灵巧手行业深度研究报告：机器人新型末端执行器国内外研究进展加速

■证券研究报告机器人新型末端执行器，■证券研究报告机器人新型末端执行器，国内外研究进展加速财通证养CAITONGSECURITIES机械设备/行业深度分析报告/2023.11.16灵巧手行业深度研究报告最近12月市场表现一沪深300一沪深300上证指数20%分析师余炜超shewc@分析师刘俊奇liujq@核心观点核心观点用。灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用。“灵巧”指的是手的姿势可变性，这种可变性越高，则认为手就越灵巧。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。多指灵巧手最普遍的手指数目为3-5个，各手指具有3个关节，手指关节的运动副都是采用转动副。机器人灵巧手作为一种新型的末端执行器，在机器人与环境的交互中起着关键作用。牵灵巧手是机器人研究的重要课题，近年来国内外研究进展加速。自20世纪70年代起，国内外对灵巧手展开了大量研究，从三指到五指，从工业到生活，从简单的抓取到灵巧操作，以期解决复杂的实际作业问题。海手研究历经了50余年的发展，从开始简单的机械手发展成现在的高科技人形仿生灵巧手，国内灵巧手的研究则是从2000年左右由研究机构和部分高等院校相继开展，近年来，海外具有代表性的灵巧手厂商包括SCHUNK、Shadow(dorabot)、因时机器人、腾讯RoboticsX实验室等也陆续公布灵巧手领域的相关产品和研究成果。随着人形机器人产业化的加速，国内外对灵巧手领域的研究也呈现出加速趋势。mengxin@联系人孙瀚栋sunhd@是人形机器人必不可少的部件，根据因时机器人网上报价，单只灵巧手价格约为5万元，如果未来人形机器人销量到达百万台，对应灵巧手市场规模将达到1000亿元。需要注意的是，未来人形机器人可能会应用到各种场景，对相关报告相关报告2023-11-132.《工信部印发人形机器人指导意见，产业化加速》2023-11-10投资建议：灵巧手具有较长的研发历史，也有较多研发成果，掌握空心杯电机、精密齿轮箱、编码器、驱动、传感器、弹簧等核心部件的公司更有希望占据行业领导地位。同时如果灵巧手得到大量应用，我们预计对相关产业链公司的制造能力有一定考验，具备稳定的、优秀的量产化能力的公司有望突围。建议关注空心杯电机/编码器/驱动器领域的鸣志电器、鼎智科技、禾川科技、伟创电气、拓邦股份，传感器领域的柯力传感、汉威科技，弹簧领域的美力科技、华纬科技。请阅读最后一页的重要声明!产进展不及预期；灵巧手降本速度低于预期；制造业景气度恢复低于预期等。人人文库RENRENDOC.COM请阅读最后一页的重要声明!CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告表1:重点公司投资评级：代码公司总市值(亿元)收盘价投资评级603728鸣志电器307.7075.15未覆盖873593鼎智科技41.0042.2068.6426.20未覆盖688320禾川科技68.3345.25未覆盖688698伟创电气85.4140.6226.5541.0629.45未覆盖002139拓邦股份22.5421.27未覆盖603662柯力传感26.51未覆盖300611美力科技24.34-0.200.26-39.4542.1523.83增持001380华纬科技46.2228.3620.17未覆盖谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准2财通证养行业深度分析报告/证券研究报告内容目录内容目录1灵巧手是人形机器人重要的运控交互部件，近年来海内外研究进展加速 51.1灵巧手是机器人的新型末端执行器，在运控交互中起关键作用 51.2灵巧手是机器人研究的重要课题，近年来国内外研究进展加速 71.3目前学术上的研发方向及难点 92机器人灵巧手的分类与商业化应用 2.1机器人灵巧手的分类 2.1.2驱动方式 2.1.3机械传动形式 2.1.4感知技术 2.2机器人灵巧手的商业化应用 2.2.1国外案例 212.2.2国内案例 243投资建议 3.1人形机器人赋予灵巧手千亿级市场规模 273.2关注掌握灵巧手核心技术以及批量化制造能力的公司 4风险提示 28图表目录图表目录 6 6图3.代表性的多指灵巧手产品 6图4.国外灵巧手的发展历程 8图5.国外灵巧手的发展历程 9谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准3行业深度分析报告/证券研究报告图6.通过触觉感知重建模型 图7.通过触觉稳定器控制物体 图8.多层次的人手和机器人手结构对比 图9.机器人灵巧手的分类 图10.人手的自由度分布 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准3财通证养行业深度分析报告/证券研究报告图11.SCHUNKSVH五指伺服电动机械抓手 图12.StefanSchulz等研制的液压驱动仿人机器手 图13.FestoBionicSoftHand气动灵巧手 图14.中国计量大学基于SMA驱动的三指灵巧手 图15.灵巧手传感器分类 图16.SVH结构图 21图17.ShadowHand外观尺寸图 23 图20.DexterityHand外观图 25图21.RH56BFX系列/RH56DFX系列外观图 26图23.TRX-Hand外观图 27表1.机器人末端执行器的分类情况 5表2.抓手类末端执行器的分类情况 5表3.多指灵巧手的发展脉络 7表4.全驱动灵巧手与欠驱动灵巧手对比情况 表5.灵巧手两种驱动方式的对比情况 表6.灵巧手各类驱动源的比较情况 表7.灵巧手的各类传动方式对比情况 表8.灵巧手的各类感知方法对比 表9.国外灵巧手产品梳理 表10.国内灵巧手产品梳理 20表11.人形机器人灵巧手市场规模测算表 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准4财通证养CAITONGSECURITIES1灵巧手是人形机器人重要的运控交互部件，近年来海内外研究进展加速1.1灵巧手是机器人的新型末端执行器，在运控交互中起关键作用灵巧手是机器人的一种新型末端执行器。一般而言，机器人与环境交互的方式主要包括：移动行走、视觉等信息的获取、决策的执行输出。