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证 券 研 究 报 告 2023年11 月26 日 作 者：光大环保电新 殷 中枢、黄帅斌 经 典 五 指 灵 巧手拆 机：科 研及通 用篇 人 形 机 器人专题（三）请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 科研/通用型五 指灵巧 手应用 概述 科研/通用型五 指灵巧 手应用 案例 1 投 资 建议 风 险 分析 1ZEVwPrMoNnMrPpMtOrOmN7NaO9PpNmMsQnOiNmNmNjMtRxP8OoPsPxNoOrQMYoNrM请务必参阅正文之后的重要声明 2 科研/通用型五指灵巧手应用概述 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典 型 两指 夹 持器 联 动 型三指 夹持器 多 关 节手夹 持器 多 指 灵巧 手多连杆夹持器 气缸夹持器 多连杆三指夹持器 气缸三指夹持器 均巧三指手 SDH 手 Shadow hand SCHUNK SF5H hand与航空航天、医疗假肢领域有所不同，通用/科研领域五指灵巧手并没有相对确定的应用方向。整体来看，以工业夹具类企业、科研院校为主体，发展出两类路线。工业夹具方面，目前市场应用以气动夹爪和电动夹爪为主。作为 协作机器人的终端执行器，夹具为了适应更复杂的工作环境，逐步朝着 五指灵巧手进化；科研院校方面，普遍处于实验室阶段，并尝试进行产业化。从全球范围来看，美国、德国、意大利、日本等地高校在相关研究方面较为靠前。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 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 图1：机器 人末端 执行器 图2：从夹 持器到 灵巧手 请务必参阅正文之后的重要声明 3 科研/通用型五指灵巧手应用概述 图3：中国 电动夹 爪市场 销量预 测 根据不同夹爪驱动力来源和抓取方式上的差异，可以将夹爪分为气动夹爪、液压夹爪、电动夹爪、电磁夹爪、真空夹爪以及电磁吸盘等。相比于气动夹爪，电动夹爪起步相对较晚。电动夹爪的兴起很大程度是受到以协作机器人为代表的柔性化生产工具发展的带动，经过数年的发展，电动夹爪的应用边界逐渐扩展，从机器人逐步延伸到工业自动化领域。从市场规模及增速来看，2021 年，受益于下游制造业及医疗领域的需求带动，中国电动夹爪市场迎来高增长，GGII 数据显示，2021 年中国电动夹爪市场销量约为3.1 万台，同比增长77.14%，市场规模约为3.35 亿元，同比增长59.52%。GGII 数据显示，2021年我国电动夹爪下游市场中，生命科学与3C 电子行业占据超过50%市场份额，市场份额分别为36%和20%。新零售、汽车、新能源等行业中电动夹爪渗透率相对较低，市场份额分别为8%、8%、7%。主要是由于可应用电动夹爪的新零售场景暂未实现规模化复制，汽车、新能源行业中主要以气动夹爪占据主要市场份额。随着未来电动夹爪对气动夹爪的替代性逐渐增强，预计汽车、新能源等行业的市场份额将进一步提升。0%20%40%60%80%0204060801001202021 2022E 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 2028E 2029E 2030E销量（万台）同比（%）（右轴）生命科学,36%3C 电子,20%新零售,8%汽车（含零部件）,8%新能源,7%其他,21%生命科学3C 电子新零售汽车（含零部件）新能源其他资料来源：GGII 图4：2021 年 中 国电 动夹 爪下 游 市场 分 布情 况（按 销 量）资料来源：GGII 请务必参阅正文之后的重要声明 4 科研/通用型五指灵巧手应用概述 气动夹爪,80.0%电动夹爪,3.5%其他,16.5%气动夹爪电动夹爪其他气动夹爪,70.0%电动夹爪,18.2%其他,11.8%气动夹爪电动夹爪其他在上述下游行业中，电动夹爪主要通过两种方式实现设备智能化、产线智能化的目的，分别为：集成于生产设备中实现抓取功能，例如应用于生命科学领域的试管抓取环节；以及与协作机器人、SCARA 机器人，小六轴机器人相结合，使机械臂能够更好地完成分拣、抓取、上下料等工作。从市场结构来看，目前气动夹爪依然占据绝大部分市场份额，2021年中国市场标准化气动夹爪占比超过80%，电动夹爪占比仅为3.5%左右；海外市场标准化气动夹爪占比超过70%，电动夹爪占比约为18.2%。