20231228-广发证券-机械设备行业人形机器人系列之十：灵巧手功能完备性与成本的博弈

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股票代码

货币评级收盘价

报告日期（元/股）

2023E2024E1.402024E25.0523.682023E22.0230.43柯力传感

603662.SHCNY35.072023/11/03买入49.502023/11/14增持37.9152.291.151.3430.5036.94东华测试

300354.SZCNY2.09数据来源：Wind、广发证券发展研究中心备注：表中估值指标按照最新收盘价计算识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明2/29深度分析|机械设备目录索引引言：场景驱动下的灵巧手方案的选择..............................................................................6一、灵巧手核心矛盾：功能完备性与成本之间的取舍........................................................9（一）特斯拉二代灵巧手：更精准的力控和更灵活的抓取

........................................9（二）灵巧手性能评价：灵巧性、可靠性和抓取能力..............................................10（三）性能与成本的博弈：驱动、传动和传感装置

.................................................11二、驱动：空心杯电机应用较多，核心为定制化

.............................................................13（一）灵巧手具有多种驱动方式，电驱为主流路线

.................................................13（二）空心杯电机为灵巧手的较优选择，定制化开发设计为核心

...........................13三、传动：绳驱与连杆场景跨度广，已有商业化产品......................................................16（一）绳驱与连杆实用性较强，是多领域主流选择方案..........................................16（二）绳驱：高性价比为特斯拉所青睐，搭配其他传动实现更优效果....................16（三）连杆：高负载强刚性，假肢等领域应用较为成熟..........................................17四、传感：灵巧手的“神经”，综合提升性能......................................................................19（一）多物理量感知结合，构建灵巧手感知神经.....................................................19（二）传感与传动相配合，综合提升灵巧手性能.....................................................19五、性能实现途径众多，灵巧手方案各具特色.................................................................21（一）因时灵巧手：直线驱动+连杆传动，用于假肢和服务

....................................21（二）SHADOWHAND：气动驱动+绳驱传动，协助科研或危险作业........................22（三）DLR系列：采用谐波+齿轮+带传动，应用于航空航天而成本高...................24六、风险提示....................................................................................................................27识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明3/29nZ9UrUnUlXvYuX7NcM8OmOmMoMsReRnMpNlOoMyRaQpPwOwMmPzRuOoMtO深度分析|机械设备图表索引图

1：Tesla二代产品灵巧手抓取鸡蛋的动作，做到精准力控...............................6图

2：主流灵巧手技术路线的使用场景、代表产品、机械原理及零部件选型

.......7图

3：灵巧手的应用场景决定了零部件的数量及选型............................................8图

4：特斯拉一代灵巧手采用绳驱+蜗轮蜗杆方案

.................................................9图

5：一代灵巧手分拣乐高、收拾杯盘..................................................................9图

6：二代灵巧手具有

11个自由度且更加灵活...................................................10图

7：二代灵巧手采用绳驱传动可能性较大.........................................................10图

8：二代灵巧手拿起、传递、释放鸡蛋的精准力控过程...................................10图

9：人手自由度.................................................................................................11图

10：灵巧手抓取物品

.......................................................................................11图

11：灵巧手传动、驱动和传感装置的选择.......................................................11图

12：Agility从事简单搬运工作，灵巧手为夹具

...............................................12图

13：ShadowHand结构复杂，能力更广

........................................................12图

14：达闼机器人灵巧手尺寸与人手接近

..........................................................12图

15：ShadowHand尺寸约为人手的

2倍........................................................12图

16：空心杯电机的功能特点

............................................................................14图

17：K3Hand微型执行器采用空心杯电机.....................................................14图

18：Maxon开发的空心杯电机用于火星车......................................................14图

19：全球空心杯电机市场空间.........................................................................15图

20：2021年全球空心杯电机各类产品占比.....................................................15图

21：灵巧手所需传感器分类

............................................................................19图

22：角度传感器补偿绳驱传动缺陷

.................................................................20图

23：触觉传感器在机器人抓取过程中扮演重要角色........................................20图

24：电子皮肤可感知更高维度信息

.................................................................20图

25：因时灵巧手应用领域................................................................................22图

26：因时机器人某型号微型伺服电缸..............................................................22图

27：连杆传动示意图（以

ILDA灵巧手为例）

................................................22图

28：ShadowHand功能及应用领域

...............................................................24图

29：ShadowHand选配产品

..........................................................................24图

30：ShadowHand驱动、传动基本原理

........................................................24图

31：ShadowHand运动布局

..........................................................................24图

32：Rollin'Justin机器人应用于国际空间站

...................................................25图

33：Rollin'Justin机器人应用于家庭生活场景................................................25图

34：DLR-HITII灵巧手机械结构.....................................................................26图

35：DLR-HITII手指内部示意图.....................................................................26表

1：灵巧手驱动方式对比总结...........................................................................13表

2：灵巧手传动方式对比总结...........................................................................16识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明4/29深度分析|机械设备表

3：连杆式灵巧手案例......................................................................................18表

4：因时机器人灵巧手系列产品及基本属性.....................................................21表

5：ShadowHand系列产品及基本属性

..........................................................23表

6：DLR系列灵巧手产品及基本属性...............................................................25识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明5/29深度分析|机械设备引言：场景驱动下的灵巧手方案的选择灵巧手的感知能力优化，抓取性能增加是特斯拉二代产品的亮点之一。根据特斯拉23年12月公布的视频，二代人形机器人产品单手具有11个自由度，每个手指独立控制，同时手指配有触觉传感器，可以用两个手指捏起鸡蛋，力控可以做到很精准，从事精细化物体操作。未来灵巧手面临的问题和当前人形机器人所面临的问题非常相似，马斯克提出灵巧手需要实现“穿针引线”的功能，同时提出了对于量产的成本要求，由此引出了灵巧手方案选择上的核心矛盾——功能完备性与成本之间的取舍。图

