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敬请参阅最后一页特别声明-1-证券研究报告 2024 年 1 月 15 日 行业研究 动 力、传动、传感：灵 巧手 分析框 架与 零部 件选型 人形机 器人行 业 系列报 告（二）电力设备新能源 机器人多 指灵巧 手是一 种高 度灵活、复杂 的末端 执行器，因其能 够模 仿人手 的各种灵巧抓 持和复 杂操作 能力，得到 持续的 研发投 入和广 泛关注。从应 用领域 来看，目前灵巧 手实现 成熟应 用的 领域主要 有：航 空航天、医 疗假肢、工业 及 科研领 域。灵 活度 设计：灵活度设计是 一个取舍 与平衡 的过程，原 因在于更 多的灵 活度意 味着更强的 功能性，但 背后需 要更多的 驱动器 与更复 杂的 结构，必 然带 来鲁棒 性的下降。对于 功能性 的衡 量，通常采用 Cutkosky 抓 取分 类法。多数 高灵活 度灵 巧手需要面 临的一 个任务 是 单 关节双自 由度 的 实现，目前 具有代表 性的传 动形式 有三种：（1）双 轴正交 结构；（2）球/孔结构；（3）差动 齿轮 组。动 力源：包括选择 动力 源 的 种类、位置 及数量，以 及适 配的减速 器。目前 电机驱动已成为 主流驱 动方式。电 机类型包 括 直流 无刷电 机、无框力矩 电机、空 心杯有刷电机、空心杯 无 刷电 机，减速器类 型包括 谐波减 速器 和 行星减 速器。传 动结 构：传动系统的设计 不仅决定 了灵巧 手的机 械结 构，而且 直接影 响到灵 巧手的抓取 稳定性 和灵活 性。腱传动对 于空间 狭小、传动 精密的灵 巧手空 间设计 较为友好，关键 在于腱 绳材料 的选择；连杆、齿轮 等传动 方式更为 直接，但对 空间、设计的要 求较高。传 感系 统：根据传感器在机 器人手中 的布局 和功能，可 将传感器 分 为两 类：内在传感器和 外在传 感器。内在 传感器反 馈机器 人本体 的运 动或动态 信息，如手 关节角度、关节扭 矩和肌 腱应变，而外 在传感 器感知 外部环 境，如 压力、力、温度和平滑度。行 业 判断：1）作为人形机 器人与 外界 交互的 重要 媒介，灵巧 手 是 机器人 功能 性的直接体 现。这 一方 面 决定 了 其在人 形机器 人 体系 中的 重要地位，另 一方面 预示着五指灵 巧手 与 人形机 器人 功能对应，在 硬件层 面可选 的方案数 量将大 于其他 部位；2）五 指灵巧 手 可 以不 依附于 人形 机器 人 而单 独存 在，如 机械 臂、远程操 作手套、假肢 等，这决定 了 五 指灵巧 手 的 远期 市场容 量的 进一步 扩大；3）五指 灵巧手作为 一个功 能单元，相 较人形机 器人其 他部位，其 自身零部 件数量 更多，硬件结构更 为复杂，需要集 合 整手的运 动控制、末端传 感、人机交互 等，最终 可能造成五指 灵巧手 环节的 竞争 更加多层 次，也 容易演 化成 为单独环 节。投 资建 议：1）动力源。建 议关注：空心杯 电机领域 的鸣志 电器、鼎 智 科技、伟创 电气、拓邦股份；直流 无刷电 机领域 的德昌股 份；无框力 矩电机 领域的步 科股份；减速器环节：行 星减速 器建议 关注 中大 力德、双环 传动；谐波减速 器建议 关注绿的谐波；丝杠 建议关 注贝 斯特；2）传动结构。主 要集中 在腱绳 材料，建议关 注钢丝 方案的 大业股份，潜 在超高分子量聚 乙烯纤 维材料 受益 标的同益 中、恒 辉安防；3）传感系统。建议关 注：（一）六维力传 感器：柯 力传感、东华测试、八 方股份；（二）触 觉传感 器：汉 威科技、奥 迪威；（三）身 体平衡（IMU）：华 依科技、芯 动联科。风 险分 析：（1）产 业化进 程不及预 期；（2）竞 争加 剧风险；（3）核心技 术进步不及预 期。买入（维持）作者 分析师：殷中 枢 执业证 书编 号：S0930518040004 010-58452071 分析师：黄帅 斌 执业证 书编 号：S0930520080005 0755-23915357 分析师：和霖 执业证 书编 号：S0930523070006 021-52523853 行业与沪深 300 指数对比图-10%-4%3%9%16%12/22 02/23 04/23 06/23 08/23电力设备新能源 沪深300 资料来源：Wind 相关研报 经典五指 灵巧手 拆机：科研及 通用 篇 人 形机器人专题（三）（2023-11-27）经典五指 灵巧手 拆机：医疗假 肢篇 人形 机器人专题（二）（2023-11-18）经典五指 灵巧手 拆机：航空航 天篇 人形 机器人专题（一）（2023-11-16）要点 敬请参阅最后一页特别声明-2-证券研究报告 电 力设 备新 能源 投资聚 焦 随着大模 型等 AI 技术 取得 突破性进 展，作 为其 重要 载 体的人形 机器人 受到广 泛关注。