图5：中国 市场 夹 爪应用 市场结 构（2021 年）图6：海 外 市场 夹 爪应 用 市场 结 构（2021年）资料来源：高工机器人 资料来源：高工机器人 请务必参阅正文之后的重要声明 5 科研/通用型五指灵巧手应用概述 主营业务 原产品 灵巧手产品 schunk 电动夹具 festo 气动夹具 robotiq 电动夹爪 因时 电动夹爪 思灵 协作机器人 表1：从 夹 爪到 灵 巧手 资料来源：各公司官网 随着智能制造的兴起和工业机器人的普及，作为机器人末端执行器的工业夹爪需求快速提升。行业内涌现出因时（2016 年成立，2021 年A 轮融资）、钧舵（2018年成立，2023 年B 轮融资）、大寰（2016年成立）、知行（2018 年成立）等专业从事电动夹爪产品的企业。2022年12月19日，由深圳市大寰机器人科技有限公司牵头发起、深圳市人工智能产业协会组织会员单位共同起草的平行电动夹爪技术规范团体标准正式发布。海外则有robotiq、schunk、festo、SMC、Onrobot 等老牌夹持器企业。夹持器企业在与工业机器人特别是协作机器人的长期配套过程中，积累了大量的末端传感、姿态控制、与机器人本体配套部署的经验，产品具备从夹具到灵巧手的进化的基础，有望成为未来人形机器人领域灵巧手的重要参与方。请务必参阅正文之后的重要声明 6 科研/通用型五指灵巧手应用概述 灵巧手 机构 代表作 Shadow Hand Shadow Robot Company SoftHand Pro IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨 大学）Pisa/IIT SoftHand IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨 大学）Qbhand IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨 大学）Ritsumeikan Hand Ritsumeikan University（立 命馆 大学）SDM hand Yale University（耶鲁大 学）Washington Hand University of Washington（华盛顿大学）Casia hand 中科院自动化所 表2：高校 及机器 人公司 研发灵 巧手案 例 资料来源：各高校及公司官网 高校是灵巧手研发过程中的重要推动力。作为一种前沿产品，由于缺乏产业化基础，过去几十年灵巧手科技发展的大量资金和智力投入来自于科研院校。代表性的产品有：Pisa/IIT 的SoftHand 系列产品、Ritsumeikan University的Ritsumeikan Hand、University of Washington 的Washington Hand、中科院自动化所的Casia hand等。高校研发的灵巧手产品往往作为实验平台，用来探索结构设计、抓握控制、传感系统、动力学等方面的科研经验。而在产品应用层面则具备一定的普适性。请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 科研/通用型五 指灵巧 手应用 概述 科研/通用型五 指灵巧 手应用 案例 7 投 资 建议 风 险 分析 请务必参阅正文之后的重要声明 8 Shadow Hand 作者：Shadow Robot Company（英国）；发明初衷：为了设计出能够在人类生活中高效执行任务的 机械手；发明历程：公司于2004 年推出首个灵巧手，目前公司还推出了Lite、Extra Lite 和Super Lite 版本；Shadow Dexterous Hand 的详细参数 设计层面：高度仿生，5 指结构，共有24个关节，大拇指有5 个关节，食指、中指、无名指、小指各有4 个关节，手 掌靠近小指的部位有一个关节，手腕有2 个关 节；为 欠驱 动结 构，具有24 个DOF 和20 个DOA，接近 人体 工程 学。（注：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）；结构形式：驱动器外置；动力源：电机驱动，手腕处有20个直流电机；传动方案：腱传动，一共有38根腱绳，这与驱动器外置的设计结构 相关；传感器：共有129个传感器。大拇指 关节和腕部关节各有2 个霍尔效应传感器，其它关节各有1 个，共26个传感器霍尔效应传感器。电机带有40个肌腱张力传感器，每个电机还有1 个温度、1 个电压和1 个电流传感器，电机共有100 个传感器。