1：Tesla二代产品灵巧手抓取鸡蛋的动作，做到精准力控数据来源：TeslaOptimusGen2发布视频，广发证券发展研究中心灵巧手的应用场景和功能实现有赖于传动原理和零部件选型。灵巧手核心零部件包括驱动、传动、传感三部分，其中驱动电机、传感器种类具有一致性，而传动部分差异性较为明显，以此可以划分出连杆、绳驱、齿轮等技术路线。（1）连杆传动：重复定位精度高，刚度大，强力抓取，但适应性较差。以因时机器人灵巧手为代表，根据因时机器人产品手册、爱采网数据，该产品具有12个关节和6个主动自由度，指尖力10-15N，可以完成握手、按键、拾取等动作，主要用于假肢、服务（如接待/零售）等场景，产品单价5万元。（2）绳驱传动：灵活度高，具有被动柔顺性，但负载能力弱、寿命低。以ShadowHand为代表，根据ShadowHand产品手册、robotsguide数据，该产品具有24个关节和20个主动自由度，4.3kg的手可以提起5kg的物体，可以完成拧魔方、开瓶盖、理线束、滴试剂等复杂动作，主要装配于协作机器人，用于科研教育、航空航天、核能工业等场景，产品单价为5-9万英镑。（3）齿轮传动：使用微型谐波减速器、带、齿轮驱动，具有高精度、高重复性、高刚度的特点，但结构复杂且成本较高。以德国宇航局DLR-HITII为代表，根据DLR官网、小米技术数据，该产品具有15个主动自由度，指尖力10N，可以做到“穿针引线”并灵活使用工具，主要用于航空航天、行星探测、医疗照料等场景，产品单价达90万元。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明6/29深度分析|机械设备结合现有案例分析而言，连杆、绳驱、齿轮传动的精度提升，而成本增加。我们认为，短期内，在尚未出现成熟的通用灵巧手方案时，人形机器人需要在满足功能需要的同时尽可能降低成本，以场景驱动灵巧手方案的选择可行性更高。图

2：主流灵巧手技术路线的使用场景、代表产品、机械原理及零部件选型数据来源：Integratedlinkage-drivendexterousanthropomorphicrobotichand，DevelopmentofCable-drivenAnthropomorphicRobotHand，MultisensoryFive-FingerDexterousHand:TheDLR/HITHandII，GaiTech，robotsguide，Shadow仿人灵巧手动力学研究_电子设计工程_靳果、邱兵涛、韩枫，机器人灵巧手研究综述_机械传动_刘伟、肖钊、瞿寅朋、许守亮

，因时机器人产品手册，爱采网，ShadowHand产品手册，DLR官网，小米技术，广发证券发展研究中心人形机器人的定位在于通用性，应用于传统的工业、家庭场景中，而非如工业/协作机器人一样成为各个领域的“专家”。人形机器人的核心点在于通用性，如在2B场景中早期可从事搬运、分拣、运输等（如Agility供给亚马逊工厂的产品），后期可用于汽车总装、生产制造；在2C场景中早期可从事接待、表演等（如达闼机器人可制作咖啡），后期可灵活使用工具、担当家庭管家等。相比较而言，协作/工业机器人可用于航空航天、生物医药等场景，代替人从事高危作业或从事高难度分析，可达到的精度往往会更高。因此，人形机器人兼容B、C端更强调灵活性、交互性，而工业/协作机器人更强调精度等极致的性能。（1）量的逻辑：目前灵巧手执行器数量仍有提升空间。与机器人一体化关节类似，灵巧手执行器数量受关节数量和驱动关节占比影响。灵巧手关节数量越多，可实现的抓取方式越丰富；其中主动驱动关节占比高，则可以独立控制的自由度越高，灵活性越优。特斯拉一代产品具有6个主动自由度，而ShadowHand等协作灵识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明7/29深度分析|机械设备巧手主动自由度达20个，我们认为，考虑到人形机器人强调场景通用性而非特定领域“专家”，未来人形机器人灵巧手的自由度仍有提升空间但不会达到高端协作机器人灵巧手的量级。（2）价的逻辑：我们认为，未来零部件的优化提升空间传感>传动>驱动。相比协作/工业机器人，人形机器人需要优秀的交互感知能力，良好的传动精度和一般的驱动能力，分别对应传感、传动、驱动的能力边界。①驱动：人形机器人微型电机的可改进余地不大，够用即可，但手术等协作机器人会采用Maxon等厂商生产的微型特种电机（关注可靠性、稳定性）。②传动：连杆的强力抓取和刚性更适配于工业搬运等，绳驱的灵活和顺从性更适用于家庭生活等，二者可以兼容绝大多数场景；而某些高端协作机器人灵巧手会增加使用高精密零部件，如ILAD在连杆的基础上采用滚珠丝杠+滚动导轨，而德宇航局DLR-HITII方案使用齿轮传动方案。③传感：外传感器增加交互能力，如指尖的触觉传感器可能升级为电子皮肤，手腕的力矩/力传感器可能替换为六维力传感器；内传感器补齐传动在精度、力控上的短板，如增加电流、位置、角度、加速度传感器等。我们认为，未来人形机器人在传感层的能力边界与协作灵巧手基本相当，根据机床商务网数据，ShadowHand灵巧手具有129个传感器，人形机器人传感器的持续优化将是大方向。图