2023 年 10 月，工信 部 印发 人 形机器 人创新 发 展指导意 见，称 人 形机器人有望 成为继 计算机、智 能手机、新能 源汽车 后的颠 覆性产品。为 此，我们撰写一系列 有关人 形机器 人的 报告，对相关 产品、技术 进 行梳理，并提 示相关 的投资机会。我们的创新之处 我们创新 性提出 人形机 器人 灵巧手的 分析 框 架，从 灵活 度设计、动力 源、传动结构、传 感系统 四个层 次进行 了阐述，同时 结合已 有的灵 巧手案例，对 各方面 设计结构进行 说明。股价上涨的催化 因 素（1）重 大 节 点 性 事 件 催 化。人 形 机 器 人 产 业 正 处 于 产 业 化 前 夕，容 易 受 到 重大节点性 事件催 化，如 特斯 拉举办 AI DAY，Optimus 产品发布 新进展，以及其他 国内外 人形机 器人 厂商发布 新产品 等；（2）人形机器 人技术 取得突 破性 进展。人 形机器 人的成 熟建 立在 AI 大 模型、自动驾驶 等多项 前沿技 术之 上，底 层技术 的快速 成熟有 助于进一 步推动人形机器 人产业 化落地；（3）订单与投 资。随 着人形 机器 人在诸多 场景落 地，产 业将 迎来实质 性落地。如果行业 内披露 相关订 单、投资计划，将对 股价形 成催 化。投资观点（1）动力源。建 议关注 空 心杯电 机领域 的鸣 志电器、鼎智科 技、伟 创电 气、拓邦股份；直流 无刷电 机领域 的德昌股 份；无框力 矩电机 领域的步 科股份；减 速器环节：行星减 速器 建议关 注 中大力德、双 环传 动；谐波 减速器建 议关注 绿的谐 波；丝杠建议 关注贝 斯特；（2）传动结 构。主要集 中 在腱绳 材料，建议 关注钢 丝 方案的 大业股 份，潜在超高分子量 聚乙烯 纤维材 料受 益标 的同 益中、恒辉安 防；（3）传感系 统。建议关 注：（一）六维 力传 感器：柯 力传感、东华 测试、八方股份；（二）触觉传 感器：汉威科技、奥迪威；（三）身体平衡（IMU）：华依科技、芯动 联科。YWDWuNnQnOrQsMmPtOoRmN6MaO8OtRoOtRtPiNoOoPfQoPsM9PoOuMNZmQvNuOmPmP 敬请参阅最后一页特别声明-3-证券研究报告 电 力设 备新 能源 目 录 1、机器人灵 巧手设计与关键技术.6 1.1、灵巧手 发展 历史.6 1.2、灵巧手 的分 析框 架.7 2、欠驱动与 全驱动：灵活度设计.9 2.1、全手自 由度 设计.9 2.2、单关节 双自 由度 实现.11 2.3、自由度 优先 级.12 3、动力源.13 3.1、动力源 分类.13 3.2、动力源 位置 及数 量.15 3.3、电机与 减速 器选 型.17 4、传动.23 4.1、腱传动.24 4.2、连杆传 动.26 4.3、齿轮传 动.27 4.4、特斯拉 灵巧 手.27 5、传感器.28 5.1、灵巧手 的感 知系 统.28 5.2、外部传 感器.29 5.2.1、触 觉传 感器.29 5.2.2、接 近传 感器.33 5.3、内部传 感器.34 5.3.1、力/力 矩传 感器.34 5.3.2、动 作传 感器.35 6、投资建议.37 7、风险分析.40 敬请参阅最后一页特别声明-4-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图目录 图 1：机器 人末 端执 行器.6 图 2：灵巧 手发 展历 程.7 图 3：灵巧 手分 析框 架.8 图 4：人手 自由 度分 析.9 图 5：人手 骨骼 结构.9 图 6：人手 六种 基本 抓取 模式.10 图 7：人手 常用 动作 及比 例.10 图 8：Cutkosky 抓取分类 法.10 图 9：Robonaut 2 主 手指（食指+中指）.11 图 10：Omni hand.11 图 11：DLR Hand II.12 图 12：BH-985 灵 巧手 自 由度配 置.12 图 