手掌有1 个IMU 传感器芯片，可以测量俯仰、偏航和翻滚，共有3 个 传感器；应用领域：商业化产品，主要应用于科研领域，被用作研究和开发工具以及Al 和机器学习的测试硬件，还是Shadow遥操作系统的关键组件 图7：四个 版本的Shadow Hand 资料来源：Shadow Robot 官 网 请务必参阅正文之后的重要声明 9 Shadow Hand 表3：不同 版本 Shadow Hand 配置 Shadow Hand Shadow Hand-Lite Shadow Hand-Extralite Shadow Hand-Superlite 自由度(DOF)20 个驱动自由度和另外4 个欠驱动关节，总 共24 个关节 16 个关节/13 个自由度 12 个关节/10 个自由度 8 个关节/7 个自由度 总重（kg）4.3 2.4 2.1 1.8 手指数量 4+1（拇指）3+1（拇指）2+1（拇指）1+1（拇指）执行器数量 20 个直流电机 13 个直流电机 10 个直流电机 7 个 直流电机 手指关节数量 4 4 4 4 拇指关节数量 5 4 4 4 腕关节数量 2 0 0 0 指尖压力传感器数量 5 4 3 2 惯性测量单元(IMU)1 1 1 1 腱负载传感器数量 40 26 20 14 通过主机控制回路速率 1kHz（EtherCat 协议）1kHz（EtherCat 协议）1kHz（EtherCat 协议）1kHz（EtherCat 协议）ROS 开源平台 轻松集成到机器人手臂上 可使用其他组件升级 资料来源：Shadow Robot 官网 请务必参阅正文之后的重要声明 10 SCHUNK SVH Hand 作者：SCHUNK 公司（德国）设计层面：高度拟人，为五指结构；欠驱动结构，该灵巧手具有20个关节和9 个驱动器，其中拇指具有两个驱动器。结构形式：驱动器外置 动力源：电机驱动，直流电机 传动方案：齿轮/连杆传动 应用领域：商业化产品，用于拾取和运输结构复杂的不同工件或物体 图8：SCHUNK SVH Hand 资料来源：SCHUNK 公司官 网 请务必参阅正文之后的重要声明 11 SCHUNK SVH Hand 图9：SCHUNK SVH Hand 用于控制两个轴的食指远 端驱动 器 食指近端驱动为带主轴驱 动的直 流电机 防滑弹性抓握表面由橡胶 制成，可实现 稳固抓 握 用于直接安装在机械臂上 的集成 电子设 备 拇指有两个自由度，可弯 曲和转 动拇指 指标 参数 指标 参数 总长度（mm）242.5 拇指自由度 2 宽度（mm）92 食指自由度 2 手指数量 5 中指自由度 2 关节数 20 无名指自由度 1 手指最宽处（mm）92 小指自由度 1 与人手比例 1:1 展开自由度 1 自由度 20 重量（kg）1.3 表4：SCHUNK SVH Hand 参数表 资料来源：SCHUNK 公司官 网 资料来源：SCHUNK 公司官 网 SCHUNK SVH Hand重1.3kg，拥有5 根手指，其中拇指、食指、中指各拥有2 个自由度，无名指、小指各拥有1 个自由度。食指、中指中放置用于控制两个轴的远端驱动器，防滑弹性抓握表面由橡胶制成，可实现稳固抓握。拇指有两个自由度，可实现弯曲和转动。请务必参阅正文之后的重要声明 12 Softhand pro 作者：Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）；Uni ve rs i t di Pisa（比萨大学）发明初衷：验证Softhand 具备成为不需要复杂操作的假肢的潜力 设计层面：高度仿生，5 指结构，具有仿生的19个自由度，仅由一个电机驱动 结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动 传动方案：腱传动 应用领域：目前还处在测试阶段，计划用作假肢 图10：Softhand Pro 资料来源：Softhand Pro 官网 请务必参阅正文之后的重要声明 13 Pisa/IIT SoftHand 作者：Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）；Uni ve rs i t di Pisa（比萨大学）发明初衷：设计一款鲁棒性、易于操控、抓取通用性高且接近人手的工业抓取器 发明历程：SoftHand 于2012 年被发明；2016年发布了Pisa/IIT SoftHand2，比之前的版本多了1 个驱动器 设计层面：欠驱动结构，具有19个关节，仅由一个驱动器驱动；采用了CORE 关节；核心理念为软协同，手的位置不是预先确定的，而是根据身体与环境的交互确定。(CORE:compliant rolling-contacts elements，兼容滚动触点元件）结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动，采用Maxon RE-max21 直流电机（6W），减速比84:1，配备12 位磁编 传动方案：腱传动，手的驱动通过一根单根肌腱实现，肌腱动作使手指和拇指弯曲，抵消韧带的弹力，并在不需要差速器的情况下实现自适应欠驱动 传感器：配有力/力矩传感器，为三维传感器 商业化与否：具有商业化版本 图11：Pisa/IIT SoftHand 资料来源：Claudio Castellini Proceedings of the first workshop on Peripheral Machine Interfaces:Going beyond traditional surface electromyography 请务必参阅正文之后的重要声明 14 Pisa/IIT SoftHand 图13：Pisa/IIT SoftHand 的 肌腱布 线 资料来源：M.G.Catalano Adaptive synergies for the design and control of the PisaIIT SoftHand 图12：Pisa/IIT SoftHand 的 内部 结 构 Pisa/IIT SoftHand 的核心理念是自适应与协同。