3：灵巧手的应用场景决定了零部件的数量及选型数据来源：广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明8/29深度分析|机械设备一、灵巧手核心矛盾：功能完备性与成本之间的取舍（一）特斯拉二代灵巧手：更精准的力控和更灵活的抓取特斯拉一代灵巧手单手共有11个自由度和6个执行器。根据22年9月TeslaAIDay视频，一代机器人灵巧手单手共有11个自由度，包括6个主动自由度（6个执行器）和5个被动自由度，其中主动自由度大拇指有两个（摆动+弯曲），其余4个手指各有1个。手指的主动自由度由执行器实现，其驱动/执行装置为空心杯电机，传动装置为绳驱+蜗轮蜗杆，并配有多种传感器等。灵巧手具有“自适应性（Adaptivegrasp）”和“非反向驱动能力（Non-backdrivablefingers）”，可以做到能做到收拾杯盘等复杂活动、分拣乐高等。图

4：特斯拉一代灵巧手采用绳驱+蜗轮蜗杆方案图

5：一代灵巧手分拣乐高、收拾杯盘数据来源：TeslaAIDay2022，广发证券发展研究中心数据来源：TeslaBotUpdate，广发证券发展研究中心二代产品的仍保持11个自由度，沿用绳驱可能性较大。根据23年12月特斯拉公布的视频，灵巧手的仍保持11个自由度，但是运动的速度和抓取性能大幅提升，从灵巧手细部图片可以看到在指节间类腱绳的结构，因此我们推测二代灵巧手沿用绳驱可能性较大。指节中阵列触觉传感器的使用是重要增量，可以做到精准力控并双指捏起鸡蛋。根据23年12月特斯拉公布的视频，二代灵巧手每一个指节均配有触觉传感器，机器人先用左手的的拇指和食指抓取鸡蛋，之后传递给右手，右手的食指和拇指接到鸡蛋后将鸡蛋放到托盘上，其中的亮点包括：（1）精准力控：依靠触觉传感器反馈，力控恰到好处，双指捏起但不捏碎鸡蛋；（2）软硬件协同升级：机器人“大脑”知道何时加力、何时减力，并指导灵巧手进行操作，执行装置可以精准完成大脑下达的命令并连贯完成动作。灵巧手性能提升是特斯拉人形机器人未来重点迭代方向之一，不同于协作机器人的高精度高成本，人形机器人更追求通用性和经济性，因此灵巧手的发展方向要综合现有案例和应用场景综合判断。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明9/29深度分析|机械设备图

7：二代灵巧手采用绳驱传动可能性较大图

6：二代灵巧手具有11个自由度且更加灵活数据来源：TeslaOptimusGen2发布视频，广发证券发展研数据来源：TeslaOptimusGen2发布视频，广发证券发展研究中心究中心图

8：二代灵巧手拿起、传递、释放鸡蛋的精准力控过程数据来源：TeslaOptimusGen2发布视频，广发证券发展研究中心（二）灵巧手性能评价：灵巧性、可靠性和抓取能力灵巧性、抓取能力、可靠性是衡量灵巧手性能的三大要素，应用场景各有侧重。在工厂的货物搬运中需要灵巧手具备高抓取能力；在复杂的工况中灵巧手需要在不同扭矩区间进行工作对可靠性要求较高；在日常家庭应用场景中，需要综合兼顾三方面要素。灵巧性由自由度和执行器数目共同决定，可分为全驱动、欠驱动两种方式。自由度数目越高则意味着灵巧手能实现更多样的抓取动作，根据《手部姿态估计方法综述》，人手自由度共有26个，其中本体、手腕自由度分别为20个、6个，现有灵巧手方案主要实现的是各手指关节的旋转自由度和拇指向内闭合的自由度；执行器数目决定能独立控制的自由度数目的多少；按照执行器数目与自由度数目的关系分为全驱动和欠驱动，全驱动意味着灵巧手每个自由度都能独立控制具有更高的灵巧性。人形机器人灵巧手的自由度和执行器数量一般小于协作机器人，根据robotsguide、Tesla识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明10/29深度分析|机械设备AIDay2022、智元机器人公众号数据，智元机器人单手具有12自由度+7执行器，特斯拉一代机器人具有11自由度+6执行器，而ShadowHand协作灵巧手具有24自由度+20执行器。抓重比是衡量灵巧手抓取能力的重要指标。抓重比是指灵巧手垂直抓握物体的重量和灵巧手本身重量的比例，根据whizzherald数据，人单手重量约为体重的0.58%，假设一位70kg的成年人（单手重量约为0.4kg）单手可以抓起一个5kg的物体，则计算得到的抓重比超过12。目前机器人灵巧手的抓重比远小于人手，根据ShadowHand产品手册，ShadowHand灵巧手重量4.3kg，可抓取5kg的物体，抓重比仅为1.2。可靠性是灵巧手各机构装置综合性能的体现。灵巧手的可靠性是指它在长时间运作和在各种条件下的性能稳定性和故障率低的特性。以目前大多数使用的绳驱方式为例，其在大负载下的功能实现和使用寿命都和实践的人手有很大的差距，若实现高可靠性需要使用更多的执行器或更为复杂的传感方案。图

9：人手自由度图

10：灵巧手抓取物品数据来源：手部姿态估计方法综述_山西大学学报_梁晓辉，广数据来源：Anunder-actuatedrobotichandformultiplegrasps，广发证券发展研究中心发证券发展研究中心（三）性能与成本的博弈：驱动、传动和传感装置驱动、传动和传感装置为灵巧手组成的三大要素，共同决定性能及成本。灵巧手通过驱动装置提供动力和扭矩，经过传动装置实现对手指运动位置的控制，同时灵巧手传感部件感知并反馈内外部信息，三部分协作实现抓取功能。图

