪組成的差動機構耦合則來完成基關節的 2 個自由度。北航研制的 BH-985 靈巧手，該手共有 5 個手指和 1 個手掌，每個手指有 3 個關節，驅動電機置于手掌內，通過齒輪傳動將動力傳輸到各個關節。圖表圖表3434：HIT/DLRHIT/DLR-I I 靈巧手靈巧手 圖表圖

45、表3535：BHBH-985 985 靈巧手靈巧手 來源：仿人靈巧手的結構設計及其控制研究，國金證券研究所 來源：仿人靈巧手的結構設計及其控制研究，國金證券研究所 3.靈巧手未來有哪些發展方向？3.13.1 方向方向 1 1：內置微型驅動器：內置微型驅動器 驅動器外置式靈巧手便于安裝較大功率的驅動電機，但一般需要借助腱繩連接靈巧手本體和電機，設計和維修難度加大。如果內置驅動器，雖然利于傳感器直接測量，方便維修，但往往導致手指尺寸較大，關節靈活度下降。因此，在手掌或者手指安裝微型驅動器是靈巧手未來發展的一個重要方向。在內置微型驅動力領域，代表產品是因時機器人靈巧手。因時是國內機器人核心零部件及末

46、端執行器供應商，其微型伺服電缸體積小，采用驅控一體化設計，功率密度高，精度達0.02mm。因時機器人靈巧手內部裝有 6 個小型伺服驅動器，集成無刷電機、行星減速機、直線導軌、絕對位置檢測傳感器和力傳感器，除大拇指擁有 2 個驅動器外，其余四指各配備 1 個驅動器。因時機器人靈巧手將微型驅動器等部件置于手掌內部，在控制靈巧手體積的同時，也利于傳感器直接測量，方便維修，預計將成為未來靈巧手設計的重要方向。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 16 圖表圖表3636：因時機器人因時機器人靈巧手內部結構靈巧手內部結構 來源：因時機器人，國金證券研究所 圖表圖表3737：因時機器人因時機器人微型伺服電

47、缸微型伺服電缸 圖表圖表3838：因時機器人靈巧手因時機器人靈巧手 來源：因時機器人，國金證券研究所 來源：因時機器人，國金證券研究所 3.23.2 方向方向 2 2：多感知功能：多感知功能融合融合 機器人傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器包括力、位置、速度、加速度等傳感器，主要用于感知機器人自身狀態，以實現自身動態平衡等。外部傳感器包括視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器，用于感知外部環境，如障礙物的位置遠近、形狀顏色、接觸受力情況等。圖表圖表3939：機器人傳感器分類機器人傳感器分類 來源：國金證券研究所 力傳感器和位置傳感器可以幫助靈巧手完成抓取作業任務，觸覺傳感器能夠檢測靈巧

48、手與行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 17 被操作物體的接觸狀態、位置和被操作物體的物理特征，并根據這些物理特征實現對操作物體的目標識別。因此，多感知能力融合是提高機器人靈巧手精細抓取能力和智能化水平的重要因素，也是未來靈巧手發展的另一重要方向。例如，2023 年 4 月，騰訊 Robotics X 實驗室推出自研機器人靈巧手 TRX-Hand。該手在指尖、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，掌心處安裝有微型激光雷達和接近傳感器，同時每一個關節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確地感知自身與物體狀態信息。此外，騰訊 Robotics X 實驗室對不同傳感

49、器進行了建模與標定，采用多傳感器信息融合技術，使機器人能在各種操作任務中更全面及時地感知物體信息、自身運動狀態以及與環境的物理交互，從而更可靠地完成任務。圖表圖表4040：騰訊騰訊 TRXTRX-HandHand 指尖觸覺傳感器自動化標定指尖觸覺傳感器自動化標定 圖表圖表4141：騰訊騰訊 TRXTRX-HandHand 靈巧手靈巧手 來源：騰訊 RoboticsX 實驗室，國金證券研究所 來源：騰訊 RoboticsX 實驗室，國金證券研究所 3.33.3 方向方向 3 3：多多自由度自由度 人手食指、中指、無名指和小拇指各有 3 個彎曲/伸展自由度，在指根關節各有 1 個外展/并攏自由度，