可以根据物体形状自动改变手的动作。通过耦合滚动凸轮与CORE 关节的应用，使得Pisa/IIT SoftHand 具备防冲击与自动复位的特性。图14：Pisa/IIT SoftHand 的 接头 可 以任 意 方向 弯 曲 资料来源：M.G.Catalano Adaptive synergies for the design and control of the PisaIIT SoftHand 资料来源：M.G.Catalano Adaptive synergies for the design and control of the PisaIIT SoftHand 请务必参阅正文之后的重要声明 15 BRL/Pisa/IIT SoftHand 图15：模块化 指尖和中 指骨的 侧视图 和俯视 图 资料来源：Haoran Li BRL/Pisa/IIT SoftHand:A Low-cost,3D-Printed,Underactuated,Tendon-Driven Hand with Soft and Adaptive Synergies 图16：单个 指 尖的 分解 图 注：肌腱布局（红线）、弹性带（蓝 色方框）和指 骨连接 杆（紫 色方框）资料来源：Haoran Li BRL/Pisa/IIT SoftHand:A Low-cost,3D-Printed,Underactuated,Tendon-Driven Hand with Soft and Adaptive Synergies 请务必参阅正文之后的重要声明 16 QB Softhand 作者：Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）；Uni ve rs i t di Pisa（比萨大学）发明初衷：设计Softhand的商业化版本，应用于工业领域 发明历程：QB Softhand 包括三个版本：QB Softhand Industry、QB Softhand Research、QB Softhand2 Research。设计层面：均为欠驱动结构，具有19个自由度和1 个驱动器；高度仿生，五指结构；QB Softhand Industry、QB Softhand Research 都具有1 个软协同，QB Softhand2 Research 具有2 个软协同。动力源：电机驱动 应用领域：商业化产品，QB Softhand Industry 应用于工业领域，包括测试、质检、研发等领域；QB Softhand Research、QB Softhand2 Research 应用于研究领域，主要用于科研、教育领域。图17：QB Softhand Industry 资料来源：IIT 官网；QB Softhand官网 图18：QB Softhand Research 图19：QB Softhand2 Research 资料来源：IIT 官网；QB Softhand 官网 资料来源：IIT 官网；QB Softhand 官网 请务必参阅正文之后的重要声明 17 Festo ExoHand 作者：Festo（德国）设计层面：具有人类手的主要生理自由度，支持人手抓握和处理物体的各种技术；欠驱动结构 动力源：气动驱动 传动方案：连杆传动 结构形式：驱动器外置 传感器：每只手8 个线性电位计作为位移传感器，每只手有16个压力传感器 应用领域：商业化产品，用于装配、远程操作、服务机器人、医疗领域 图20：Festo ExoHand 资料来源：Festo 官网 请务必参阅正文之后的重要声明 18 Festo ExoHand 资料来源：FESTO 官网 图21：FESTO ExoHand 基于气动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。ExoHand 的形状可适应人手，并且由聚酰胺使用选择性激光烧结工艺（SLS）制成。外骨骼上安装了八个气动执行器，使手指能够精确地移动、打开和关闭。腔室中的压力通过压电比例阀进行控制。线性电位计可检测手指的位置并确定执行器施加的力。CoDeSys控制器处理所有位置和力值，并实现秒针的精确对准。