11：灵巧手传动、驱动和传感装置的选择数据来源：广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明11/29深度分析|机械设备从场景出发的结构选型，灵巧手极致的性能和成本不可兼得。若要实现精确的控制能力和高抓取能力，需选用高性能的驱动、传动、传感方案。以Agility为例，其主要从事工厂装卸货、搬运等简单工作，灵巧手仅为简单的夹具，而下半身需要跨越障碍，是设计的重点；ShadowHand主要用在航空航天、核能工业、生物医药等尖端领域，驱动端采用微型直流电机+气动柔性驱动(PMA)，传动端两组腱和一个PMA完成对每一个自由度的控制，根据robotsguide、机床商务网数据，灵巧手传感端使用六轴陀螺仪，加速度计，角度、力矩、触觉、电流、温度传感器等共计129个传感器，这也造成灵巧手成本高达5-9万英镑。图

12：Agility从事简单搬运工作，灵巧手为夹具图

13：ShadowHand结构复杂，能力更广数据来源：AgilityRobotics官网，广发证券发展研究中心数据来源：robotsguide，广发证券发展研究中心人形机器人灵巧手需满足人体尺度，受空间和重量等实用性需求的制约。灵巧手设计要模仿人手的尺寸和形状，这对内部组件的尺寸提出了限制。过重的灵巧手也会影响其操控性，过大的尺寸则不利于与人交互。如达闼人形机器人Ginger广泛用于接待等场景，其7自由度灵巧手可从容的完成握手、抓取、操作工具等精细动作，且尺度与人手类似，亲人性强；而ShadowHand宽13.5cm，高44.8cm，重4.3kg，尺寸约为人手的两倍，亲人性不强，因而主要应用于科研等特种场景。图

14：达闼机器人灵巧手尺寸与人手接近图

15：ShadowHand尺寸约为人手的2倍数据来源：达闼官网，广发证券发展研究中心数据来源：robotsguide，广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明12/29深度分析|机械设备二、驱动：空心杯电机应用较多，核心为定制化（一）灵巧手具有多种驱动方式，电驱为主流路线灵巧手驱动方式主要包括液压、电机、气压、形状记忆合金，其中电驱是主流。电机驱动具备体积小、响应快，调控方便、稳定性好、精度高、输出力矩稳定等优点，核心零部件与电机，与人形机器人灵巧手的通用性、移动性充分适配，特斯拉、优必选、达闼等均采用该方案；液压驱动通过液体来传递能量，核心部件为液压缸、液压阀等，具有高能量密度和更强的爆发力，如搭配于波士顿机器人，从事弹跳和重负载活动；气动驱动使用压缩空气发挥作用，节能方便但精度低，适于在中、小负荷的机器人中，主要用于拣选、装载等仓储任务，核心部件为气缸等，代表企业为Festo协作机器人；形状记忆合金驱动为新型驱动方式，商业化应用较少。表

1：灵巧手驱动方式对比总结驱动方式简介优点缺点①②③体积小、响应快，调控方便稳定性好、精度高输出力矩稳定①②③①②③①②③①②③高精度微型伺服电机成本较高需要稳定的电源供应电机经减速器控制转矩和转速后通过其他传动装置将旋转运动传递或转化，进而控制手指的运动电机驱动需要配置减速器或其他机构转化运动传动机构较为复杂，有着较高的加工精度要求抓握不规则形状物体时的包络性和自适应性较差拟人化较为困难利用不可压缩的液体来传递能量。当①②高力量密度液压驱动

液体被泵压入封闭系统时，推动活塞移动，从而产生力量和运动适合大型抓取作业①②③操作方便、质量轻巧动作迅速、价格适中维护简便气压控制较难，不易平稳气动驱动系统依赖于压缩空气来产生气压驱动

动力，空气的压力会推动活塞或膜片移动，从而转换成机器人手的运动气压驱动部件体积较大可操作性不强，重复定位精度差动作速度较慢形状记忆合金经过变形后加热到一定形状记忆合温度，可以恢复到之前的形状从而产金驱动①②体积小力量和重复定位精度差结构简单、无噪音生力驱动灵巧手的运动重复性和寿命时长较差数据来源：机器人灵巧手研究综述_机械传动_刘伟、肖钊、瞿寅朋、许守亮，广发证券发展研究中心（二）空心杯电机为灵巧手的较优选择，定制化开发设计为核心灵巧手需要“紧凑而精密”的驱动装置，空心杯电机为主流路径之一。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。因为没有铁损，所以它的效率要比普通的微型直流电机要高；同时，由于转子重量大幅降低，所以转动惯性减小，相比传统铁芯电机，大扭矩急加速急减速性能突出；另外，空心杯电机还具有体积小、可控性高、噪音小等优点。因此，空心杯电机主要用在需要快速响应（如军工、检测）和对重量和能耗要求较高（如无人机、机器人）等领域。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明13/29深度分析|机械设备图

16：空心杯电机的功能特点数据来源：电子开发网，万泰电机，广发证券发展研究中心电机的选型需要做到与灵巧手关节的充分适配，核心在于定制化。电机选型需要综合考虑灵巧手关节的尺寸功率比、负载大小、精准性、可靠性、资源消耗等多维因素

，基本都

为定制

化开发

。如

K3Hand使用

微型

执行器，

执行器

尺寸仅

有12mm*24mm*14mm，重量仅12g，输出扭矩可达147mNm，空心杯电机与齿轮、离合器等装置的适配对执行器的平稳运行发挥了重要作用；Maxon与JPL（NASA实验室）共同研发的空心杯电机应用于“毅力号”火星探测车，驱动器的能源效率极高，动态性能优异并且十分轻巧；对于人形机器人灵巧手而言，特斯拉一代机器人灵巧手采用空心杯电机的驱动方案，未来驱动器沿用空心杯驱动可能性较大，适配性将持续提升。图