末端执行器(End-Effector)是机器人执行部件的统称，一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。表1.机器人末端执行器的分类情况分类具体内容应用示例工具类根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口的机器人专用工具，可以直接实现具体的加工工种、生产工艺或日常动作喷枪、涂胶枪、点焊机、弧焊焊枪、毛刺打磨机、铆钉枪、体温枪、手术刀具、吸盘等。抓手类恰如人的双手，担负着执行各种动作、抓持和操作的任务两指夹持器、多指抓持手、多指灵巧手数据来源：蔡世波等《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》,财通证券研究所灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用。“灵巧”指的是手的姿势可变性，这种可变性越高，则认为手就越灵巧。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。多指灵巧手最普遍的手指数目为3-5个，各手指具有3个关节，手指关节的运动副都是采用转动副。表2.抓手类末端执行器的分类情况分类驱动方式优点缺点一般采用电机或气缸作为驱一般采用电机或气缸作为驱结构简单，运动形式单一稳缺乏手指的灵活性，不能对复杂形状的动，机构原理以多连杆机构和气缸为主定，工作可靠，可在工业现场被大量应用目标进行抓持，更无法对目标物体实施操作其基本原理与前述两指夹持器一样，由多连杆驱动或气缸驱动多指抓持手在目标适应性、抓持稳定性等方面已经有了大幅度的提升，并且得到了企业界和用户的认可这类多指手的功能依然停留在实现目标物体的抓持范畴，还不具有对目标物体的操作能力谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准5CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告不能实现人手的自由灵活程度和操作能不能实现人手的自由灵活程度和操作能力，并且价格昂贵，推广应用难度较大高度系统集成的灵巧手具有主要的驱动方式包括4种：液压驱动、电机驱动、气压多指灵巧手数据来源：蔡世波等《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》,财通证券研究所两指夹持器：是抓持物体进而操控物体的装置，模仿的是手指的夹持运动。它能够在执行某些动作的同时夹住和松开目标物体。应用于机器人的末端夹持器一般采用电机或气缸作为驱动，机构原理以多连杆机构和气缸为主。例如德SCHUNK公司的气动平行爪夹持器、FESTO公司的气动夹持器、亚德客手指气谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准5上予上予行业深度分析报告/证券研究报告数据来源：蔡世波等《多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》,财通证券研究所图2.典型的多指抓持手图2.典型的多指抓持手数据来源：蔡世波等《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》,财通证券研究所多指抓持手：一般为三指或者四指抓持手，主要包括联动型抓持手、多关节手指抓持手、软体多指抓持手等，其基本原理与前述两指夹持器一样，由多连杆驱动或气缸驱动实现多指的同步运动。例如RighthandRobotics公司的ReFlexTakkTile三指手、苏州钧舵机器人有限公司的均巧三指手、德国SCHUNK公司的3-fingergripperhandSDH等。多指灵巧手：机构形式是多指多关节，并且最普遍的是手指数目为3～5个，各手指具有3个关节包括4种：液压驱技术实验室”的OI美国麻省理工学院图3.代表性的多指灵巧手产品图3.代表性的多指灵巧手产品2子5手、CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告数据来源：蔡世波等《人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》,财通证券研究所谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准6CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告自20世纪70年代起，国内外对灵巧手展开了大量研究，从三指到五指，从工业到生活，从简单的抓取到灵巧操作，以期解决复杂的实际作业问题。表3.多指灵巧手的发展脉络OkadaHand日本电工实验室197431111Belgrade/USCHand贝尔格菜德大学198851515RobonautHandNASsA199952214GIFUHand日本岐阜大学200152016NAIST-HAND日本奈良先端科学技术大学200541612SAHSchunk公司200741613LARMHandCassino大学20103912KNTHK.N.Toos科技大学2011369谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准7CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告MetamorphicHand20134BarretHand2013399RitsumeikanHand日本立命馆大学20135Pisa/IITSoftHand20145ISR-SoftHand20145WashingtonHand20165SSSA-MyHandScuolaSuperioreSant'Anna20165HERIHand20173ShadowHandShadow公司201952020520205AnthropomorphicRobotHand20215ILDAHand20215数据来源：刘伟、肖钊、瞿寅朋、许守亮《机器人灵巧手研究综述》,财通证券研究所海外灵巧手研究历经了50余年的发展，从开始简单的机械手发展成现在的高科技人形仿生灵巧手。