13：McKibben 人 工肌 肉结构.13 图 14：FESTO ExoHand.13 图 15：微 液压 驱动 的仿 生 灵巧手.14 图 16：The new FRH-4 hand.14 图 17：采 用记 忆合 金驱 动 的 Hitachi 灵巧 手.14 图 18：驱 动器 内置 与外 置.15 图 19：DLR-I 灵巧手.16 图 20：HIT/DLR Hand II 灵巧手 原型.16 图 21：不 同灵 巧手 驱动 器 数量统 计.17 图 22：maxon EC flat 32/45 盘式 电机.19 图 23：HIT/DLR Hand II 灵巧手 的基 关 节 部分.20 图 24：HIT/DLR Hand II 灵巧手 的驱 动和 传动 系统.20 图 25：Dexhand 手 指驱 动 原理.20 图 26：Dexhand 手 指驱 动 单元.20 图 27：I Limb Ultra hand 手指结 构.21 图 28：IDLA hand 的 驱动 器配置.21 图 29：有 刷空 心杯 电机 结 构图.21 图 30：无 刷无 齿槽 电机 结 构图.21 图 31：不 同电 机参 数比 较（转子 惯量）.22 图 32：不 同电 机参 数比 较（转矩 密度）.22 图 33：灵 巧手 机械 传动 结 构.23 图 34：Pisa/IIT SoftHand 的肌腱 布线.25 图 35：腱 绳传 动手 指.25 图 36：连 杆传 动手 指示 意 图.26 图 37：bebionic 连杆.26 图 38：齿 轮传 动灵 巧手.27 图 39：特 斯拉 每个 灵巧 手 具有 6 个执 行器.28 敬请参阅最后一页特别声明-5-证券研究报告 电 力设 备新 能源 图 40：蜗 轮蜗 杆传 动原 理 图.28 图 41：灵 巧手 的感 知系 统.28 图 42：HIT/DLR Hand II 灵巧手 的传 感器 系统.29 图 43：触 觉传 感器 的发 展 过程.30 图 44：CALT-18 仿人灵 巧 手微型 指尖 二维 力传 感器.31 图 45：指 尖六 维力/力 矩传 感器原 型及 弹性 体.31 图 46：DLR/HIT Hand II 型五指 灵巧 手指 尖用 柔顺 性触觉 传感 器.31 图 47：腾讯 TRX-Hand.31 图 48：Biotac 多模 态传 感 器.32 图 49：GelSight 多 模态 传 感器.32 图 50：智 元机 器人 SkillHand.32 图 51：OmniTact 视触 觉传 感器.32 图 52：仿 生摩 擦纳 米发 电 机电子 皮肤.33 图 53：自 解耦 软磁 皮肤.33 图 54：接 近传 感器.33 图 55：腾 讯灵 巧手 TRX-Hand 掌 心处 安装 接近 传感 器.33 图 56：具 有轮 辐形 挠曲 件 的光学 扭矩 传感 器.34 图 57：腱 张力 传感 器结 构 与弹性 体.35 图 58：微 型光 学腱 张力 传 感器.35 图 59：关 节角 度位 置传 感 器.36 图 60：关 节角 度位 置传 感 器.36 图 61：用 于测 量肌 腱曲 率 的弯曲 传感 器.36 图 62：灵 巧手 设计 框架.39 表目录 表 1：常见 几种 动力 源的 特点比 较.13 表 2：典型 灵巧 手与 配套 电机.17 表 3：灵巧 手涉 及电 机的 详细参 数.18 表 4：不同 电机 类型 对比.19 表 5：不同 传动 方式 对比.23 表 6：不同 灵巧 手的 传动 系统.24 表 7：腱绳 驱动 灵巧 手中 腱绳材 料的 选择.26 表 8：不同 触觉 传感 器技 术路线 特性 比较.29 表 9：DLR Hand II 每个手指中的 传感 器配 置.34 表 10：常 用腱 绳张 力测 量 方式.34 表 11：常 用位 置传 感器 及 其特点.35 敬请参阅最后一页特别声明-6-证券研究报告 电 力设 备新 能源 1、机器人 灵巧手设计与 关键技术 机 器 人 中 操 作 和 动 作 决 策 的 执 行 输 出 工 具 在 机 器 人 学 领 域 被 称 之 为 末 端 执 行 器(End-Effector)。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。末端执行 器按其 功能可 以分 为两大类，即：工 具类和 抓 手类。