17：K3Hand微型执行器采用空心杯电机图

18：Maxon开发的空心杯电机用于火星车数据来源：Orbray官网，Denso，广发证券发展研究中心数据来源：Maxon官网，广发证券发展研究中心空心杯电机在制造业已有广泛应用的基础，22年全球市场空间超7亿美元。根据GII数据，22年空心杯电机全球市场规模约7.5亿美元，并预计以8.0%的CAGR成长至2028年的11.9亿美元，市场的增长主要归因于空心杯电机在医疗设备、航空航天、军工、机器人等领域的的使用增加，此外，对能够以高速、低振动和低噪音运行的高性能电机的需求不断增长，也是推动该市场增长的关键因素；产品结构看，有刷空心杯电机占比较高；分地区看，21年中国空心杯市场空间位列第一位，录得2.4亿美元，占比34.8%，欧洲市场占比25.9%。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明14/29深度分析|机械设备图

20：2021年全球空心杯电机各类产品占比图

19：全球空心杯电机市场空间全球空心杯电机市场空间（亿美元）yoy1412%10%8%23-28年CAGE：8.0%11.91210810.99.99.48.78.0无刷空心杯7.56.833%6.26%64%有刷空心杯电机42%67%200%数据来源：GII，产业深度，广发证券发展研究中心数据来源：GII，广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明15/29深度分析|机械设备三、传动：绳驱与连杆场景跨度广，已有商业化产品（一）绳驱与连杆实用性较强，是多领域主流选择方案灵巧手的传动方式包括为连杆、绳驱、齿轮等，商业化方案以连杆、绳驱为主。灵巧手的驱动电机、传感器选择具有一致性，功能差异主要由传动方式而体现。绳驱动结构简单且灵活度较高，已有ShadowHand等商业化落地产品，广泛应用于科研等领域；连杆传动刚度大，易实现强力抓取，在假肢等领域应用较为成熟；齿轮传动扭矩输出强且结构紧凑，但在背隙、磨损、噪音、体积和重量方面有所缺陷，这使其较难规模化应用。表

2：灵巧手传动方式对比总结传动方式简介优点缺点①②结构简单、重量轻①负载能力较弱；绳的物理特点和传动方案中其他零部件的支撑情况和固定方式无法达到较高的负载能力通过充当腱的功能的驱动单元少、控制简单和制造成本低廉件绳传动

绳来驱动控制手指关节耦合运动②③可靠性方面也较差，需要一定的预紧力来保证其控制的精度使用寿命较较低，在恶劣工况和疲劳测试中绳驱容易断裂③符合仿生学要求，具有被动柔顺特性①②③传动机构较为复杂，有着较高的加工精度要求抓握不规则形状物体时的包络性和自适应性较差拟人化较为困难①②刚度大，易于实现强力抓取物体电机结合减速装置进连杆传动

行减速，通过连杆机构将动力传递至手指迟滞性较低齿轮传动通常需要搭①②齿轮传动会存在背隙可能会降低传动精度①②具有高精度和高重复性具有较高的刚性配带传动或者其他传齿轮传动齿轮传动需要搭配其他传动方式比如滚珠丝杠、带传动或连杆，设计难度高动方式来实现控制手指的功能数据来源：机器人灵巧手研究综述_机械传动_刘伟、肖钊、瞿寅朋、许守亮，广发证券发展研究中心（二）绳驱：高性价比为特斯拉所青睐，搭配其他传动实现更优效果绳驱式灵巧手结构简单且灵活度高，但负载能力弱。绳驱动通过充当腱的功能的绳来驱动控制手指关节耦合运动，结合绳驱的优缺点，轻负载低功率传输、适应性或柔性抓取等应用场景适合选择绳驱传动的方案。在生活、教育服务和康复辅助应用场景中，绳驱式灵巧手能很好发挥其优势，是较为合适的方案选择。绳驱为特斯拉重点探索技术路径之一，可搭配其他传动实现更优效果。绳驱的具体应用案例包括特斯拉一代人形机器人、ShadowHand、AnthropomorphicRobotHand等：其中特斯拉灵巧手通过绳驱实现高灵活度和适应性，并搭配蜗轮蜗杆防反驱；ShadowHand为已实现商业化应用的产品，应用领域包括航空航天、科研教育、生物医药等；AnthropomorphicRobotHand具有20个自由度且全驱动，具有重量轻、成本低且结构简单的特点。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明16/29深度分析|机械设备表

3：绳驱式灵巧手案例驱动方式传动方案商业化TeslaOptimusShadowHandAnthropomorphicRobotHand蜗轮蜗杆+绳驱绳驱绳驱否否/是重量4.3kg20个自由度/自由度11个自由度欠驱动空心杯电机20个自由度全驱动微型伺服电机全/欠驱动电机情况欠驱动微型直流电机+PMA（气动柔性驱动）传感器情况霍尔效应传感器感应位置；指尖装配压力传//感器触觉器（PSTs）；力传感器测量腱力高度仿生设计，能够还原人手的所有自由度，广泛使用的商业产品可采用3D打印技术制造部分零部件，重量特点具有蜗轮蜗杆防反驱的特点轻、成本低且结构简单案例图片数据来源：TeslaAIDay2022，ShadowHand产品说明书，DevelopmentofCable-drivenAnthropomorphicRobotHand，广发证券发展研究中心（三）连杆：高负载强刚性，假肢等领域应用较为成熟连杆式传动具有优良的负载能力且传动刚度优势。连杆传动中电机结合减速装置进行减速，通过连杆机构将动力传递至手指，刚度大，易于实现强力抓取物体，但结构复杂、无法柔性抓取又限制其场景应用，在抓握不规则形状物体或柔性易碎物品时的包络性和自适应性较差。目前假肢和假手的商业化应用中多采用的是连杆传动方式。连杆的具体应用案例包括ILAD、因时机器人灵巧手、仿生手BeBionic，产品分别具有15、6、8个自由度，其中因时、BeBionic均可应用于假肢，且均具有少自由度、易于控制的特点，连杆传动高效简洁且具有较强抓取能力使其成为现阶段商业化假肢最佳方案，但其自适应差、灵活度不足的缺点使其在已有的人形机器人产品中应用较少。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明17/29深度分析|机械设备表