(1)20世纪70年代，日本“电子技术实验室”研制出了Okada灵巧手，该灵巧手具有3个手指和一个手掌，拇指有3个自由度，另外两谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准7财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告个手指各有4个自由度，采用电机驱动和肌腱传动方式。(2)20世纪80年代，美国斯坦福大学研制成功Stanford/JPL灵巧手，该手有3个手指，每指各有3自由度，采用12个直流伺服电机作为关节驱动器，采用腱驱动系统传递运动和动力；美国麻省理工学院和犹他大学联合研制Utah/MIT灵巧手，该手具有完全相同的4个手指，每个手指有4个自由度，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。(3)20世纪末，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究向着高系统集成度和丰富的感知能力提升的方向发展，进入了快速发展阶段。(4)近年来，高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是复杂的系统导致了高额的制造成本并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此近10年，多指灵巧手设计的一个重要方向是简化系统、提高鲁棒性。图4.国外灵巧手的发展历程2022年6月2023年5月甚入手，是网类中第一本本三Washingpa)HighlyBeos 班本电工案验室研直的OtadsA用手是严格(上的幕.一数是巧手2021年11月热国的科时团从于群(了一种是点进科超国我王学院天大学命作材制了一数灵码手Metamorphic化他大学联合硬制了汽施征动体生是巧志大利情海尼要大学研制出了第一代夏所+UBHaadl推车立命馆文学证TRitimHmf研制出了BfR黑期世征考制了电个因的意大利T听制成地了C20年2084年8834巧数据来源：小米技术公众号，刘伟等《机器人灵巧手研究综述》,KazukiMitsui等《Anunder-actuatedrobotichandformultiplegrasps》,Gagan国内灵巧手的研究则是随着国外研究的不断推进。在2000年左右国内一些机器人研究机构和部分高等院校相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作。(1)2001年，哈工大(HIT)联手德国宇航中心(DLR)共同研发了一种利用齿轮以及连杆传动的HIT/DLR灵巧手。DLR有4根手指，每根手指有3个自由度。指尖部分采用多连杆耦合机构，基础关节的2个自由度通过差动机构耦合来完成。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准8财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告(2)2005年，北京航空航天大学机器人研究所仿照Stanford/JPL手研制出了BH-3为3指9自由度灵巧手。BH灵巧手主要用于多指手的操作理论研究；通过数据手套可实现远距离控制。最新一代灵巧手BH-985,其具有5个手指，外形尺寸约为人手的1.5倍，质量小于1.5kg,采用内置的Maxon直流伺服谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准8哈工太联手确属于取中的老私器人县出%g线血载的103-哈工太联手确属于取中的老私器人县出%g线血载的103-551工金是对手临分溪工程大学来用提地免的事法研直i7k低Mt/dmsm一种利用需能以属老用础机排11业又可手行业深度分析报告/证券研究报告(3)2022年5月23日，DoraHand是由中国深圳的Dorabot公司设计的模块化灵巧手。鉴于其5mm的厚度，指尖可以在一些狭小的空间中使用。为了提供类似人类的能力，这款手配备了一个高度敏感的0.3mm薄膜力传感器，作为触觉传感器，可同时感知力和位置。(4)2022年，北京Inspire机器人科技公司研发的灵巧手。它有5个手指、6个自由度和灵活的抓取能力，大小接近人类的手。拇指手指有2个自由度，而其他手指只有1个自由度。6个带有肌腱的微型线性致动器用于驱动手指。这款灵巧手的效率很高，可以用于假肢、服务机器人和教学等领域。(5)2023年4月25日，腾讯RoboticsX实验室公布最新机器人研究进展，首次展示在灵巧操作领域的成果，推出自研机器人灵巧手TRX-Hand和机械臂TRX-Arm。其中，灵巧手TRX-Hand拥有像人手一样灵活的操作能力，可适应不同场景，灵活规划动作，自主完成操作。而机械臂TRX-Arm针对人居环境自主研发，拥有七自由度和拟人的特性，具有运动灵巧、爆发力强、触控一体以及柔顺安全等特点。图5.国外灵巧手的发展历程上海变通大学研制了一数气础。多材料3D与钟读化再度卫表代数的器面求的无月手(laspireRubs)科推会有研车出静人真指是码辛通讯UAdsX实安家公本最断就器研定来展。首次果你在更巧接作程成的成里。拉出自糖机器人关巧手中需料学院白地化研交师上期研究测研究程研发；M6年2020年2月22年M6年3*年3012年209年2820年8月822年5月2023年5月实两自频护L在由底是州学相头树究，#发出了基子形放之红合金的工相是码手今出了一种金翻的证开方拿HBITDeusHad中国深圳的Deshet分成计了规地化是码手Dimdland系单支学设计的更网手拥有属于走跳物关，它数情实现类征于入美相式真版的触觉感数据来源：小米技术公众号，腾讯RoboticsX实验室公众号，高工机器人公众号，中国科学院自动化研究所官网，刘伟等《机器人灵巧手研究综述》,李达宏等《新型形状记忆合金驱动器与三指灵巧手设计》,QingxinMeng等《DexterousUnderwaterRobotHand:HEUHandⅡ》,HaiyanQiao等《Non-equilibrium-GrowingAestheticlonicSkinforFingertip-LikeStrain-UndisturbedTactileSensationandTextureRecognition》,财通证券研究所1.3目前学术上的研发方向及难点9CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告虽然灵巧手的应用需求凸显并日趋旺盛，这些需求也引领着机器人多指灵巧手的研发方向和发展趋势，但目前的技术和产品依然存在诸多问题和挑战，亟待解决。