2024年机器人灵巧手专题报告：人形机器人应用落地的关键

1 灵巧手结构及功能

灵巧手结构精密复杂，依据特定场景简化功能

就真实人手而言，远指关节和中指关节分别有 1 个自由度，能够完成屈曲/伸展运动；而掌骨关节具有 2 个自由度，可以完成屈 曲/伸展和侧向摆动动作。Pitch方向的自由度大拇指、食指、中指、无名指和尾指各有3个，共计15个；Roll方向的自由度大拇 指有2个，其他手指各1个，共计6个，总体而言单手自由度为15+6=21个。对比而言，特斯拉人形机器人单手自由度仅11个。 灵巧手决定了机器人的应用场景。人形机器人的灵巧手是一种基于人手运动学设计的特殊末端执行器，由于真实人手具备高自 由度、结构紧凑等特征，绝大多数机械手无法完美复刻人手的功能，需要依据特定情景权衡简化。

手指决定灵巧手的主要功能

灵巧手的功能主要由手指决定，灵活的手指可以有效地提高灵巧手的灵活性。因此，对灵巧手的手指研究，尤其是对手指关节 结构的研究至关重要。目前，灵巧手有很多分类方式，按照灵巧手的手指关节及其传动方式分类，主要可以分为三种灵巧手： 刚性关节灵巧手、柔性关节灵巧手和软体关节灵巧手。机器人灵巧手的自身复杂性主要表现在仿生结构、驱动、传动、感知、复合材料、建模与控制等方面的关键技术。

灵巧手的仿生结构

从手指和手掌的外形上看，目前已有的各种多指灵巧手多是模仿了人手的结构和外观，具有鲜明的仿生设计特点。然而，现有 的多指灵巧手的内部结构，特别是手指关节等运动结构，主要还是采用传统的机械式铰链转动关节设计。机械式转动关节的优 点是结构稳定可靠、运动可测可控，然而同时给驱动传动的设计以局限性，虽然外观和形式上实现了仿生，但是在运动功能实 现上远远达不到人手的灵活精巧程度和目标适应性。

灵巧手传感器

感知是执行的前提，感知层的传感器是软件控制和硬件零部件的桥梁，是实现具身智能的关键，多感知能力融合是未来灵巧手的 发展方向。灵巧操作要求灵巧手能够准确地反馈自身状态并感知周围环境，据此要求传感器可分为内传感器和外传感器两大类：内部传感器用于反馈灵巧手自身的位置或力等状态信息。三种典型的内部传感器包括位置传感器、弯曲传感器和张力传感器。 外部传感器是机器人获取周围环境信息的必要部件。为了实现灵巧操作，灵巧手需要在操作前阶段靠近目标物体，在操作阶段用 手形对目标物体进行操作。因此，在操作前阶段，使用近端传感器来检测物体与灵巧手之间的距离。当灵巧手接触到物体时，触 觉传感器用于提供物体的物理信息和接触力。

灵巧手驱动形式和传动形式

驱动源是影响灵巧手体积和重量的重要因素，主要驱动方式包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。电机驱动 最为常用，其优点包括使用方便、能量转化率高、机构速度变化范围大，噪声较小，控制灵活、精度高。特斯拉电机驱动方案， 单手6个无刷空心杯电机模组，11个自由度，空心杯电机模组由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器构成。 灵巧手的操作稳定性和灵活性指标主要取决于传动系统，主要传动方案包括连杆传动、腱绳传动和齿轮传动。腱绳传动控制灵活 ，传递力的距离长，能实现自适应抓取；连杆传动精度高、效率最高、承载能力大；齿轮传动应用最广，使用周期长、效率高。 特斯拉采用了金属腱绳+蜗轮蜗杆传动结合的方案。金属腱绳实现自适应抓取能力；蜗轮蜗杆实现自锁特性，能有效阻止电机发 热，且蜗轮蜗杆的不可反驱动特性使得灵巧手可以在抓握完成后实现无功耗保持。