图22：比 例 控制 阀 图23：CoDeSys 控制器 资料来源：FESTO 官网 资料来源：FESTO 官网 请务必参阅正文之后的重要声明 19 Ritsumeikan Hand 作者：立命馆大学（日本）发明初衷：设计了一只具有拇指内收/外展功能的五指欠驱动手 设计层面：使用三个致动器和一个电磁阀，用于两指和三指的精确抓握、强力抓握和需要改变拇指的侧向夹持4 种功能；欠驱动结构，具有4 个DOF（拇指1 个+食指1 个+其余手指1 个）和3 个DOA（拇指2 个+手指1 个）。传动方案：腱传动 图24：Ritsumeikan Hand 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 请务必参阅正文之后的重要声明 20 Ritsumeikan Hand 图28：Ritsumeikan Hand 执行器布置 Ritsumeikan Hand设置三个驱动器，一个负责中指、无名指、小指，一个负责食指，一个负责拇指。其中指、无名指、小指由一根驱动轴相连，并最终由一个驱动器驱动，驱动器与驱动轴之间使用腱连接。为了保证手能够自适应地抓取物体，中指和无名指与驱动轴之间插入弹性元件。当手抓握球等凸形物体时，中指和无名指通常先于小指接触物体而停下，小指将继续运动。图25：Ritsumeikan Hand 中指、无名指、小指联动 图26：Ritsumeikan Hand 与人手比较 图27：Ritsumeikan Hand 伸肌弹簧 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 请务必参阅正文之后的重要声明 21 Ritsumeikan Hand 图29：Ritsumeikan Hand 拇 指 锁定机 构 Ritsumeikan Hand 在设计方面有两个创新点。一是拇指锁定机构。一般情况下，拇指需要两个独立驱动的自由度，以实现外展/内收以及屈曲/伸展两个维度的运动，但为了尽可能少地使用驱动器，减轻手的重量，Ritsumeikan Hand 通过 拇指锁定机构实现了一个驱动器带动两个维度的运动。原理在于当CM（掌指关节）到达适当位置，电磁阀驱动横杆插入关节上的凹口将其固定，其余关节可自由弯曲；拇指驱动器位于手掌背面，使用一个驱动器+一个电磁阀替代了传统的双驱动器结构；二是在手指的PIP（近端关节）设置了由内滑轮和外滑轮组成的双滑轮传动装置。从而实现了滑轮层数减少，手指直径缩小。图30：Ritsumeikan Hand 手 指 肌腱布 线 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 资料来源：Kazuki Mitsui An under-actuated robotic hand for multiple grasps 请务必参阅正文之后的重要声明 22 Washington Hand 作者：华盛顿大学（美国）发明初衷：验证“人类手部的生物力学是手部灵活性的重要组成部分，可以通过高度仿生设计来复制”，降低人手和机器人的不匹配 设计层面：5 指结构；欠驱动设计 结构形式：驱动器外置 动力源：电机驱动，有10 个伺服电机 传动方案：腱传动 应用领域：还未商业化。未来将与生物学和组织工程的研究人员合作，进一步探索其作为神经假体和肢体再生融合领域的生物制造设备/支架的潜力 图31：Washington Hand 资料来源：Zhe Xu Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration 请务必参阅正文之后的重要声明 23 Washington Hand 图32：Washington Hand 手指骨 架 资料来源：Zhe Xu Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration 图33：Washington Hand 的腱鞘 结构 资料来源：Zhe Xu Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration Washington Hand 手指骨架充分模仿人体结构。使用钩编韧带来模拟指骨关节处的掌侧韧带和侧韧带，激光切割橡胶片用于模拟软组织，提供类似人类的顺应性。肌腱方面，使用三块激光切割橡胶片来模拟弹性滑轮机构。由高强度Spectra 弦（屈服强度200 N）制成的屈肌腱通过几个铆钉加固端口穿过橡胶腱护套。由于在设计结构上充分模仿人手结构，Washington Hand 被评价为在设计和 运动上最精确的仿人机器手。