机器人发展之灵巧手

灵巧手作为人形机器人的关键硬件模块，正朝着集成化与多自由度方向发展。随着人形机器人产业逐步落地，其有望开拓出规模达百亿级别的市场。在人形机器人的架构体系中，灵巧手扮演着末端执行器的重要角色，同时也是机器人与外界环境交互的关键窗口。其硬件构造涵盖了驱动系统、传动系统以及感知系统这三大核心部分。

图表：灵巧手的分类

资料来源：中研普华产业研究院整理

在诸多设计方案里，类似人类手部结构的灵巧手架构，在适应人类生活与工作环境方面展现出独特优势。这种仿生设计使得机器人在获取数据时更加便捷，对复杂多变的环境也具备更强的适应性。追溯灵巧手的发展历程，其起源可回溯至20世纪70年代。在漫长的发展进程中，灵巧手始终在追求小体积、轻量化、低成本以及耐用可靠等目标的同时，不断致力于提升自身的灵活性、抓握力以及操作精度。以特斯拉Gen3灵巧手为例，其自由度数量翻倍至22个，根据分析推测，该灵巧手可能采用了“电机+丝杠”或者“电机+减速器+丝杠”的设计方案。通过相关测算可知，若人形机器人实现百万台的销量规模，那么灵巧手的市场空间将接近430亿元，这一数据充分彰显了该领域巨大的发展潜力。

驱动系统堪称灵巧手的动力源泉，在驱动结构的设计、放置位置的选择以及整体方案的选型等方面，存在着多种不同的技术路线。在综合考量性能与成本等因素后，产业界普遍倾向于采用欠驱动模式下的电机方案。就具体的电机选型而言，目前主要的可选方案包括直流无刷电机、空心杯电机以及无框力矩电机。空心杯电机凭借其响应速度快、能量转换效率高的显著优势，成为灵巧手驱动系统的理想选择之一。从发展趋势来看，特斯拉通过将执行器安置在前臂部位，有效缓解了无刷电机原本存在的体积劣势。加之无刷电机具有成本优势，预计在未来其应用量可能会显著增加，在驱动系统中占据更为重要的地位。

传动系统在灵巧手中承担着传递驱动系统所产生的运动与力的关键任务，其性能优劣对灵巧手抓取物体时的稳定性、操作精度以及灵活性有着至关重要的影响。在传动系统的技术路线选择上，存在着较大的分歧。其中，腱绳方案由于具备远距离传动、灵活柔性等突出优势，在灵巧手朝着多自由度方向发展的趋势下，极有可能得到更为广泛的应用。尽管腱绳方案在使用寿命、负载能力等方面存在一定劣势，但随着材料科学的不断进步，这些问题有望通过材料的优化得到有效改善。此外，微型丝杠、微型谐波减速器等新兴传动结构逐渐崭露头角。微型丝杠在精度控制方面表现出色，而微型谐波减速器则在承载能力上具有优势。随着产业的逐步成熟，这些新兴传动结构的成本有望降低，从而实现更广泛的应用。国内的五洲新春、绿的谐波等企业已经敏锐地捕捉到这一发展机遇，积极投身于相关产品的研发工作，为推动新兴传动结构的产业化进程贡献力量。

力传感器助力力控精度提升，可分为一至六维力传感器。力传感器用于将测量得到的力矩转化为电信号，可感知张力、压力、重量、扭矩等力学量，提升力控精确度。按测量方向的数量，可分为一至六维力传感器。其中六维力传感器可同时测量三个轴向力及三个轴向力矩，性能最优但制备壁垒、定价最高，在人形机器人中多用于手腕、脚踝处，而一维力传感器多用于内部关节处。

六维力传感器广泛用于汽车、航空航天等领域，可为机器人提供更精准的力感信息，提升其柔顺控制水平。力传感器是将力的量值转换为电信号的器件。根据感力原件的不同，传感器可分为应变式/光学式/压电/电容式力传感器，目前市场主要应用应变式方案，其他方案有一定理论研究，但尚未广泛应用。六维力传感器壁垒最高，性能最优异。目前六维力/力矩传感器主要应用于机器人、汽车、航空航天、生物医学等领域。六维力/力矩传感器或应用于人形机器人的手、足部位，为机器人的力控制和运动控制提供力感信息，助力其提升柔顺化、智能化控制水平。从长周期维度来看，随着算法迭代优化，六维力传感器在人形机器人上的用量或存在一定分歧，但我们认为在短期层面六维力传感器仍将是机器人的重要组成部分。

感知系统是灵巧手实现智能化的重要基础，按照感知区域的不同，可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器主要用于感知手部自身的状态信息，常见的包括力矩传感器、位置传感器以及弯曲传感器等。这些传感器能够实时监测手部各关节的运动状态和受力情况，为灵巧手的精准控制提供关键数据支持。外部传感器则主要用于感知外界环境信息，例如接近觉传感器可帮助灵巧手感知周围物体的距离，触觉传感器则能让灵巧手在接触物体时获取丰富的触感信息。在众多传感器中，一维力传感器由于技术相对成熟，目前广泛应用于手指关节部位，能够对手指的受力情况进行精确测量。六维力传感器则主要应用于手腕和脚踝等部位，其能够为机器人提供更为全面、精准的力感信息，极大地提升了机器人在操作过程中的柔顺控制水平，使机器人能够更加灵活、自然地与外界环境进行交互。国内的柯力传感、东华测试等企业积极布局六维力传感器的研发工作，并已进入产品送样阶段，努力在这一领域占据一席之地。此外，柔性触觉传感器因其具备良好的延展性和柔韧性，特别适合应用于手指及掌部等部位，能够为灵巧手提供更加逼真的触觉感知。目前，国内众多企业以及科研院校都在积极开展相关研究与产业推广工作，全力推动柔性触觉传感器的产业化进程，加速其在灵巧手领域的应用。