2 灵巧手发展路径：成本与功能的博弈

灵巧手成本与功能的博弈

灵巧手的性能和成本受其三大核心组件—驱动、传动和传感装置的共同影响。首先，驱动系统为手部提供必要的动力和旋转力， 确保其具备足够的操作能力；其次，传动系统负责将动力传递到手指，精确控制其运动轨迹；最后，传感系统则负责监测和响应 手部与环境的互动，提供反馈信息以优化抓取动作。灵巧手研制难点可分为“灵巧”和“作业”两部分，灵巧性难题是由于灵巧 手关节自由度分布、关节数量要求较高，作业能力难题则由于灵巧手需要具备更强的操作负载能力、力位精度与可靠性。灵巧手需从实际应用场景出发进行结构设计，在追求性能最优化的同时要考虑到成本效益，实现两者之间的合理折中。对于人形 机器人的灵巧手，其设计必须考虑到人体工程学的尺寸要求，同时还要兼顾空间限制和重量等实际应用中的实用性因素。

灵巧手技术路线选择——减速器

技术路线1：谐波减速器：哈默纳科在2023年东京国际机器人展览会上展示了搭载微型谐波减速器的灵巧手方案，该产品可实现 无限模仿人手精密动作处理。特点：谐波减速器相比行星优势在于精度和背隙，目前微型谐波的问题主要是成本、传动效率和速比上限。 供应厂商：精密传动设备头部厂商日本哈默纳科用于人形机器人手部的迷你执行器RSF-3C及RSF-5B，集成谐波减速器、无刷 伺服电机及编码器于一体。绿的谐波KAH系列中空轴旋转执行器采用一体化设计，集成了高精度谐波减速器、无框力矩电机、中 空轴高分辨率绝对值编码器、制动器和智能传感器等组件，广泛应用于工业机器人。

技术路线2：精密行星减速器：特斯拉Optimus单手6个无刷空心杯电机模组，由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感 器构成。 特点：具有更高的扭矩传递能力和更强的刚性，且成本较低。供应厂商：日本新宝有VRS、VRSF、VRB等系列精密行星减速器，具有极低的回转间隙和背隙，其中VRSF系列小于间隙 0.05°的高精度型、使回转间隙0.08°系列化。科峰智能S系列行星减速机-SPH齿轮材料选用高级低碳合金锻钢,经过渗碳淬火 之深度硬化处理,硬度可达到HRC60，保证齿轮强度和寿命。

灵巧手传感器——力传感器

力/力矩传感器测量物体转动力矩并转化为电信号输出，用于精准力控。按测量方向可分为一到六维力传感器。六维力矩传感器 是性能最优、技术壁垒最高的力矩传感器，能够同时测量三个轴向力Fx、Fy、Fz和三个轴向力矩Mx、My、Mz，能够满足任何 方向上力的检测。目前六维力传感器主要用于手腕和脚踝，灵巧手手指模组搭载的传感器一般为一维力传感器。供应厂商：国内真正具备批量供应能力的厂商依然较少，宇立仪器、坤维科技、鑫精诚、蓝点触控等厂商相对领先，受制于技术 壁垒，暂时未形成大规模的生产优势。宇立仪器在工业机器人磨抛行业和汽车碰撞测试行业应用较多；坤维科技在协作机器人、 医疗手术机器人、医疗检测机器人和康复机器人领域优势显著；鑫精诚主要应用在3C行业、机器人行业以及医疗行业为主，凭 借苹果供应商的身份已在3C行业起量；蓝点触控在协作机器人及力控打磨领域有较深的积累。

3 灵巧手重要部件详解

灵巧手的驱动电机：空心杯电机

灵巧手使用的一般指的是空心杯电机+多级行星减速箱组成的模组，一双特斯拉灵巧手需要12个无刷空心杯电机模组。 空心杯电机是一种特殊的直流电机，在结构上突破了传统直流电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，其电枢绕组为空心杯线 圈，形似水杯，因此被称为“空心杯电机”。 空心杯电机具有高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，需要搭配行星减速箱使用，一般会集成2-3级的 行星减速箱。空心杯关节是直流永磁伺服微特电机的一类，从原理上来说属于旋转关节的范畴，具有新颖的转子结构、独特的 线圈制造工艺和较小的尺寸。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机定子无铁芯。