3：连杆式灵巧手案例驱动方式ILAD连杆因时机器人灵巧手仿生手BeBionic传动方案商业化重量刚性连杆传动连杆否是是1.1kg540g/自由度全/欠驱动15个自由度欠驱动6每根手指2DoF的低自由度设计欠驱动欠驱动电机情况手掌部分包含3个电机内部集成6个力控微型伺服电缸内置微处理器和每个手指的执行器内置传感器，检测所选拇指位置传感器情况测量手指尖力分布的六维力传感器/具有高灵巧性，集成了必要的驱动和感应组件低自由度，配备较少数量驱动器实现多场景应用，是商业化的较优方案提供4种功能性握持模式，适用于不同特点应用。案例图片数据来源：Integratedlinkage-drivendexterousanthropomorphicrobotichand，因时机器人产品手册，BeBionic官网，广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明18/29深度分析|机械设备四、传感：灵巧手的“神经”，综合提升性能（一）多物理量感知结合，构建灵巧手感知神经内外传感兼备，多物理量感知赋予灵巧手“触觉”。按照布置位置，灵巧手传感器主要划分为内部传感器与外部传感器，分别感知灵巧手自身状态信息和外部周围环境信息。内部传感器主要包括位置、弯曲和扭矩传感器。位置传感器可采用光学编码器测量旋转或线性位置；也可采用霍尔效应传感器感知位置信息。弯曲传感器可测量关节的转动角度和位置，从而更精确的控制灵巧手的抓取动作。扭矩传感器可测量关节扭矩，实现灵巧手对抓取力度的精确掌控。外部传感器按照抓取阶段划分为接近觉和触觉传感器。接近觉传感器在抓取物体前阶段，提供探测物体表面和物体与灵巧手之间的相对位置的能力。触觉传感器通过压电效应，感知物体信息和抓取力度等多方面信息。图

21：灵巧手所需传感器分类数据来源：广发证券发展研究中心（二）传感与传动相配合，综合提升灵巧手性能内外传感的适当搭配可弥补传动方案的缺陷。针对绳驱方案力度与重定位精度较差的缺陷，可使用张力传感器测量绳的张力来精确控制力度，也可以用弯曲传感器测量关节转交并结合腱绳的张力信息精确控制其位置精度。根据UseokJeong在灵巧手绳驱控制中的研究，可采用角度传感器通过补偿由于弯曲角度变化引起的摩擦变化，实现对腱绳张力的精确控制，从而弥补绳驱传动的缺陷。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明19/29深度分析|机械设备图

22：角度传感器补偿绳驱传动缺陷数据来源：Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation.InternationalJournalofAdvancedRoboticSystems.，广发证券发展研究中心阵列触觉传感器提供多信息触觉反馈，助力手脑协同。阵列触觉传感器通过建立多个单模态传感器获得的触觉信息的联系，综合感知抓取物体的多物理量信息，反馈并优化手指抓取动作的力度与位置。近期特斯拉发布了Optimus二代机器人，其灵巧手指尖部位采用能阵列触觉传感器，能完成抓取鸡蛋的动作，已具备抓取易碎物品的能力。电子皮肤可感知更高维度信息且具备更高仿生特性，未来或将应用于灵巧手。随着感知信息的要求和仿生学要求的不断提升，兼备柔性+触觉反馈+仿生的特性的电子皮肤或成为灵巧手传感方案的高端选择，提升机器人的柔韧性和延展性，甚至让机器人像人类一样在面对疼痛时做出反应。图

23：触觉传感器在机器人抓取过程中扮演重要角色图

24：电子皮肤可感知更高维度信息数据来源：TeslaOptimusGen2发布视频，广发证券发展研数据来源：X-MOL资讯，广发证券发展研究中心究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明20/29深度分析|机械设备五、性能实现途径众多，灵巧手方案各具特色（一）因时灵巧手：直线驱动+连杆传动，用于假肢和服务亚毫米级精度，模拟人手实现精准的抓取操作。因时机器人灵巧手重量540g，拇指、四指最大抓握力达15N、10N，单手具有6个自由度和12个运动关节，外形美观且高度仿真，结合力位混合控制算法，具有亚毫米级定位精度和数千克的负载能力。表