工具类 末端执 行器是根据具 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；抓 手类机 器 人末端执 行器恰 如人的 双手，担负 着执行 各种动 作、抓持和操 作的任 务。机器人多 指灵巧 手是一 种高 度灵活、复 杂的末 端执行 器，因 其能够 模仿人 手的各种灵巧抓 持和复 杂操作 能力，得到持 续的研 发投入 和广 泛关注。图 1：机器人末端执行器 末端执行器弧焊焊枪工具类 抓手类毛刺打磨机喷枪涂胶枪铆钉枪点焊机手术刀具体温枪吸盘等多指灵巧手多指抓持手两只夹持器 资料来源：蔡世波 机器人多指 灵巧手的 研究现状、趋势与 挑战 1.1、灵巧手发展历史 20 世纪 70 年代，在日益 增 长的工业 需求的 推动下，灵 巧手的概 念逐步 形成，并产生了许 多简单 的灵巧 手。这一时期 的代表 性成果 有日 本的 Okada Hand 和通用公司(GM)的 Handyman Hand 等。20 世纪 80 年代，随着相 关 技术的快 速发展，灵 巧手的 应用范围 逐渐扩 大，很多国家和地 区都开 始着手 于灵 巧手的研 制。这 一时期 的灵 巧手不但 具备了 多手指、多 自由 度，而 且初 步 具 备 了 力/力 矩、位 置 感 知功 能。由 于技 术 水 平 的限 制，驱动元件（如电 机、气 压驱动（气动）肌肉 等）尺寸较 大，为保 证灵巧 手尺寸 与重量，采用腱 驱动将 驱动元 件 放置在灵 巧手外 是当时 的主 流设计思 路，主要 代表性成果有 Utah/MIT Hand、Stanford/JPL Hand 等。20 世纪 90 年代，随 着驱动 元件体积 减小与 电气系 统集 成度的提 高，灵巧 手体积迅速减小，并 且在手 指数目、自由 度数、传感 器的丰 富 程度等方 面有所 提高。这一时期的 灵巧手 开始注 重手 掌的构型 设计，以 提高灵 巧 手的抓取 能力，代 表作品 敬请参阅最后一页特别声明-7-证券研究报告 电 力设 备新 能源 有 UB-II Hand、DLR-I Hand、DIST Hand 等。由于采 用了新型 的驱动 器，DLR-I Hand 得 以将驱 动系统、电 气系统以 及传感 器系统 都集 成在灵巧 手内部，被认 为是当时世 界上最 复杂、集成 度最高的 灵巧手。21 世纪 以来，多指手 进入 了一个稳 步提高 的发展 阶段，多指手 的集成 化、智 能化 和 灵 巧 操 作 水 平 得 到 了 新 的 提 升。由 于 实 现 了 电 气 系 统 的 完 全 集 成 化 和 数 字化，DLR-II 手与 主处理 器之 间的连线 数量从 DLR-I 手的 400 多条 减少到 8 条。图 2：灵巧手发展历程 1974 日本电子技术实验室Okada1982 美国斯坦福大学Stanford/JPL1983 美国麻省理工学院和犹他大学 Uath/MIT1984 日本日立公司 Hitachi 1994 德国宇航中心 DLR-I1998 意大利热内亚大学 DIST 1999 美国宇航局 Robonaut 20 世纪 90 年代以后，随着计算机、微电子学、微电机等技术的发展，多指手进入了一个崭新的快速发展阶段21 世纪以来，多指手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能化和灵巧操作水平得到了新的提升2000 德国宇航中心 DLR-II 2004 日本岐阜大学Gifu-III 2004 英国 Shadow 公司 Shadow2010 NASA 和美国汽车通用公司 GMRobonuat 2 1984 清华大学 TH-1/TH-2 1993 起 北京航空航天大学 BH-1/BH-2/BH-3/BH-4/BH-985 2004 哈尔滨工业大学与德国宇航中心 DLR/HIT-I 2008 哈尔滨工业大学与德国宇航中心 DLR/HIT-II2001 哈尔滨工业大学 HIT-I 资料来源：吕博瀚 空间机器人 多自由度 灵巧手关键技术研 究、蔡世波 机器人多 指灵巧手的研究现 状、趋势与挑 战 1.2、灵巧手的分析框 架 从 应用 领域 来看，目前灵巧手实现成 熟应用 的领域 主要 有：航 空航天、医 疗假肢、工业及科研 领域。