2024年人形机器人灵巧手行业研究：人形机器人硬件迭代核心模块

灵巧手： 模仿人手的结构和功能， 是机器人末端执行的工具

灵巧手是机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人学领域属于末端执行器的范畴。 末端执行器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 。 灵巧手模仿人手的结构和功能，在机器人与环境的交互中起着关键作用。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。如特斯拉机器人“灵巧手”使用较为经典的六电机驱动方式，和人手一样 同样使用5个手指，拥有11个自由度，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，可完成搬运、浇花、实 现装配任务、抓取电动工具等动作。

结构设计方案：大多为仿生结构设计

目前大多的多指灵巧手外观多为仿生设计，手指关节等内部结构主要有机械式传动（如齿轮传动等）、腱绳传动方式、软 指手、刚柔结合结构、特殊构型、仿生生物关节等。

人形机器人灵巧手：当前单价约5万元/只，存在降本空间

特斯拉Optimus灵巧手、因时机器人的仿人五指灵巧手RH56BFX、RH56DFX系列，是人形机器人灵巧手的典型代表。根据 因时机器人官网，仿人五指灵巧手单价约5万元/只。

传动体系： 多种传动方式并存， 可结合应用实现优势互补

以北航BH-985为例，灵巧手融合三种传动方式

北航BH-985灵巧手布局完全仿人，5个手指安装在手掌上，每个手指有三个指节，整手共有11个自由度。每个手指的指节都 设计成空心，便于指端力传感器和角位移传感器在手指内部走线。 拇指、食指和中指：每个手指有3个自由度，此三个手指能够满足对物体实现灵活操作的功能； 环指、小指：设计成起到辅助抓持作用的手指，只有一个自由度，共用一个电机驱动，三个指节的运动采用连杆传动，耦合 在一起。这两个手指不仅起到提高抓握稳定性的作用，而且使整个手在外观上完全仿人，增加了手的美观性。

齿轮传动：实现灵巧手精准位置控制

由于齿轮传动具有效率高、传动比恒定、结构紧凑、工作可靠、寿命长等优点，因此各个手指的近关节和拇指、食指、中指的 中关节等11个位置都采用齿轮传动。该设计满足结构紧凑的要求，并且有助于实现精确的位置控制，且为了考虑齿轮通用性、减少加工困难，将这11处圆锥齿轮传 动设计成完全相同的形式——齿轮1通过销联接的方式与十字轴的长轴固联，电机通过齿轮2带动齿轮1转动，使拇指实现侧摆 运动。双联齿轮活套在十字轴的长轴上，齿轮3通过双联齿轮及齿轮4，带动拇指实现屈曲运动，其中齿轮4活套在十字轴的短轴 上并通过销联接与拇指近指节相固联。食指和中指的近关节十字轴传动与拇指类似。

钢丝绳传动：柔顺伸缩助于灵巧操作

北航BH-985灵巧手在拇指、食指和中指的中、远指节采用了柔性好、伸缩性小的进口钢丝传动。 钢丝绳传动利用钢丝绳的拉力实现力和运动的传递，具有柔顺性好的优点，适合用于灵巧操作。但由于零件的尺寸小，钢丝 绳与绳轮的固定式需要解决的问题；另外，钢丝绳式弹性元件，刚度较低，长时间使用后容易出现塑性变形，产生松弛现象， 因此使用后需要进行张紧。

连杆传动：提供较大抓持力，精准控制存在难度

北航BH-985灵巧手的环指和小指分别只有一个自由度，该手指的电机安放在手掌上，电机驱动近指节运动，中指节和远指 节由近指节通过连杆机构带动，实现耦合运动。 连杆机构刚度好，有利于在力度抓持时提供较大的抓持力，连杆传动能够实现中心距较大的传动；但由于中指节和远指节 的运动与近指节存在耦合关系，因此其转角由近指节转角所决定，难以实现精确的位置控制。

驱动系统： 空心杯电机应用广泛， 国产替代进行时

灵巧手具有多种驱动方式，电机驱动为主流方式

动力源/驱动方式：根据驱动系统可分为液压驱动、电机驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动四类。电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式。电机驱动具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优 点。特斯拉optimus、优必选人形机器人灵巧手等都选择了电机驱动方式。

空心杯电机：实现高效率与稳定运行，是灵巧手的最佳选择之一

空心杯电机的主要组成部分包括空心杯绕组、转子组件、传感器组件、法兰、轴承、磁轭等，永磁体作为转子，绕组作为定 子，三相定子绕组采用绕线杯结构，电枢绕组以自支撑的形式分布在气隙中，绕线杯式绕组式实现消除齿槽转矩的关键部件， 定子组件是由三相对称分布的绕组、磁轭、引出线焊接板等组成，转子组件主要是由轴承、永磁体和转子护套组成。

空心杯电机与其他电机的主要区别是使用了绕线杯式电机绕组，这种新型结构由于没有冲齿槽结构，减小了电机运行时 的磁阻力矩和齿槽引起的转矩脉动，降低了电机运行过程中的能量损失，使电机性能得到了极大的提高，具有节能、效 率高、灵敏度高、运行稳定等特点。因此，空心杯适用于高续航（如智能手表、健康监测器）以及结构紧凑的机器设备 （如机器人、无人机）等领域，满足其对高效、节能、小型化的电机的需求。