请务必参阅正文之后的重要声明 24 IDLA hand 图34：IDLA hand 作者：韩国亚洲大学 设计层面：5 指结构；15个自由度（20 个关节），重1.1kg 指尖力：28N（伸展姿态）、34N（弯曲姿态）结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动，有15个直流电机 传动方案：连杆传动 资料来源：Uikyum Kim Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand 请务必参阅正文之后的重要声明 25 IDLA hand 图35：IDLA hand 手 指运动结构 独特的连杆设计：MCP（掌指关节）的运动不会影响PIP（近端关节）的运动。当d1 和d2 同时同向运动，MCP 关节实现屈曲/伸展；当d1 和d2 同时反向运动，MCP 关节实现外展/内收；当d3 运动，实现PIP 和DIP 的屈曲/伸展。整个手指系统由并联机构产生2 自由度的MCP 运动，由串联机构产生1 自由度的PIP 运动。资料来源：Uikyum Kim Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand 请务必参阅正文之后的重要声明 26 IDLA hand 图36：IDLA hand 的 驱动器配置 驱动器：手指采用模块化设计，所有的手指结构相同。驱动层面，在手掌侧有三套电机(DCX 8 M,Maxon,直径8mm)、三个编码器(ENX 8 mag,Maxon)、三个变速箱(GPX8,Maxon，16:1)、三个联轴器、三个滚珠丝杠(SR0401K,KSS)、三个LM导轨(LWL3,IKO)和一个手掌框架。资料来源：Uikyum Kim Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand 请务必参阅正文之后的重要声明 27 IDLA hand 图37：IDLA hand 机 械零件 IDLA hand 的五个指尖上各安装一个F/T 传感器。伸展姿势中最大指尖力28N，弯曲姿势中为34N。资料来源：Uikyum Kim Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand 资料来源：Uikyum Kim Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand 图38：IDLA hand 力 控测试 请务必参阅正文之后的重要声明 28 NAIST Hand 图39：NAIST Hand 作者：奈良科学技术大学(NAIST)设计层面：4 指结构；12个自由度，每个手指3 个DOF（MCP2 个，PIP 与DIP 耦合）结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动，有12个直流电机 传动方案：连杆传动 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 请务必参阅正文之后的重要声明 29 NAIST Hand 图40：NAIST Hand 手 指 模块 模块化手指：电机1、2、3 分别用于MP（内收/外展）、MP（屈曲/伸展）、PIP（屈曲/伸展）。电机2 和3 使用两台直流电机（2.6W）+谐波减速器（CSF-mini,gear-ratio 50:1）+编码器（360 pulse/rev）。电机2 的输出轴通过两个皮带轮和同步带与电机3 同轴齿轮连接。电机1 使用带有编码器（16 脉冲/转）的齿轮电机（1.9W，齿轮比1670:1）。考虑到屈伸运动所需的扭矩应大于内收外展运动所需的扭矩，因此电机1 使用更紧凑的电机。在指尖处附有一块绝缘体板作为力传感器。资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 图41：NAIST Hand 手指 连杆 请务必参阅正文之后的重要声明 30 NAIST Hand 资料 来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 图42：NAIST Hand 基 关节 MP关节锥齿轮结构：在MP关节中，由三个锥齿轮组成两对不同的齿轮组合。电机1 直接驱动 MP a a。电机2 的输出轴通过两个皮带轮和同步带与电机3 同轴锥齿轮连接，然后通过两个锥齿轮驱动 MP f e。电机3 的输出轴穿过与电机2 连接的齿 轮和皮带轮，通过两个锥齿轮驱动 ro d。图43：NAIST Hand 三 轴驱动机构 图44：NAIST Hand 三 轴驱动机构 组成 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 请务必参阅正文之后的重要声明 31 NAIST Hand 图45：基于视 觉的触觉 与握力 控制 示 意图 使用透明半球形凝胶，通过小型CCD 相机从指尖内部测量接触面积。在凝胶的顶点 处绘制有 特征点。LED 嵌入凝胶中，可提高接触区域图像的对比度。力传感器支撑该 装置以测量施加在凝胶上的外力。图47(a)显示了当传感器压在刚性墙壁上时相机的初始图像，即没有切向力的图像。