50、共 16 個自由度。大拇指有 5 個自由度，具體可分為彎曲/伸展自由度、外展/并攏自由度和旋轉自由度，合計共 21 個自由度。這種多自由度的特點使人手能夠靈活的完成各種抓握任務以及精細復雜的操作。圖表圖表4242：人手有人手有 2 21 1 個自由度個自由度 來源：小米技術，國金證券研究所 類似人手，自由度是多指靈巧手靈巧度的決定因素，提升自由度是未來靈巧手的又一發展方向。該方向的代表案例是英國 shadow 公司研制的 shadow hand，該手本體具有 18 個自由度，數目接近人手。其中，拇指具有 5 個自由度，其余四根手指皆具有 3 個自由度，小拇指根部有 1 個對掌自由度。這些自由度

51、意味著每根手指可以獨立地外展、內收，從而進行多種精巧的手部動作。對掌自由度又使得拇指可以與小指相對，賦予了該手更多類似人手的運動方式。較高的自由度不僅使其可以進行 24 種運動，也便于其適應對于各種物體的抓握與操作。此外，該手腕部還具有 2 個自由度，更增強了其靈活性。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 18 圖表圖表4343：ShadowShadow 靈巧手靈巧手 圖表圖表4444：ShadowShadow 手指結構圖手指結構圖 來源：Shadow 官網，國金證券研究所 來源：Shadow 官網，國金證券研究所 4.投資建議 機器人靈巧手核心零部件包括伺服電機、傳感器、減速器、滾珠絲杠等

52、?？紤]當前靈巧手零部件市場空間大，且隨著人形機器人產業鏈發展成長前景較好，建議重點關注：空心杯電機領域的鳴志電器、拓邦股份、江蘇雷利；傳感器領域的柯力傳感、漢威科技；減速器領域的綠的諧波、雙環傳動；滾珠絲杠領域的秦川機床、恒立液壓。圖表圖表4545：重點重點公司估值表公司估值表 領域領域 代碼代碼 公司公司 市值市值 （億元）（億元）歸母凈利潤（億元）歸母凈利潤（億元）PEPE 20222022 2023E2023E 2024E2024E 2025E2025E 20222022 2023E2023E 2024E2024E 2025E2025E 空心杯電機 603728.SH 鳴志電器 274.

53、85 2.47 4.02 6.13 8.55 111.17 68.30 44.84 32.13 002139.SZ 拓邦股份 146.89 5.83 8.16 11.21 14.05 25.21 18.00 13.10 10.46 300660.SZ 江蘇雷利 107.12 2.59 3.48 4.61 5.58 41.40 30.74 23.24 19.19 傳感器 603662.SH 柯力傳感 87.77 2.60 3.45 4.24 5.26 33.73 25.41 20.69 16.68 300007.SZ 漢威科技 57.10 2.76 3.77 3.66 4.85 20.67 15

54、.16 15.59 11.78 減速器 688017.SH 綠的諧波 229.06 1.55 2.80 3.58 4.40 147.49 81.82 63.93 52.12 002472.SZ 雙環傳動 261.07 5.82 8.06 10.58 13.51 44.85 32.38 24.69 19.32 滾珠絲杠 000837.SZ 秦川機床 136.94 2.75 3.32 4.41 6.00 49.80 41.25 31.05 22.82 601100.SH 恒立液壓 910.02 23.43 28.23 32.51 35.77 38.84 32.24 27.99 25.44 來源：W

55、ind，國金證券研究所（除秦川機床、恒立液壓，其余公司取 wind 一致預期，估值日期為 2023 年 7 月 20 日）5.風險提示 人形機器人發展不及預期風險。人形機器人處于發展初期，風險較大，若未來發展不及預期，電機、傳感器、減速器、滾珠絲杠等核心零部件需求不及預期，影響相關公司業績。國產替代不及預期風險。目前在電機、減速器等領域國內部分國內企業已經步入第一梯隊，但未來如果技術研發滯后，或導致國產替代進展不及預期，影響企業業績增長。行業競爭加劇風險。隨著需求的變化，靈巧手零部件細分市場如果競爭加劇，則存在企業盈利能力下降風險。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 19 行業行業投資評級