空心杯电机技术壁垒：绕线方式和设备线圈制造

绕线方式及设备线圈制造是空心杯电机的核心流程。 空心杯电机生产近30道工序：前段线圈绕制，中段轴承、芯轴、支撑环等核心零部件安装，后段后盖安装和线路板焊线等。线圈 的生产包括：漆包线——绕线——加热整形——出线脱漆、接公共线——线圈安装等环节。无铁芯的自支撑绕组由漆包线制成， 这是一根绝缘铜线，制造过程中通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔化在一起，适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高 缠绕的强度和形状稳定性，这一点在高电流负载尤为重要。线圈专利多，每家厂商绕组设计不同，绕线工艺决定空心杯电机质量，其中马鞍形和斜绕形工艺简单；绕线设备决定自动化生产 水平，国内厂商以半自动化为主，国外领先企业Maxon、Faulhaber实现一体成型自动生产。

空心杯电机市场格局：高端产品海外厂商优势明显

根据Motor&MagneticExpo数据，空心杯电机份额仍然集中在海外厂商，国内外空心杯电机制造商在软实力和硬实力均有一定差 距。硬实力的差距主要集中在电机材料选用、本体设计和机电控制方案配置等方面，国外企业具有先进的加工镀膜工艺与更扎实 的电机材料理论研究，小尺寸电机设计能力强，具有上千种方案进行驱动配置；软实力的差距主要集中于市场影响力、客户资源 、品牌声誉与市场认可度等方面。  海外厂商起步较早，拥有性能优异的设备和稳定成熟的工艺。海外三大家成立最早，技术和工艺深厚，价格偏高，目前空心杯电 机领先企业为瑞士MAXON、德国FAULHABER和瑞士PORTESCAP，全球市占率70-80%，主要用于医疗领域和电动工具。 与海外领先企业产品性能相比，我国空心杯电机部分品类的产品性能接近或达到海外领先企业标准，高端产品在功率、效率等方 面存在差距。1）比较直径为8mm、额定电压6V的有刷空心杯电机产品参数，鸣志电器的产品在功率密度和效率上与Maxon、 Faulhaber、Portescap的产品存在差距。鼎智科技、拓邦股份、伟创电气8mm的产品处于验证或者开发阶段。

行星减速器

精密行星减速器具有高传动效率、高承载能力、高扭矩、寿命长及维护简单等特点。其主要传动结构为：行星轮，太阳轮，外 齿圈，在工作过程中，通常由伺服电机等原动机驱动太阳轮旋转。太阳轮与行星轮的啮合带动行星轮自转，同时行星轮的另一 侧与减速器壳体内壁上的环形内齿圈啮合，使行星轮在自转的同时沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动，形成围绕 太阳轮旋转的“公转”运动。行星轮通过公转驱动行星架旋转，行星架与输出轴连接，从而带动输出轴输出扭矩。全球精密行星减速器市场以日德厂商为主，主要厂商包括日本新宝、纽氏达特等；中国精密行星减速器竞争格局较为分散，高 端精密行星减速器的国产化率较低，科峰智能市场占有率相对较高。

4 重点公司分析

Maxon：精密驱动头部厂商，定制化模组优势突出

Maxon Motor成立于1961年，一直专注于精密微型驱动器的开发和制造。Maxon技术领先优势明显，1968年研发出空心杯微 电机, 采用菱形绕组，获得生产专利。  Maxon产品矩阵丰富，模组解决方案实力雄厚。公司拥有超过5000种产品和100万种组合方式，客户可以根据需求选择搭配电 机、齿轮箱、传感器、控制器和其他配件。Maxon高品质直流电机配备有强大的永磁体，电机的 “核心 ”是获得世界专利的无 铁转子；由于惯性矩小，直流电机的加速度非常高；模块化和可配置的DCX和DC-max程序可根据客户要求灵活调整。

哈默纳科：精密减速器头部厂商，落地灵巧手微型谐波方案

哈默纳科成立于1970年，由长谷川齿轮株式会社与美国USM公司合资建立。公司以谐波减速机产品起家，后续逐步开拓减速 机相关领域的产品，公司于1977年投入机电一体化产品研发生产，其机电一体化产品结合了减速机、电机、传感器、驱动器 、控制器和其他系统元件。哈默纳科谐波减速器23年占公司营收约63%，全球市占率达80%。  哈默纳科用于人形机器人手部的迷你执行器RSF-3C及RSF-5B，集成了谐波减速器、无刷伺服电机以及编码器等部件。目前公 司应用的小型谐波减速器没有竞争对手。公司24财年在人形机器人收入目标34亿日元（约1.6亿人民币） ，占比10%。

报告节选：

编辑：火腿肠