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准9行业深度分析报告/证券研究报告1.深度仿生：多指灵巧手最初是从结构，特别是外形上进行仿生设计。随着更多更复杂的应用功能需求提出，研究人员逐渐开始从人手内在结构、驱动和传动原理等方面思考其仿生结构的设计，并逐步延伸到复合材料、智能材料的研制和设计，智能材料的研究又反过来影响多指灵巧手的仿生设计；同时，对于人手操作过程的研究，也应属于机器人多指灵巧手仿生研究的重要范畴，会在很大程度上决定多指灵巧手的仿生程度并成为一个重要的衡量指标。2.柔性感知技术：由于人手结构精巧复杂、功能多样、感觉丰富，实现仿生的机器人灵巧手必然需要像人类皮肤一样能够感知丰富信息的柔性感知技术和传感器。灵巧手触觉传感器用于实时传输与物体的接触信息，目前还面临着几个巨大的挑战需要克服。(1)理解高级语义信息。机器人需要从低级感官数据中提取任务需求和人类偏好等高级语义信息，首先要知道被操作的对象是什么,需要进行什么(2)跨模态算法，不同的感觉模式间的知识传递。人类不是通过单一的感官形态来探测物体，而是通过多种感官整合信息，例如触觉/味觉/视觉/声音信息等都可以帮助人类理解物体。例如，视觉数据提供的几何属性，与触觉数据提供的物理属性(如重量或硬度)是互补又共存的，整合多种感知模式的传感器可以解决单一传感器的局限性，并获得更加丰富的环境信息，但对不同模态信息建立统一的特征表示和关联关系的方法仍需进一步探索。图6.通过触觉感知重建模型财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告数据来源：刘伟、肖钊、瞿寅朋、许守亮《机器人灵巧手研究综述》,财通证券研究所谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准10行业深度分析报告/证券研究报告(3)探索中的安全性问题。在机器人手与物体的物理交互和触觉探索过程中，需要保证机器人手及其周围环境的安全。一方面，要及时采集触觉信号并传递给控制器的同时，也需要有避免不必要伤害的能力。另一方面，由于对象模型是未知的，机器人可能会违反一些关键的约束。如果在勘探过程中发生意外损伤，具有一定的自愈能力和拉伸能力可以保证系统的安全性。(4)提升触觉传感器的灵活性。因为手的表面通常是不规则的，与刚性传感器相比，柔性传感器更容易与手的表面集成柔性传感器可以放置在整个手掌表面，而不是指尖，接触信息更加丰富。触觉传感器的其他性能也需要进一步提高，如自愈能力和自功率。具有自修复能力的触觉传感器可以提高其对非结构环境的适应能力。图7.通过触觉稳定器控制物体数据来源：ZiweiXia等《Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation》,财通证券研究所3.成本控制：现有的机器人多指灵巧手的销售价格普遍较高。例如：哈尔滨工业大学-德国宇航中心合作开发的HIT/DLR灵巧手售价在90万元人民币以上，ShadowDexterousHand报价约30万美元，德国SCHUNK公司的SVH五指CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告手报价70万元人民币以上。高昂的价格是推广应用一大障碍，许多多指手产品也仅仅在科研实验室里用于科学研究和应用基础开发。近年来，各类科研机构开始投入研发低成本的机器人多指手，从材料、加工方式、驱动器件、感知器件等方面进行低成本化设计和制造，开发了一些样机，但其灵活性、感知丰富性和可靠性等指标普遍较低。所以，如何在性能和成本之间取得合理的平衡也是值得研究的课题。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准11财通证养行业深度分析报告/证券研究报告4.新材料的应用：大部分灵巧式机械手的研究都是通过骨架结构以及橡胶等其他软体材料来模拟人手的外形。对于抓/握/捏/拧等日常手部动作来说，虽然可以有效进行，但是在实际应用过程中依然存在着包络性、灵活性和稳定性差等问题。如果要保持灵巧性和抓取的稳定性，根据仿生学对生物机体环境适应性强、高效能、身体结构合理等特点进行模拟及研究，开发出一种新型材料并用于灵巧式机械手的研发，可最大化生物优势。目前，中外通过研发还原肌肉纤维、结构组织等已在拾取装置实际使用中获得较好的效果。图8.多层次的人手和机器人手结构对比JointcapsukArticularJointcapsukArticularcartilageBonesBonesligamentsThebaselayer谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准12财通证券行业深度分析报告/证券研究报告2机器人灵巧手的分类与商业化应用2.1机器人灵巧手的分类机器人灵巧手作为一种新型的末端执行器，在机器人与环境的交互中起着关键作用。根据自由度数量、驱动方式、机械传动形式以及感知技术的不同，灵巧手可以分为若干类型。图9.机器人灵巧手的分类灵巧手灵巧手自由度数量驱动方式全驱动驱动器内置电机驱动欠驱动驱动器外置液压驱动合金驱动感如技术齿轮/蜗轮蜗杆传动机械传动形式外部感知连杆传动腱传动2.1.1自由度数量机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。手指拥有两种运动形式，通过各指节旋转副的屈曲/前伸运动以及通过手指末端球形副的侧摆运动。我们暂且定义每根手指屈曲的方向为Pitch,侧摆的方向为Roll,那么对于Pitch方向的自由度，每根手指都有3个，共15个，对于Roll方向的自由度，大拇指有2个自由度，其余手指各1个，共6个。整手通过这21个自由度，实现了复杂多变的人手运动形式。由于真实人手的高自由度、结构紧凑、复杂等特征，绝大多数机械手都无法完美复制人手的功能，其设计和功能都是在某些特定场合和功能要求下的简化和权衡。根据严玺《仿人灵巧手的结构设计及其控制研究》,在通常情况下，灵巧手只需要3根3自由度的手指即可完成大多数任务。