航空航 天 领 域对 性能 的要 求 较高，对成 本不 敏感，如 美 国宇航 中心（NASA）的Robonaut Hand、德 国宇 航中心（DLR）的 DLR Hand、Dexhand；医疗假 肢是目前少 有的已 实现商 业化 批量制造 的领域，如 ottobock 的 Bebionic Hand、Michelangelo Hand；工 业 领域灵巧 手目前 由少数 协作 机器人夹 爪企业 所引领，如 SCHUNK 公司 的 SCHUNK SVH Hand、Festo 公司 的 Festo ExoHand；而科研领域主 要由全 球知名 高校 主导，灵 巧手的 设计思 路较 为开阔。从 灵 巧 手设 计 层面 来 看，主要有 全驱 动和 欠 驱动 两种。DOF 为手 指关 节的 自由度，DOA 为由驱 动器控 制 的自由度。若 DOA 小于 DOF，则为欠 驱动结 构；若DOA 等于 DOF，则为全 驱 动结构。全驱动手 的代表 包括 Robonaut Hand、Shadow Hand、DLR Hand II 等，分 别使用了 14/20/12 个驱 动器，通过对每 个自由 度的独 立 控制，达到 对灵巧 手出色的掌控效 果。但考 虑到 鲁 棒 性和功能 性 之间 的取舍，欠 驱动灵巧 手 成为 更主流 的选择。其优 势在于 通过合 理 的结构设 计以少 于手指 关节 自由度的 驱动器，从 而降低整只手 的系统 复杂度，同 时提高可 靠性。敬请参阅最后一页特别声明-8-证券研究报告 电 力设 备新 能源 从驱动源 来看，目前灵 巧手 的驱动源 包括 电机、液压、气压、形 状记忆 合金 等。从 传动 方 式 看，灵 巧 手 的 传 动 方式 主 要 包 括 腱传动、连 杆 传动、齿轮/蜗 轮蜗 杆等。从结构形 式来看，主 要有 外 置式、内置式、混 合置式。随着电机 和控制 电路的 小型 化发 展，除 了某 些 全 驱 动/腱 绳 传动 的 灵 巧 手外，内置式 已 成 为 灵 巧手 设 计的发展趋势。其 优点在 于，通 过将驱动、传 动装置 放置于 灵巧手内 部，可实现 灵巧手的模块 化设计，有利 于灵 巧手与机 器人本 体的无 缝切 换。图 3：灵巧手分析框架 设计层面全驱动欠驱动驱动源液压驱动气压驱动形状记忆合金腱传动连杆传动齿轮/蜗轮蜗杆外置式内置式混合置式传动方式 结构形式灵巧手分析框架航空航天健康/义肢工业/科研应用领域电机驱动 资料来源：蔡世波 机器人多指 灵巧手的 研究现状、趋势与 挑战、光大证 券研究所 绘制 敬请参阅最后一页特别声明-9-证券研究报告 电 力设 备新 能源 2、欠驱动 与全驱动：灵 活度设计 从 自由 度与 原动机 数量 上来看，可 将其 划分为 欠驱 动灵巧 手和 全驱 动灵巧 手。欠驱动灵 巧手原 动机的 数量 少于被控 制的灵 巧手自 由度，没有驱 动源的 关节则 是进 行 耦 合 随 动。全 驱 动 灵 巧 手 则 是 原 动 机 数 量 与 被 控 制 灵 巧 手 的 自 由 度 数 量 相等。欠驱动灵 巧手优 点在于 易于 控制，但拟人 性不强，稳 定 性有所欠 缺。由于耦 合关节结构简 单，所 占空间 小并 具备可控 性，如 今大部 分灵 巧手都是 欠驱动 灵巧手。相对于欠 驱动灵 巧手，全 驱 动灵巧手 的手指 更加灵 活，省去了无 驱动手 指关节 的耦合机构，但 由于驱 动器增 多，导 致体积 变大、安装 困 难并且灵 巧手的 控制变 得更加繁琐。2.1、全手自由度设计 人手骨骼 结构：手指：食指、中指、无名 指 和小指 分别由 3 块 指骨 和 一块掌 骨组成，三 块指骨分别为远 节指骨（Distal phalange）、中 节指骨(Intermediate phalange)和近节指骨（Proximal phalange）。拇指：除了掌 骨以 外，只包 含近节 指骨和 远节指骨 2 块 指骨，两个指 骨 之间的关 节是指 间关节（Interphalangeal joint，简称 IP 关节）。人手自由 度分析：IP 关 节和 PIP 关节分 别有 1 个自由度，能够完 成屈曲/伸展运动。而 MCP 关节具有 2 个自 由度，可以完 成 屈曲/伸展和 侧向摆 动的动 作。因此，对于 食指、中指、无名 指和小 指，每个 手 指具有 4 个 自由度。拇指中 的关节依 次是指 间关节 和掌骨关节。其中 指间关 节有 1 个自由度，MCP 关 节具有 2 个自由度，掌骨和 小腕骨指间 的关节 具有 2 个 自 由度，共 计 5 个自 由度。整 个手具备 21 个自 由度。