4：因时机器人灵巧手系列产品及基本属性型号控制接口手指数量自由度RH56BFX-2RH56DFX-2R5485R54855566关节数1212工作电压自重DC24V±10%DC24V±10%540g540g拇指最大抓握力四指最大抓握力拇指侧摆速度拇指弯曲速度四指弯曲速度特点6N15N4N10N235°/s107°/s150°/s70°/s260°/s570°/s速度快、抓握力小、集成力传感器适用于弹钢琴及手势交互等场景/速度适中、抓握力大、集成力传感器适用于机器人或假肢的抓取操作5万元/只应用场景售价产品图片数据来源：因时机器人产品手册，爱采网，广发证券发展研究中心产品商业化应用于假肢、服务领域。因时机器人以“弹钢琴及手势交互”和“机器人或假肢的抓取操作”两种应用场景为导向，分别推出RH56BFX和RH56DFX两种型号，其分别具备不同的功能特点。RH56BFX系列灵巧手集成力传感器，具有抓取速度快、抓握力稍小的特点；RH56DFX系列抓握力大，抓取速度适中，适用于机器人或假肢的抓取操作的应用场景。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明21/29深度分析|机械设备图

25：因时灵巧手应用领域数据来源：因时机器人产品手册，广发证券发展研究中心驱动：采用创新性直线驱动设计，内部集成了6个力控微型伺服电缸，电缸则采用空心杯直流无刷电机。传动：连杆传动，具有精度高、刚度大、强力抓取等特点，能够实现0.02毫米的重复定位精度，这使得它能够抓取像针或扑克牌这样的精细物品。传感：集成力传感器等，具备高可靠性和柔性控制能力。图

26：因时机器人某型号微型伺服电缸图

27：连杆传动示意图（以ILDA灵巧手为例）数据来源：因时机器人产品手册，广发证券发展研究中心数据来源：Integratedlinkage-drivendexterousanthropomorphicrobotichand，广发证券发展研究中心（二）ShadowHand：气动驱动+绳驱传动，协助科研或危险作业ShadowHand旨在尽可能的复制人手的功能和运动。ShadowRobotCompany2004年开发出ShadowHand灵巧手，并推向商业化应用。Shadow灵巧手包括ExtraLite、Lite、Plus三种类型，分别具有12、16、24个关节和10、13、20个主动自由度。以Plus产品为例，拇指有5个自由度和5个关节，其余手指有3个自由度和4个关节。ShadowHand旨在尽可能多地复制人手的功能、尺寸和运动范围，以协作人进行危险作业或完成负载操作。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明22/29深度分析|机械设备表

5：ShadowHand系列产品及基本属性型号关节数量手指数量自由度高度ShadowHandPlusShadowHandLiteShadowHandExtraLite24161235(带腕部)20DOF448mm4.3kg413DOF10DOF327mm1.8kg3kg327mm自重2.4kg负载4kg4kgEtherCAT通信方式控制系统控制模式驱动ROS力控制、位置控制、轨迹控制Maxon生产的微型直流电机、气动柔性驱动器（PMA）绳驱：传动端两组腱和一个

PMA完成对每一个自由度的控制传动传感器选配六轴陀螺仪和加速度计、关节角度、指尖触觉、肌腱力、温度、电流、电压、气压等BioTac触觉传感器、CyberGlove数据手套等售价£50000-90000（取决于配置）图片数据来源：GaiTech，robotsguide，广发证券发展研究中心ShadowHand主要作为协作机器人终端应用于高精尖或危险作业场景。根据公司官网，灵巧手可搭配手套（ShadowGlove）配合使用，可以准确模仿使用者的动作，实现高精度操作，如整理线束、滴定试剂、拧开瓶盖、旋转魔方等，产品主要应用于科研教育、航空航天、核能工业、生物医药等场景。而然，Shadow灵巧手随在协作机器人领域应用较为成功，但其高重量（4.3kg）和大体积（驱动装置集中在手臂）的难以满足人形机器人手臂部位空间和灵巧手重量的限制要求。驱动：采用直流电机+气动肌肉的驱动方式实现力的精准输出。Shadow灵巧手的动力系统采用Maxon微型直流电机+Mckibben型PMA（pneumaticmuscleactuator气动柔性驱动）方式：内部为橡胶管，外面是纤维编织网，两端用金属箍固定，当橡胶管由于充气膨胀时，外层纤维编织网被撑起，产生轴向收缩力，其运动方式在北理工开发的17自由度仿人灵巧手亦有应用。这种类型的驱动器最大的特点就在于其柔顺性，适用于对柔性要求高的场合（医疗、服务、农业），但过多的空气肌肉驱动器使得灵巧手的前臂粗大臃肿，给灵巧手与其他机器人系统的配合应用带来不便。传动：绳驱传动实现高灵活度控制，完成复杂动作。Shadow仿人灵巧手依靠绳驱传动实现动力传送，腱的一端固定在连杆上，另一端固定于驱动器，每个腱仅与一个连杆相联并且由一个PMA控制，一个自由度需要两组腱和PMA完成控制，例如中指的3个独立自由度需要6组腱和PMA完成运动和动力的传送。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明23/29深度分析|机械设备传感：数量多且种类全，触觉传感器创新。根据机床商务网，Shadow灵巧手具备129个传感器，包括六轴陀螺仪，加速度计陀螺仪、角度、触觉、温度、电流、压力等。同时，公司创新开发了BioTac触觉传感器，可选配搭载于灵巧手之上，该传感器能够检测人类手指可以识别的几乎所有感官信息，如力、微震动、温度等。图

28：ShadowHand功能及应用领域图

29：ShadowHand选配产品数据来源：GaiTech，广发证券发展研究中心数据来源：ShadowHand官网，广发证券发展研究中心图

30：ShadowHand驱动、传动基本原理图

31：ShadowHand运动布局数据来源：Shadow仿人灵巧手动力学研究_电子设计工程_数据来源：ShadowHand产品说明书，广发证券发展研究中靳果、邱兵涛、韩枫，广发证券发展研究中心心（三）DLR