预计2028年全球空心杯规模达到83亿元，CAGR达8.5%

空心杯电动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，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。空心杯电机能量 转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（普通铁芯电动机一般在15-50%）。空心杯电机作为 高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。

根据华经产业研究院，2022年全球空心杯电机市场规模约为51.0亿人民币，预计2028年市场规模将达到83.0亿人民币，期 间复合年均增长率约8.5%。

竞争格局：海外厂商占据市场龙头，国产替代进行时

中国与欧洲为空心杯电机的主要市场，但高端市场仍被欧洲企业主导。根据QYResearch数据，2021年中国和欧洲的空心杯市 场份额分别占全球总市场的34.8%、25.9%。

空心杯全球竞争格局高度集中，目前海外厂商为主。全球空心杯电机市场的主要制造商包括瑞士MAXON、德国FAULHABER、 瑞士PORTESCAP、美国Allied MotionTechnologies公司，这四家顶级制造商占据了市场份额的65%以上。由于瑞士、德国 等欧洲以及北美厂商对空心杯电机研发较早，具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺，行业地位较高，因此产品竞争优势 明显，形成一定程度垄断。而国内大多数厂商主要受制于核心技术的突破。

国内厂商在生产效率、产品寿命、精度方面，较海外厂商仍存在一定的技术差距。在产品设计层面上，国内厂商与国外先进厂 商相比尺寸精密度有差距，国外企业小尺寸电机设计能力强，直径最小尺寸可至6mm，MAXON和FAULHABER的无刷空心杯 电机尺寸可达4mm和3mm，而国内企业少有12mm以下尺寸的空心杯电机产品。在相同的8mm直径、6V额定电压的有刷空 心杯参数对比下，国内电器在功率、最大效率的表现较国外厂商有一定差距。

绕线工艺：空心杯制造重要环节，以斜绕形和马鞍形为主

空心杯电机的生产工艺主要分为四个步骤：铁芯制造、线圈绕制、转子制造和电子调速器的组装。其中，铁芯制造是生产过 程中的关键环节，需要精确的加工和组装工艺。线圈绕制则是将铁芯和线圈进行组合，制造定子。转子制造是将磁钢和轴承 进行组装，制造转子。最后再将电子调速器和传感器进行组装。

空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结 构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单,国内外绕线机多采用这两种方式

直绕式：集中绕组的优化与挑战，提升槽满率与端部尺寸

直绕式是指元件有效导体部分与电枢轴线平行的绕组，属于集中绕组。绕制时先按匝数要求在绕线模上绕制成普通环形的漆包 线元件，在排线芯轴上按绕线组展开图连成绕组，两端部涂以适当的粘结剂并固化成型。 优点：槽满率较高，绕线杯中部壁薄。 缺点：由于绕制线圈时漆包线排布不整齐有堆叠，故整个电枢杯线圈排布较乱，且排线时端部须留有走线余量，从而导致端部 尺寸较高。

传感系统： 灵巧手的感知系统， 实现精准调控

传感器：内外融合与协作，感知动态信息与外界环境

根据传感器在灵巧手中的布局和功能，分为内在传感器和外在传感器两类。内在传感器反馈机器人身体的动态信息，例如手关 节角度、关节扭矩和肌腱拉力，而外部传感器则感知外部环境，例如压力、力、温度和光滑度。应用不同的算力规划、控制和 学习来实现灵巧机械手的运动和控制。

力传感器：灵巧手关节处感知并度量力的核心

力传感器是感知并度量力的关键部件。力矩传感器又称为扭矩传感器，可对各种旋转或非旋转机械部件上的扭转力矩进行感知 检测，能够将扭力的物理变化转换成电信号，具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。力/扭矩传感器提供机械手的 动态信息，是机械手进行稳定、灵巧的抓取和操纵的必要条件。如Robonaut 2就使用了一种高集成度的力传感器来准确测量张 力信息。

触觉传感器：目前主要有MEMS、电子皮肤两种技术实现路径

MEMS压力阵列触觉传感器：通过测量介质的压力来实现对物理量的检测。其基本原理是利用微机电系统技术制造出微小结构， 通过这些结构对介质产生的压力进行敏感检测，并将检测到的信号转换为可读取的电信号。特斯拉Optimus-Gen2灵巧手指尖 部位就使用了列阵式触觉传感器，可以实现捏住鸡蛋的抓取易碎物品的能力。

柔性传感器（电子皮肤）：是利用柔性材料的物理特性，将外部的力学量转换为电学量，从而实现对触觉感知的传感器产品， 具有高灵敏度、高柔韧性、响应速度快、延展性高甚至可以自由弯曲折叠等特点。目前主流的自供电方式为压电、 摩擦电和热 电三种。其中，压电领域的研究开展最早，在材料、 性能和器件等方面取得诸多研究成果; 摩擦电作为新兴的能源供给研究领 域，近年来引起国内外广泛关注，其相关研究和应用得到迅速发展；热电领域的研究在热能转换方面备受关注，且能实现温度 监控，未来集成式可实现多信号检测的自供电传感器将成为研究重点。

报告节选：

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