图 4：人手自由度分析 图 5：人手骨骼结构 资料来源：小米技 术微信公众号 资料来源：郑悦 高仿生性能假 肢设计研 发及应用研究 Taylor 等将 人手抓 取归纳 为六种基 本抓取 模式，分 别 为圆柱抓 取(Cylindrical)、指 尖抓 取(Tip)、胡克抓取(Hook)、掌 心 抓取(Palmar)、球形 抓 取(Spherical)及侧向捏取(Lateral)。这些抓 取模式可 以实现 日常生 活中 人手的大 部分功 能。除胡克抓取外，其余 五种抓 取模 式均需要 拇指参 与。从有拇指参与的抓取模式中 可以发现，拇指主要集中两 种姿态(拇指的姿态是指掌骨的姿 态)附 近。敬请参阅最后一页特别声明-10-证券研究报告 电 力设 备新 能源(1)姿态 T-I-M。在该姿 态 下，拇指与 食指和 中指之 间 的交互起 主要作 用。在这一姿态附 近可以 实现指 尖抓 取、掌心抓 取和侧 向捏取，例如握笔 和指尖 操作一 些小的物体 等。(2)姿态 T-M-R。拇 指与中 指和无名 指之间 的交互 起主 要作用。在 这一姿 态附近可以实现 圆柱抓 取和球 形抓 取，例如 抓取矿 泉水瓶 和网 球等类型 的物体。相关统 计表 明，力 量 抓握、精捏和 侧捏 这三 个的 动作 占 比高达 85%，因 此，灵活运动的 拇指、食指和 中指 是完成动 作的关 键。图 6：人手六种基本抓取模式 图 7：人手常用动作及比例 资料来源：王海荣 仿人型 灵巧 手拇指灵 巧性设计方法的研 究 资料来源：郑悦 高仿生性能假 肢设计研 发及应用研究 对于灵巧 手自由 度及功 能的 评估，通过 采用 Cutkosky 抓取分类 法。在该 分类方法中，手 的抓取 动作按 照从 力量型到 精确型 被分为 16 种。例如，针对 SCHUNK 五指 灵巧手的 抓取任 务评估 表明，SCHUNK 五指灵 巧手可以完成 Cutkosky 抓取 分类 法 中的 14 种。图 8：Cutkosky 抓取分类法 资料来源：MARK R.CUTKOSKY On grasp choice,grasp models,and the design of hands for manufacturing tasks 敬请参阅最后一页特别声明-11-证券研究报告 电 力设 备新 能源 2.2、单关节双自由度 实 现 拇指：对掌运 动是 拇指的 基 本运动，通过 对掌 运动拇 指 可与其 余 4 指接 触形成钳状，它是实 现人 手功能 的 基础。这说明，拇指的 双自 由度处于 较为优 先的位 置。手 指：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。要实现单 个关节 的双自 由度 运动，具 有代表 性的传 动形 式有三种：（1）实现 外展/内收 和翘曲 的两个轴 正交，但却不 是相 互交叉 的。它们 在轴线 位置上有一定的距离，并且分 别由单驱动器驱动，如 Salisbury 手。这种结构可以使手指 结构简 单化，但降 低了手指 的灵活 性，同 时对 驱动系统 有更高 的要求。图 9：Robonaut 2 主手指（食指+中指）资料来源：L.B.Bridgwater The Robonaut 2 Hand Designed To Do Work With Tools（2）球/孔 结 构，如 Omni 手。这 种结 构 可以 使手 指 的运 动具 有更 大灵 活性 和适应性，也可 以使手 指的计 算机控制 简化。同时，它 所 具有的机 械限位 可以避 免手指产生 过度的 伸展。虽然 这种结构 有很好 的紧凑 性和 灵活性，但结 构复杂，增加了手指 的加工 难度和 成本。图 10：Omni hand 资料来源：roboticastreet 敬请参阅最后一页特别声明-12-证券研究报告 电 力设 备新 能源（3）四个 齿轮组 成的差 动 结 构。这种 基关节 的两个 自 由度通过 4 个相互 啮合的伞齿轮来 实现。灵巧手 基关 节采用锥 齿轮 差 动结 构 不但 能够有效 减小灵 巧手的 外形尺寸，而且能 够有效 提高 基关节的 承载载 荷。通常情况 下包含 两个主 动轮 和 两个从 动轮。当 主动轮 同 向转动时，实现基 关节俯仰方向的 运动；当主动 轮逆 向运动时，实现 基关节 侧摆 方向的运 动。