系列：采用谐波+齿轮+带传动，应用于航空航天而成本高DLR系列灵巧手结构紧凑而精度高，应用于航空航天等领域。根据DLR官网，DLR系列灵巧手由德国宇航局开发，结构紧凑、模块化设计、传动精度高。DLR-HITⅡ灵巧手重约1.5kg，具有5根手指15个自由度（单手指3个），每个手指由手指本体和手指基部两个单元组成，指尖力可达10N，该灵巧手被设计用于远程操作，定位于宇航或远程医疗等领域；DLRHandⅡ灵巧手重约1.8kg，共有4根手指13个自由度，指尖力达30N，设计用于Rollin'Justin机器人，强调两手操纵的能力和灵巧性，兼容识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明24/29深度分析|机械设备场景丰富，可以用于国际空间站、家庭生活等各领域。表

6：DLR系列灵巧手产品及基本属性型号尺寸DLR-HITⅡDLRHandⅡ/30cm×15cm×15cm手指数量自由度电机情况电源供应自重5415DOF13DOF扁平无刷直流电机（BLDC）//24V直流（20A）1.8kg1.5kg负载指尖力可达

10N关节速度

360°/秒指尖力可达

30N关节速度

360°/秒速度近端指节使用电机+带传动的方式，中间指节和远端指节的运动通过钢丝传动机构手指的运动通过一种差分斜齿轮传动机构实现传感器应

每个手指配备

3个应变片的扭矩传感器、3个关节位置传感器、3每个手指配有

DMS的扭矩传感器、3个关节位置传感器、3个电机用情况个电机位置传感器、1个力/扭矩传感器、2个温度传感器位置传感器、多个温度传感器①②③每个手指链接中的

A/D转换。①②③模块化概念特点手指相同，有四个关节和铝质开放骨架结构的注塑塑料外壳串行通信系统连接手指和手臂，以及手臂和外部控制计算机快速释放适配器四个手指都是相同的，并且可以互换能够进行精细操纵和强力抓握，适合于需要高度灵活性和精确操控应用场景

DLR-HITⅡ被设计用于远程操作，定位于宇航或远程医疗等领域的场景，如

Rollin'Justin机器人，可用于国际空间站或家庭生活售价90万元/产品图片数据来源：DLR官网，MultisensoryFive-FingerDexterousHand:TheDLR/HITHandII，广发证券发展研究中心图

32：Rollin'Justin机器人应用于国际空间站图

33：Rollin'Justin机器人应用于家庭生活场景数据来源：DLR官网，广发证券发展研究中心数据来源：DLR官网，广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明25/29深度分析|机械设备灵巧手结构才有集成化、模块化设计。以HIT-DLRII产品为例，该灵巧手将所有执行器和电子元件都集成在手指本体和手掌中，具有一个独立的手掌和五个相同的模块化手指。驱动：采用微型直流电机。手指单元中一个超薄的无刷直流电机和一个小型的谐波驱动器平行安装，较大程度缩减了空间占用。传动：微型谐波+齿轮+带传动。兼具两种传动方案：模块化手指采用齿轮加带传动，手指单元中电机与减速器通过一条高速同步带传动控制手指；末端的两个关节通过钢丝机构实现耦合运动，中间指节和远端指节的运动通过钢丝以1:1的耦合方式传递，实现协调运动，最大驱动力矩可以达到2.4N·m，具有高灵巧性与强抓取能力。传感：传感器以手指为单配配置，集成多感官系统。每个手指配备3个应变片的扭矩传感器、3个关节位置传感器、3个电机位置传感器、1个力/扭矩传感器、2个温度传感器。图

34：DLR-HITII灵巧手机械结构图

35：DLR-HITII手指内部示意图数据来源：MultisensoryFive-FingerDexterousHand:TheDLR/HITHandII，广发证券发展研究中心数据来源：DLR官网，广发证券发展研究中心识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明26/29深度分析|机械设备六、风险提示（一）人形机器人产品暂未落地特斯拉、优必选、达闼等人形机器人虽取得较大进展，但仍尚处于研发或者场景示范阶段，考虑到人形机器人技术具备复杂性，短期内量产难度较大，人形机器人的研发和量产的落地依然具有不确定性。（二）国产厂商早期未必能进入特斯拉供应链类比特斯拉电动车，早期零部件的生产主要由海外各大供应商负责，后逐渐由中国供应商替代。当前，如果中国供应商品质没有达到特斯拉人形机器人标准，未必能在人形机器人发展早期进入特斯拉的供应链。（三）核心技术的迭代风险人形机器人零部件尚处在选型、送样和验证阶段，新技术的出现会对机器人一体化关节的零部件的选型产生影响，进而影响供应链。识别风险，发现价值请务必阅读末页的免责声明27/29深度分析|机械设备广发机械行业研究小组代川

：

首席分析师，中山大学数量经济学硕士，2015年加入广发证券发展研究中心。孙

柏

阳

：

联席首席分析师，南京大学金融工程硕士，2018年加入广发证券发展研究中心。朱

宇

航

：

资深分析师，上海交通大学机械电子工程硕士，2020年加入广发证券发展研究中心。汪

家

豪

：

资深分析师，美国约翰霍普金斯大学金融学硕士，2022年加入广发证券发展研究中心。范

方

舟

：

资深分析师，中国人民大学国际商务硕士，2021年加入广发证券发展研究中心。石王城

：

资深分析师，上海交通大学船舶与海洋工程硕士，2022年加入广发证券发展研究中心。宁

：

高级分析师，北京大学金融硕士，2021年加入广发证券发展研究中心。蒲

明

琪

：

高级研究员，纽约大学计量金融硕士，2022年加入广发证券发展研究中心。黄

晓

萍

：

研究员，复旦大学金融硕士，2023年加入广发证券发展研究中心。广发证券—行