图47(b)显示出了通过图像处理检测到的接触区域的边缘和特征点。图47（c）和（d）显示了施加牵引（切向）力后的图像。再次 检测接触面积a 的半径和特征点的相对位移，即可对滑移量 做出估计。相对位移 可以通过“偏心率”计算，“偏心率”是弹性半球变形的指标。图46：基于视 觉的 原型 指尖传 感器 图47：基于视 觉的 传感 器 接触 区域图 像 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 资料来源：Jun Ueda Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor 请务必参阅正文之后的重要声明 32 因时科技灵巧手 作者：因时科技 发明初衷：设计出一款低成本的灵巧手 发明历程：2017年，因时科技推出了首代灵巧手，包括10自由度的开发版（适合进行二次开发或作为设计参考）和6 自由度的产品版（适合应用）；2019 年，因时科技推出了第二代灵巧手和快速版无影手。目前，公司在售的有RH56DFX 和RH56BFX 两个 版本。设计层面：欠驱动结构，单手具有6 个自由度和12个关节；集成度高，采用创新型直线驱动设计，内部集成了6 个力控微型伺服电缸，电缸内部集成了电机、减速器、丝杆结构、传感器及伺服控制系统；外观高度仿真。结构形式：驱动器内置 动力源：电机驱动，空心杯电机 传动方案：蜗轮传动 传感器：内置于微型伺服电缸内，产品内部集成了6 个力传感器，可以实时反馈手指的受力情况。应用领域：商业化产品。可应用在服务机器人末端执行器、假肢、教育科研装备、特种工业。其中，RH56DFX 抓握力大，速度适中，适用于机器人或假肢的抓取；RH56BFX 速度快、抓握力 较小，适用于弹钢琴、猜拳、手势舞等场景。图48：因时科 技灵巧手 资料来源：因时科技官网 请务必参阅正文之后的重要声明 33 思灵灵巧手 图49：思灵 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，整手外观上略小于正常成年男性手，具有拟人的外观和功能。五个手指均具有仿人型的运动轨迹，得益于拇指的对掌性，五指灵巧手可以复现多种人手的抓取类型。5 个手指均集成有力传感器和位置传感器等，可实现多传感器融合的抓取算法，以保证机器人手与环境交互的柔顺性。指标 参数 主动自由度/关节 6/15 指尖输出力 15N 整手重量 490g 五指完全闭合时间 1s 力传感器精度 0.5N 通信波特率 1Mbps 资料来源：思灵机器人官网 表5：思灵 灵巧手 参数 资料来源：思灵机器人官网 请务必参阅正文之后的重要声明 34 应用案例总结 表6：科研 及通用 领域灵 巧手 应 用案例 总结 灵巧手 国家 是否商业化 驱动 传动 高校 企业 重量 最大 抓握力(N)手指数量（个）DOF（自由度）DOA（为由驱动器控制的自由度）执行器 数量（个）Shadow Hand 英国 欠 腱 Shadow Robot Company 4300g 5 24 20 20 SCHUNK SVH Hand 德国 全/欠结合 齿轮/连杆 SCHUNK Company 1300g 5 20 9 9 SoftHand Pro 意大利 科研 欠 腱 IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨大学）5 19 1 Pisa/IIT SoftHand 意大利 欠 腱 IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨大学）20 5 19 1 Qbhand 意大利 欠 腱 IstitutoItalianodiTecnologia（意大利理工学院）；Universit diPisa（比萨大学）5 19 1 FestoExoHand 德国 欠 连杆 Festo Company 5 8 Ritsumeikan Hand 日本 科研 欠 腱 Ritsumeikan University 440g 5 15 6 3 Washington Hand 美国 科研 欠 腱 University of Washington 5 10 IDLA hand 韩国 科研 全 连杆 Ajou University（韩国亚洲大学）1100g 34 5 20 15 15 NAIST Hand 日本 科研 全 连杆 Nara Institute of Science and Technology（奈良科学技术大学）4 16 12 12 因时科技灵巧手 中国 欠 齿轮/连杆 因时科技 5 12 6 6 思灵灵巧手 中国 欠 齿轮/连杆 思灵机器人 490g 15 5 16 6 6 资料来源：光大证券研究所整理 请务必参阅正文之后的重要声明 目 录 科研/通用型五 指灵巧 手
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