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准13财通证养行业深度分析报告/证券研究报告图10.人手的自由度分布Flexion&Extension根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类。全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等，欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分则进行耦合随动。表4.全驱动灵巧手与欠驱动灵巧手对比情况全驱动灵巧手欠驱动灵巧手每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制，在某种程度上能够像人手一样完成全部的动作指令甚至要求更高的灵巧动作欠驱动手硬件集成度高，整体系统简洁高效、体积小、质量轻，便于进行动力学分析优点缺点全驱动也意味着需要更多的驱动器，会使手掌体积变大、安装困难、操作复杂欠驱动机械手的高集成性一定程度上也是牺牲高自由度性能的结果，存在功能性不足，尤其是对于精度要求比较高的手指精巧控制无法胜任财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告欠驱动手欠驱动手典型案例ZARAHa谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准14财通证养行业深度分析报告/证券研究报告驱动系统是整个系统的动力源，是系统输出力的保证。灵巧手的驱动方式根据驱动器是否布置在手指内分为两种：驱动器内置与驱动器外置。早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，主要是受驱动器结构尺寸影响，难以嵌入手指内。随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式。驱动器内置很难做到驱动整根手指，于是混合式多指灵巧手的概念就出现了，即驱动器外置和内置相结合的方式，进一步提高手指的输出力矩，保证较高自由度的同时，控制体积大小。表5.灵巧手两种驱动方式的对比情况驱动器内置驱动器外置优点这种方式给了驱动器选型极大自由，不用考虑体积空间，可以用更大的驱动电机来增加手指的输出力，手指部位也可以做到比较纤细手指各关节具有较好的刚性，更利于传感器的直接测量，且模块化设计利于更换维护存在传感器不能反应关节信息，控制器难度大、标定难、非模块化设计、可维护性差等问题通信和控制难度加大，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大，关节灵活度下降典型案例Stanford/JPLHIT/DLR-I驱动源是驱动系统的动力源，驱动源性能决定了驱动系统的驱动性能。目前，主流的驱动源有：电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金(SMA)驱(1)电机驱动：目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大、控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。但是电机本身固有的体积较大等缺陷，导致无论是外置还是内置，都会占用较大的物理空间，并且市场上很难匹配到通用电机。(2)液压驱动：液压驱动式机械手的驱动系统一般由液动机、伺服阀、油泵和油箱等组成，驱动机械手完成任务，常被用于工业机械手中，适合大型抓取作业。液压驱动能获得较大的工作力，能带动较大的负荷，但体积大，成本高，容易被污染。财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告图11.图11.SCHUNKSVH五指伺服电动机械抓手数据来源：SCHUNK官网，财通证券研究所图12.StefanSchulz等研制的液压驱动仿人机器手数据来源：StefanSchulz等《Progressinthedevelopmentofanthropomorphicfluidichandsforahumanoidrobot》,财通证券研究所人体肌肉驱动的一种方式。气压驱动的优势在于操作方便、质量轻巧、动作迅速、价格适中、维护简便，缺点在于可操作性不强，轨迹精度不够。形状记忆合金(SMA):形状记忆合金是美国海军在研究时无意发现的一种金属材料，之后更多种类的SMA被大量研发。其中，Ni-Ti形状记忆合金的性能较为优良，广泛应用于多个领域。形状记忆合金驱动适合小型、高精度机器人装配作业，它可以进行负载驱动快速反应，且位移大，变位迅速，但其无法长时间工作，并且疲劳强度较低。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准财通证养行业深度分析报告/证券研究报告图14.中国计量大学基于图14.中国计量大学基于SMA驱动的三指灵巧手以上四种驱动方式在输出力、运动精度、响应速度和体积方面的比较情况如下表所示：谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准16高高高高低低快慢快快小大大小财通证养行业深度分析报告/证券研究报告表6.灵巧手各类驱动源的比较情况驱动源电机驱动液压驱动气压驱动形状记忆合金驱动输出力较大大小大运动精度响应速度体积2.1.3机械传动形式机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动合力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动，传动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响灵巧手体积重量的重要因素，但是抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动灵巧手的主要传动方式有腱传递、连杆传动和齿轮/蜗轮蜗杆传动。线绳驱动是目前灵巧手研究中应用最为广泛的一种传动方式；齿轮/蜗轮蜗杆传动在工业机器人中应用比较广泛；连杆传动多用于工业和商业用途，多个连杆串并联混合的使用形式较为常见。