56、的說明：投資評級的說明：買入：預期未來 36 個月內該行業上漲幅度超過大盤在 15%以上；增持：預期未來 36 個月內該行業上漲幅度超過大盤在 5%15%；中性：預期未來 36 個月內該行業變動幅度相對大盤在-5%5%；減持：預期未來 36 個月內該行業下跌幅度超過大盤在 5%以上。行業深度研究 敬請參閱最后一頁特別聲明 20 特別聲明：特別聲明：國金證券股份有限公司經中國證券監督管理委員會批準，已具備證券投資咨詢業務資格。本報告版權歸“國金證券股份有限公司”（以下簡稱“國金證券”）所有，未經事先書面授權，任何機構和個人均不得以任何方式對本報告的任何部分制作任何形式的復制、轉發、轉載、引用、修

57、改、仿制、刊發，或以任何侵犯本公司版權的其他方式使用。經過書面授權的引用、刊發，需注明出處為“國金證券股份有限公司”，且不得對本報告進行任何有悖原意的刪節和修改。本報告的產生基于國金證券及其研究人員認為可信的公開資料或實地調研資料，但國金證券及其研究人員對這些信息的準確性和完整性不作任何保證。本報告反映撰寫研究人員的不同設想、見解及分析方法，故本報告所載觀點可能與其他類似研究報告的觀點及市場實際情況不一致，國金證券不對使用本報告所包含的材料產生的任何直接或間接損失或與此有關的其他任何損失承擔任何責任。且本報告中的資料、意見、預測均反映報告初次公開發布時的判斷，在不作事先通知的情況下，可能會隨時

58、調整，亦可因使用不同假設和標準、采用不同觀點和分析方法而與國金證券其它業務部門、單位或附屬機構在制作類似的其他材料時所給出的意見不同或者相反。本報告僅為參考之用，在任何地區均不應被視為買賣任何證券、金融工具的要約或要約邀請。本報告提及的任何證券或金融工具均可能含有重大的風險，可能不易變賣以及不適合所有投資者。本報告所提及的證券或金融工具的價格、價值及收益可能會受匯率影響而波動。過往的業績并不能代表未來的表現?？蛻魬斂紤]到國金證券存在可能影響本報告客觀性的利益沖突，而不應視本報告為作出投資決策的唯一因素。證券研究報告是用于服務具備專業知識的投資者和投資顧問的專業產品，使用時必須經專業人士進行解

59、讀。國金證券建議獲取報告人員應考慮本報告的任何意見或建議是否符合其特定狀況，以及（若有必要）咨詢獨立投資顧問。報告本身、報告中的信息或所表達意見也不構成投資、法律、會計或稅務的最終操作建議，國金證券不就報告中的內容對最終操作建議做出任何擔保，在任何時候均不構成對任何人的個人推薦。在法律允許的情況下，國金證券的關聯機構可能會持有報告中涉及的公司所發行的證券并進行交易，并可能為這些公司正在提供或爭取提供多種金融服務。本報告并非意圖發送、發布給在當地法律或監管規則下不允許向其發送、發布該研究報告的人員。國金證券并不因收件人收到本報告而視其為國金證券的客戶。本報告對于收件人而言屬高度機密，只有符合條件

60、的收件人才能使用。根據證券期貨投資者適當性管理辦法，本報告僅供國金證券股份有限公司客戶中風險評級高于 C3 級(含 C3 級）的投資者使用；本報告所包含的觀點及建議并未考慮個別客戶的特殊狀況、目標或需要，不應被視為對特定客戶關于特定證券或金融工具的建議或策略。對于本報告中提及的任何證券或金融工具，本報告的收件人須保持自身的獨立判斷。使用國金證券研究報告進行投資，遭受任何損失，國金證券不承擔相關法律責任。若國金證券以外的任何機構或個人發送本報告，則由該機構或個人為此發送行為承擔全部責任。本報告不構成國金證券向發送本報告機構或個人的收件人提供投資建議，國金證券不為此承擔任何責任。此報告僅限于中國境內使用。國金證券版權所有，保留一切權利。上海上海 北京北京 深圳深圳 電話：021-60753903 傳真：021-61038200 郵箱： 郵編：201204 地址：上海浦東新區芳甸路 1088 號 紫竹國際大廈 7 樓 電話：010-85950438 郵箱： 郵編：100005 地址：北京市東城區建內大街 26 號 新聞大廈 8 層南側 電話：0755-83831378 傳真：0755-83830558 郵箱： 郵編：518000 地址：深圳市福田區金田路 2028 號皇崗商務中心 18 樓 1806