图 11：DLR Hand II 资料来源：J.Butterfa DLR-Hand II:Next Generation of a Dextrous Robot Hand 2.3、自由度优先级 BH-985 共有 5 个手 指和 16 个关节，配 置有 10 个 驱 动源。拇指、食 指和中 指有3 个关节自 由度和 3 个驱动 源，其余 两个手 指采用 一个 驱动源耦 合传动。从图 12 中 可见，手指关 节 可分为双 驱动关 节、单 驱动 关节、耦 合随动 关节。（1）从 手 指 自 由 度 优 先 级 方 面 考 虑，通 常 大 拇 指 根 部 关 节 的 双 自 由 度 拥 有 最高优先级。主要 是由于 拇指 在各种抓 握中占 据的重 要角 色；（2）而 手 指 根 部 的 双 自 由 度 是 区 分 高 级 灵 巧 手 的 一 个 重 要 特 征。经 典 的 六 电机方案（特斯拉 Optimus）在拇指配 置双电 机，其 他手 指各配置 一个电机，即 根部关 节单电 机驱 动。而在 4 根手指 中，食指、中指所发 挥的功能通常要 高于无 名指、小指；（3）远端关节 通常处 于优先 级最 后，作为 耦合随 动关节。图 12：BH-985 灵巧手自由度配置 资料来源：严玺 仿人灵巧手的 结构设计 及其控制研究 敬请参阅最后一页特别声明-13-证券研究报告 电 力设 备新 能源 3、动力源 3.1、动力源分类 按 驱动 方式，灵 巧手 动力源 可 分为 电机 驱动、气压 驱动（气动）、液压 驱动与 形状 记忆 合金 驱动。表 1：常见几种动力源的特点比较 驱动源 输出力 运动精 度 响应速 度 体积 液压驱 动 大 高 慢 大 气压驱动 小 低 快 大 电机驱 动 较大 高 快 小 形状记 忆合 金 大 低 快 小 资料来源：孙成远 腱驱动灵巧 手指结构 设计及其运动分析 与试验 基于气压 驱动的 灵巧手 是近 年 来的研 究热点，典 型的有 Festo 的 气动灵 巧手、上海交大联 合 MIT 开发的 气动 灵巧手等。英国 Shadow 公 司研制 出 一款基 于 McKibben 气 动人 工肌肉的 灵巧 手 Shadow Hand，该灵巧手具有高达 20 个自由度，且每个自由度都是由一个独立的McKibben 气 动 人 工 肌 肉 结 构 进 行 驱 动，几 乎 可 以 模 仿 人 手 能 够 完 成 的 所 有 动作。Festo 软 体神经 假肢手 具有 六个主动 自由度，在 气压 驱动 下可实 现多种 灵巧抓 握手势。每个 手指具 有内嵌 多 段分布式 硬质结 构层的 纤维 增强软体 结构，在 气压驱动 下具有 一个弯 曲自由 度。特别是拇 指具有 一个额 外的 自 由度，用 于实现 对掌运动。此 外，手指固 有的柔 顺 性使其在 面对柔 软、易碎物 体时也能 够进行 自适应 抓握。气压驱动 的灵巧 手是比 较接 近人体肌 肉驱动 的一种 方式，具 有易于 控制、能量 储存方便、柔性等 特点，但其 刚度低、动态性 能差，且装 配较难并 无法精 确运动，从而难以 广泛应 用于工 业生 产中。图 13：McKibben 人工肌肉结 构 图 14：FESTO ExoHand 资料来源：武子龙 机械传感一 体化的仿 生灵巧手设计与运 动控制 资料来源：Festo 官网 液压驱动 是指为 了完成 能量 的传递、增 强和积 压，通过 液体介质 的静压 力来实 现的驱动方 式，通常在 一定的 机械和电 子系统 内使用 较多。为得 到较大 操作力，一般使用液 压马达 等作为 驱动 装置，能驱 动较大 的负载，但因有较 大的泄 露和流 体 敬请参阅最后一页特别声明-14-证券研究报告 电 力设 备新 能源 阻力的影 响，故效率 不高。并且因为 液体存 在可能 泄漏 和被压缩 的缺点，所 以导致传动比 不够精 确，并 且体 积大、成 本高和 易污染。图 15：微液压驱动的仿生灵巧手 图 16：The new FRH-4 hand 资料来源：武子龙 机械传感一 体化的仿 生灵巧手设计与运 动控制 资料来源：I.Gaiser A newanthropomorphic robotic hand 形状记忆 合金(SMA)具有方 向灵活度 高、变形量 大和可 迅速进行 变位的 特性。它是一种能 记忆任 何形状，即 便产生变 形，只要将 其加热 到某一合 适温度 时，就能恢复为变 形之前 外形的 特殊 合金。形 状记忆 合金 驱 动技 术即为这 种驱动 器进行 的驱动技术。因此，它 具有位 移较大、功 率重量 比高、变 位迅速、方 向自由 的特性。