表7.灵巧手的各类传动方式对比情况腱传动连杆传动齿轮/蜗轮蜗杆传动驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作由腱(钢丝绳、迪力马绳等)加上滑轮或者软管实现传动采用平面连杆机构传动定义优点腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种柔顺传动方刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求。手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长。结构冗杂,笨重结构冗杂,笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高。结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高，手指的结构比较复杂，容易出现故障。财通证养行业深度分析报告/证券研究报告缺点缺点典型案例腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。VincentHandBeBionicVincentHandi-limbultrai-limbultraHand财通证养行业深度分析报告/证券研究报告机器人灵巧手的感知技术可以分为内部感知和外部感知。灵巧手的运动参数如位置、速度、加速度等均属于内部感知检测的范围，外部感知则针对于周围环境的信息检测，外部环境信息的复杂多样性增加了检测的难度。内外部传感器提供了对手部位置、姿态、物体位置和力度的准确测量，为灵巧手的操控提供了必要的反馈信息。然而，要实现像人类皮肤一样的复杂和柔性结构并保持优良的感知功能依然很困难，因此，电子皮肤的研究将会是灵巧手感知技术的一个热点问题。图15.灵巧手传感器分类灵巧手的传感器内部传感器运动传感器力/力短传感器触党传感器视觉传感器温湿度传感器数据来源：刘伟《机器人灵巧手研究综述》,ZiweiXia等《Areviewonsensoryperceptionfordexterousroboticmanipulation》,财通证券研究所(1)内部传感器运动传感器：在灵巧操作过程中，运动传感器用于测量机器人手的关节角度、电机位移等。对于机器人的运动学分析而言，这两类信息都是必不可少的。更精确的关节角度信息可以减少指尖的运动误差。两种常见的运动传感器为位置传感器(PositionSensor)和弯曲传感器(BendSensor)。力/力矩传感器：力/扭矩传感器提供机械手的动态信息，动态信息是机械手进行稳定的灵巧抓取和操作的必要条件。因此，力/扭矩传感器对于与未知物体进行交互至关重要，无论在操作安全性还是自主性方面都是如此。对于机械手和机器人手而言，关节处通常都配备有关节扭矩传感器。(2)外部传感器●接近觉传感器：在抓取或操纵物体之前，接近觉传感器总是用来为机器人提供检测物体表面和物体与机器手之间相对位置的能力。对于人类来说，这种财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告能力通常由视觉反馈提供，但对于机器人来说，这种能力可以由接近觉传感器提供。有了接近觉传感器，机械手就能在操作前估算出物体的位置、形状谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准18财通证养行业深度分析报告/证券研究报告和其他物理信息。对于灵巧操作而言，提前了解这些信息有助于提高操作的成功率。触觉传感器：对于人类的双手来说，触觉系统可以提供丰富的信息，如抓取物体的力度、质地、温度和硬度等，人类双手的熟练程度取决于其复杂的结构和强大的感觉系统。在早期阶段，触觉传感器研究的主要方向是压力和力的测量，几乎所有的机械手都将配备这类传感器，通常安装在指尖，用于测量多维力。目前大多数机器手配备的传感器都是多阵列触觉传感器(Multi-但仍然只能感知单模态信息。对于机械手来说，同时获取多模态触觉信息也很重要，多模态传感器(MultimodalSensor)提供了解决方案，可同时获取多种触觉信息。从感知中获得的信息可以帮助机器人有效地做出决策。在操纵物体时，可以应用规划、控制和学习等不同方法来计算灵巧机械手的运动和控制方案。表8.灵巧手的各类感知方法对比感知方法简介规划级控制级学习级通过感知信息学习自动操作2.2机器人灵巧手的商业化应用表9.国外灵巧手产品梳理产品名称厂育名称国家发布时间手指数量自由度驱动方式大学Hand大学Hand电机驱动5电机驱动(可选气动)24(20个驱动电机驱动(可选气动)24(20个驱动自由度：手指HandShadowRobot传动方式感知柱术自身查量承载金量图拇指8.8N,其拇指8.8N,其杆传动力传感器以及表面有624个检测点的分布式触觉传感器六轴陀螺仪和加速成本E50000-六轴陀螺仪和加速90000(取决于配置)腱传动90000(取决于配置)腱传动43kg最大5kg感器、扭矩传感器、触觉传感器、电流和温度传感器财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告KISTHand韩国科学韩国2011持术研容每个手指的指尖分布有4个触觉传感电机驱动连杆传动器，手掌上有8个0.74kg>40N韩国先进韩国201113(拇指4,手指3)工程研究指3)电机驱动连杆传动触觉传感器或力传感器<2.5kg所SVHSCHUNK德国20145电机驱动(9个驱动电机)齿轮/连杆传动手指上使用触觉传感器最大可达0.85ke以参考价格TheCEA西班牙国防中心大Hand西班201424(完全复制了电机驱动腱传动位置传感器、力传4.2kg学与法国交互式机器人实验室法国ShadowHand)感器Pisa/IITSoftHandM.GCatalano意大利2014年521(欠驱动)电机驱动腱传动力矩传感器28N谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准19财通证养行业深度分析报告/证券研究报告Multi-GnpPatterns泰国朱拉隆功大学秦国2018年电机驱动齿轮传动负荷传感器980g34.5NProstheticHandSoftHandResearch20180.77kg62N单电机驱动SoftHandIndustryRobotic意大利201919(欠驱动)腱传动2022两电机驱动0.94kg3kgSoftHand2ResearchCloneHandCloneHandRobotics数据来源：Shadow液压驱动(由公0.75kg波兰每个关节都有一个位置传感器电池续航2h20230.75kg波兰每个关节都有一个位置传感器电池续航2h20235内和阀门驱动)Hand官网，robotsguide,SCHUNK官网，qbSoftHand官网，上海硅步公众号，数字化企业公众号，小米技术公众号，全球风口公众号，Sang-MunLee等《KinematicsoftheRobomecRobotHandwithPlanarandSphericalFourBarLinkagesforPowertactilesensor:GifuhandII》,孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》,JavierMartin和MathieuGrossard《Designofafullymodularand表10.国内灵巧手产品梳理产品名称厂商名称发布时间手指数量自由度驱动方式传动方式总知技术自身重量承截重量国片各注北京航空BH-4航天大学巧手机器人研究所12(每只手指3自由度)电机驱动食指等三指的前的指动，其余关节为角位移传感器六维力传感器齿轮传动哈尔滨工中德中心电机驱动Freedom触感五手清华大学中国电机驱动连杆传动多点阵列压力传感器550g单指1kg,四指抱拳清华大学机械系电机驱动15(每个手指3(每个手连杆/蜗轮蜗杆个自由度)传动压力传感器巧手指3个电谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准20财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告机)RH56BFX美巧手拇指RH56DFX灵巧手因时机器人5其余四指各1电机驱动连杆传动6个压力传感器530g参考价格¥100000DexterityHandAgileRobots中德2020515(主动自由度为6)电机驱动每个手指均集x490g有力传感器和位指尖输出力最大可置传感器达15N蓝胖子机械智能DoraHand38(8个主动自由度)模块化设计，降低成本，易于维护中国2020高精度角度感知、力触传感单元、视觉传感器6kg17(14个主动自由度)2.3kg腾讯TRX-RoboticsXHand实验室8个可独立控制的关节高灵敏度柔性触觉传感器阵列、摄型激光雷达、接近觉传感器、角度传感器、视觉传感器、力觉传专器信息融合技术CasiaHand中国科学院自动化研究所25关节自由度，21驱动自腱传动角度传感器、“位力触温”多由度模态传感器公众号，小米技术公众号，搜狐，刘伊威等《五指仿人机器人灵巧手DLR/HITHandⅡ》,刘博等《BH-4型灵巧手设计及抓持仿真》,财通证券研究所谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准20财通证养行业深度分析报告/证券研究报告2.2.1国外案例SCHUNK成立于1945年，是刀具和工件夹持、抓取技术和自动化技术领域的国际技术领导者，产品线十分丰富。2014年，SCHUNK对外发布五指伺服电动机械抓手SVH,分为左手和右手两个版本，现已实现批量生产。仿真SVH五指手几乎可以像人手一样完美地抓取物品。由于运动部件总共有9个驱动器，能够以高灵敏度执行各种抓取操作。防滑弹力抓取表面提供了较高的摩擦力，可实现更为牢固的夹持效果。用于位置控制等的配套电子元件完全集成在腕关节上。除了在抓取和操作任务方面实现新的突破外，SCHUNK还通过五指手势实现了人机交流的可能性。SVH有三个显著的优点：第一，低能耗，适用于移动应用领域；第二，设计极为紧凑，在手腕上集成了完整的控制、调节器和电力电子装置；第三，已定义接口，可与市场标准的工业机器人和轻型机器人轻松连接。(2)ShadowRobot:ShadowHandShadowRobot成立于1987年，最初只是一个业余爱好者团体，现已成为英国运营时间最长的机器人公司。ShadowHand是世界上最先进的五指机械手，其设计目的是提供与人手相当的力输出和运动精度。ShadowHand系统已被用于抓握、操纵、神经控制、大脑计算机接口、工业质量控制和危险材料处理等方面的研究。ShadowHand一共拥有24个自由度，其中20个由电机驱动，4个欠驱动。这24个自由度每一个都有与人类相近的运动范围，允许其做出与人手类似的动作。它财通证养行业深度分析报告/证券研究报告还具备了129个内置传感器，包括关节位置传感器，温度传感器，力反馈传感器，肌腱张力、指尖触觉传感器等，可以对环境进行触觉感应。ShadowHand具有以下特点：第一，基于人手运动学，标准版本的五指手拥有和人手同等数量的24个关节(包括腕部);第二，与人手尺寸相同，整体大小与人手一致，方便模仿人类的手部动作，通过与ShadowGlove和远程操作系统配合使用，可轻易通过遥操作实现远程控制；第三，实时反馈与控制，整机采用EtherCAT进行内部数据传输以及和远程控制端的通讯，通过高频率的反馈与控制周期，可以实时反馈120个以上的数据，并进行相应的反馈控制；第四，完全集成ROS,整体软件架构完全基于ROS开发，对ROS平台100%兼容，可用作研发工具以及人工智能和机器学习的测试硬件。图17.ShadowHand外观尺寸图数据来源：ShadowRobot官网，财通证券研究所qbRobotics成立于2011年，致力于将软体机器人技术用于研发和生产各种创新的产品，如灵巧手，夹爪，手柄等。qbSoftHand是备受瞩目的柔性机械手，具备极强的交互性，能与周围环境、物体和人类亲密互动。通过单电机驱动，qbSoftHand变得即插即用、简单易控。此外，qbSoftHand与市场上主要的合作机器人品牌集成，并与UR+生态系统完全兼容，为应用提供更多便利性。qbSoftHandIndustry是一款基于MechaLogical技术的新型先进拟人机器人手，也是首款专为工业应用设计的拟人机器人手。它采用腱传动和单电机驱动，同时复制了人类手部运动的"第一次协同",实现了灵活、适应性强的抓取。集成了qb财通证养行业深度分析报告/证券研究报告SoftHandIndustry的系统可完成的任务包括测试、质量检测、取放、复杂处理、装配、机器操作、研发等。