对于机器 人 进行 高速度 及高 精度的小 负载装 配任务 非常 合适，但 形状记 忆合金 的缺点是造 价高，并且易 产生 疲劳，寿 命较低。日本的 Hitachi 灵巧手，就是采用 形状记 忆合金 驱动。图 17：采用记忆合金驱动的 Hitachi 灵巧手 资料来源：严玺 仿人灵巧手的 结构设计 及其控制研究 电 机驱动 是目前 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。作为灵巧 手典型 代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均 采用电 机作为驱动源。体积 小、输出 力 大 的电机及 集成驱 动芯片 的采 用使电机、驱 动电路 板能与手指机 械本体 融为一 体，利于实现 多指灵 巧手手 指的 模块化控 制。综合比较 驱动器 类型，电机 驱动的综 合性能 更好，具有 标准化、稳定 可靠、精度高、响应 快、驱 控一体 等优 势，是目 前技术 成熟、应用 广泛的一 种驱动 方式，为大多数灵 巧手采 用。敬请参阅最后一页特别声明-15-证券研究报告 电 力设 备新 能源 3.2、动力源位置及数 量 按 结构 形式，灵巧 手可 分为驱 动器 外置 式、驱 动器 内置式 与驱 动器 混合 置 式。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。外置式的典型代表 NASA 手和 Shadow 手，其突出的优点是灵巧手的仿人化 程度较 高，灵巧 手 本体内没 有需要 布置的 器件，可以缩减 手本体 的体积，做到接近 人手的 外形，自由 度的布置 也很灵 活。同时也具 有以下 缺点：第一，驱动 器与手 本体之 间空间 距离较远，必 须借助 腱实现两者的 连接，不可 避免地 具有腱传 动的相 关弊病。第 二，可 维护性 差。当某 根腱断裂时，必须 进行灵 巧手 整体的拆 卸，工 作量大。图 18：驱动器内置与外置 Vincent HandI Limb UltraSSSA MyHandDLR Hand II DLR/HIT Hand IISCHUNK SVH HandShadow HandRobonaut Hand因时灵巧手Washington HandFesto ExoHandPisa/IIT SoftHandBebionic HandDexhand思灵灵巧手 ILDA Hand NAIST Hand驱动器内置 驱动器外置FRH-4 hand 资料来源：经典五 指灵巧手拆机：航空航 天篇 人 形机器人专题（一）、经 典五 指灵巧手拆机：医 疗假 肢篇 人形机 器人 专题（二）、经典 五指灵巧手拆 机：科研 及通用篇人形机器人专题（三）、光大证 券研究所 整理 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。内置式的 多指灵 巧手的 出现，除 能够有 效地克 服由于 绳 索驱动带 来的缺 点外，还具备下列 优势：1、由于驱 动器集 成在手 指 内部，因 此集成 度较高，简 化手指同 外部的 软硬接 口，便于手指 模块化 设计；2、高集 成度带 来的好 处就 是手指间 互换性 增强，便于 维护和实 际应用；3、能够 作为一 个局部 自主 系统同任 何机器 人手臂 通过 标准接口 相连。当然内置 式灵巧 手也同 样存 在一些问 题，比 如目前 由于 驱动器的 不同及 系统结 构设计的思 路不同 导致灵 巧手 的整体外 形尺寸 较大，这也 是内置式 灵巧手 的最大 问题。敬请参阅最后一页特别声明-16-证券研究报告 电 力设 备新 能源 1998 年，DLR 新型 驱动器 的研制成 功，使 得灵巧 手的 所有驱动 器、传 动装置、传感器系 统及电 器系统 都集 成在灵巧 手的内 部。因此，被公认为 是 当时 世界上 最复杂、智 能化和 集成度 最高 的灵巧手。典型的内 置式灵 巧手 HIT/DLR II，整 体尺寸 为人手 的 1.5 倍。具有 1 个 独立的手掌和 5 根模 块化手 指，每根手指 集驱动、传感、控 制等为一 体，具有 4 个关节和 3 个自 由度。其中，拇 指与手掌 之 间有 一个类 似人 手的外张/收 敛自由 度，可以
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