qbSoftHandResearch采用欠驱动结构，能够复制人手约75%的抓握动作，并且由于其固有的机械智能，它能够自然地适应它正在拾取的物体，无需使用需要复杂电子编程的精密传感器。qbSoftHandResearch具有很强的适应性，可以在控制动作没有任何变化的情况下抓住不同的对象。适用于研究机构、大学、学校、测试实验室以及私营和上市公司的研发部门。qbSoftHand2Research是qbSoftHandResearch更强大、更智能、更多功能的进化版。它在复杂性与灵巧性之间达到了一种平衡，既能进行精确抓握，也能进行动力抓握，还能在保持稳定抓握的同时操纵物体。第二协同作用的引入，使qbSoftHand2Research可以在不改变手腕方向的情况下，操纵与人手互动的物体。此外，与前两个灵巧手不同的是，它使用了两个电机。这种手部操控能力大大增加了在研发、测试和人机交互领域的应用。图18.qbSoftHand产品系列qbSoftHandqbSoftHandqbSoftHandNOUETNVA数据来源：人机协作机器人公众号，财通证券研究所CloneRobotics从2014年开始研发，最初的使命是制造低成本的机器人来执行日常生活中所有的常见劳动。Clone拥有一支由12名科学家和工程师组成的创意团队，涉及物理学、生物力学、材料科学、电子学和机器学习等领域。他们计划于2024年推出第一条产品线，包括CloneHand和CloneTorso。财通证养行业深度分析报告/证券研究报告CloneHand是世界上最接近人类的肌肉骨骼手，由CloneRobotics专有的液压肌肉和阀门驱动。其尺寸和生物特征与人手相同，包括一半臂骨、完整的前臂和手掌，具有所有可能的自由度。CloneHand由聚合物制成，比金属更软、更轻、更便宜且性能更好。其中，骨骼由碳纤维制成，手的其余部分由柔软材料制成，包括由液压系统控制的37块肌肉。这些肌肉目前可以承受65万次扩张和收缩循环，并且手指足够强壮，可以抓住并支撑7kg的重量。图19.CloneHand外观图2.2.2国内案例思灵机器人(AgileRobots)是一家全球领先的智能机器人明星企业，公司创立于2018年，立足全球化发展，在德国慕尼黑、中国北京设立双总部，以德国宇航中心为技术依托，致力于推动机器人技术探索与创新，并拓展机器人在更多领域的推广应用。思灵机器人的仿人型五指灵巧手DexterityHand于2020年完成第一代开发，主要面向服务、康复理疗、危险环境作业、空间探索等应用场景。DexterityHand是世界领先的高度集成化和模块化的多指力控机器人灵巧手，由4个模块化的多关节手指和1个具有主动对掌功能的拇指组成，每个手指有一个独立自由度和两个耦合自由度，所有的驱动、传动、传感及电气模块均集成在手上。财通证养行业深度分析报告/证券研究报告DexterityHand采用“直流伺服电机+二级减速器”的方式驱动手指和拇指各个指节完成运动，不仅具备出力大、响应速度快的优点，而且能够实现机械自锁，指尖输出力最大可达10N。同时，每个手指均集成有力传感器和位置传感器，可实现多传感器融合的抓取算法，保证灵巧手与环境的柔顺接触。财通证养行业深度分析报告/证券研究报告图20.DexterityHand外观图世界领先的力控&力感知技术属复要成的机电一维化家展真要普集化的机海人爆内展填因时机器人成立于2016年，专业从事伺服电动推杆和末端执行器研发、生产及销售，产品主要应用于机器人、生物医疗、工业自动化和教育科研等领域。在灵巧手市场上，因时机器人具有核心零部件自主研发；传动机构、传感器和控制算法；成本控制等三方面的优势，以应对国际、国内厂商的双重竞争。因时机器人仿人五指灵巧手采用创新型直线驱动设计，具有6个自由度和12个运动关节，结合力位混合控制算法，可以模拟人手实现精准的抓取操作。其中，因时机器人RH56DF3系列灵巧手抓握力大，速度适中，适用于机器人或假肢的抓取操作。RH56BFX系列灵巧手又称钢琴手，速度快、抓握力稍小，集成力传感器，适用于弹钢琴及手势交互等场景。二者均支持ROS,可提供ROS插件。图21.RH56BFX系列/RH56DFX系列外观图财通证养CAITONGSECURITIES行业深度分析报告/证券研究报告6自由度12关节外形大小高度仿真亚毫米级定位精度谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准25财通证养行业深度分析报告/证券研究报告(3)蓝胖子机器智能(dorabot):DoraHand深圳蓝胖子机器智能有限公司成立于2014年，运用计算机视觉、运动规划、自主导航、多机协作、机器学习等人工智能技术，为物流、快递、电商、海港、空港、先进制造等场景，提供包含上件、分拣、运输、装载等环节的一站式解决方DoraHand采用模块化设计，有效解决多指灵巧手成本高、不易维护的痛点，可应用于机器人灵巧操作及多种类物品的复杂抓取场景。同时，DoraHand采用特殊的传感器设计，结合多自由度配置，既能适应绝大部分物体的抓取要求，又能降低灵巧手成本，从而推广其在科研、工业、服务等领域的应用。DoraHand具有模块化、灵敏性、灵巧化的特点。模块化：手指模块化快换设计，支持热插拔，便于拆装、维护，可根据需求进行模块组合及替换；灵敏性：高精度角度感知，精确控制关节运动，力触传感单元均匀分布在指腹及手掌，能够灵敏感知力的大小以及施力点位移变化；灵巧化：依托于视觉感知、力触感知、抓取规划及手指指尖设计，便于各类手势切换，并适应狭小空间的物体抓图22.DoraHand外观图腾讯RoboticsX实验室成立于2018年，目前实验室的研究方向包括作为机器人基础技术的视觉、触觉等感知能力，以及灵敏运动、灵巧操控、智能体三大支柱技术。2023年4月25日，腾讯RoboticsX实验室推出自研机器人灵巧手TRX-Hand和机械臂TRX-Arm。TRX-Hand拥有像人手一样灵活的操作能力，可适应不同场景，灵活规划动作，自主完成操作。财通证养行业深度分析报告/证券研究报告在运动能力上，得益于创新的刚柔混合驱动专利技术和自研高功率密度驱动器，TRX-Hand兼具高灵巧和高负载速度的特性，拥有8个可独立控制关节，最大持谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准