靈巧手作為人形機(jī)器人的關(guān)鍵硬件模塊，正朝著集成化與多自由度方向發(fā)展。隨著人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)逐步落地，其有望開拓出規(guī)模達(dá)百億級(jí)別的市場(chǎng)。在人形機(jī)器人的架構(gòu)體系中，靈巧手扮演著末端執(zhí)行器的重要角色，同時(shí)也是機(jī)器人與外界環(huán)境交互的關(guān)鍵窗口。其硬件構(gòu)造涵蓋了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及感知系統(tǒng)這三大核心部分。

圖表：靈巧手的分類

資料來(lái)源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

在諸多設(shè)計(jì)方案里，類似人類手部結(jié)構(gòu)的靈巧手架構(gòu)，在適應(yīng)人類生活與工作環(huán)境方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這種仿生設(shè)計(jì)使得機(jī)器人在獲取數(shù)據(jù)時(shí)更加便捷，對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境也具備更強(qiáng)的適應(yīng)性。追溯靈巧手的發(fā)展歷程，其起源可回溯至20世紀(jì)70年代。在漫長(zhǎng)的發(fā)展進(jìn)程中，靈巧手始終在追求小體積、輕量化、低成本以及耐用可靠等目標(biāo)的同時(shí)，不斷致力于提升自身的靈活性、抓握力以及操作精度。以特斯拉Gen3靈巧手為例，其自由度數(shù)量翻倍至22個(gè)，根據(jù)分析推測(cè)，該靈巧手可能采用了“電機(jī)+絲杠”或者“電機(jī)+減速器+絲杠”的設(shè)計(jì)方案。通過相關(guān)測(cè)算可知，若人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)臺(tái)的銷量規(guī)模，那么靈巧手的市場(chǎng)空間將接近430億元，這一數(shù)據(jù)充分彰顯了該領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)堪稱靈巧手的動(dòng)力源泉，在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、放置位置的選擇以及整體方案的選型等方面，存在著多種不同的技術(shù)路線。在綜合考量性能與成本等因素后，產(chǎn)業(yè)界普遍傾向于采用欠驅(qū)動(dòng)模式下的電機(jī)方案。就具體的電機(jī)選型而言，目前主要的可選方案包括直流無(wú)刷電機(jī)、空心杯電機(jī)以及無(wú)框力矩電機(jī)?？招谋姍C(jī)憑借其響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高的顯著優(yōu)勢(shì)，成為靈巧手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想選擇之一。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，特斯拉通過將執(zhí)行器安置在前臂部位，有效緩解了無(wú)刷電機(jī)原本存在的體積劣勢(shì)。加之無(wú)刷電機(jī)具有成本優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)在未來(lái)其應(yīng)用量可能會(huì)顯著增加，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)更為重要的地位。

傳動(dòng)系統(tǒng)在靈巧手中承擔(dān)著傳遞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)鍵任務(wù)，其性能優(yōu)劣對(duì)靈巧手抓取物體時(shí)的穩(wěn)定性、操作精度以及靈活性有著至關(guān)重要的影響。在傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)路線選擇上，存在著較大的分歧。其中，腱繩方案由于具備遠(yuǎn)距離傳動(dòng)、靈活柔性等突出優(yōu)勢(shì)，在靈巧手朝著多自由度方向發(fā)展的趨勢(shì)下，極有可能得到更為廣泛的應(yīng)用。盡管腱繩方案在使用壽命、負(fù)載能力等方面存在一定劣勢(shì)，但隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，這些問題有望通過材料的優(yōu)化得到有效改善。此外，微型絲杠、微型諧波減速器等新興傳動(dòng)結(jié)構(gòu)逐漸嶄露頭角。微型絲杠在精度控制方面表現(xiàn)出色，而微型諧波減速器則在承載能力上具有優(yōu)勢(shì)。隨著產(chǎn)業(yè)的逐步成熟，這些新興傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的成本有望降低，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的五洲新春、綠的諧波等企業(yè)已經(jīng)敏銳地捕捉到這一發(fā)展機(jī)遇，積極投身于相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作，為推動(dòng)新興傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程貢獻(xiàn)力量。

力傳感器助力力控精度提升，可分為一至六維力傳感器。力傳感器用于將測(cè)量得到的力矩轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可感知張力、壓力、重量、扭矩等力學(xué)量，提升力控精確度。按測(cè)量方向的數(shù)量，可分為一至六維力傳感器。其中六維力傳感器可同時(shí)測(cè)量三個(gè)軸向力及三個(gè)軸向力矩，性能最優(yōu)但制備壁壘、定價(jià)最高，在人形機(jī)器人中多用于手腕、腳踝處，而一維力傳感器多用于內(nèi)部關(guān)節(jié)處。

六維力傳感器廣泛用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，可為機(jī)器人提供更精準(zhǔn)的力感信息，提升其柔順控制水平。力傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。根據(jù)感力原件的不同，傳感器可分為應(yīng)變式/光學(xué)式/壓電/電容式力傳感器，目前市場(chǎng)主要應(yīng)用應(yīng)變式方案，其他方案有一定理論研究，但尚未廣泛應(yīng)用。六維力傳感器壁壘最高，性能最優(yōu)異。目前六維力/力矩傳感器主要應(yīng)用于機(jī)器人、汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。六維力/力矩傳感器或應(yīng)用于人形機(jī)器人的手、足部位，為機(jī)器人的力控制和運(yùn)動(dòng)控制提供力感信息，助力其提升柔順化、智能化控制水平。從長(zhǎng)周期維度來(lái)看，隨著算法迭代優(yōu)化，六維力傳感器在人形機(jī)器人上的用量或存在一定分歧，但我們認(rèn)為在短期層面六維力傳感器仍將是機(jī)器人的重要組成部分。

感知系統(tǒng)是靈巧手實(shí)現(xiàn)智能化的重要基礎(chǔ)，按照感知區(qū)域的不同，可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要用于感知手部自身的狀態(tài)信息，常見的包括力矩傳感器、位置傳感器以及彎曲傳感器等。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)手部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況，為靈巧手的精準(zhǔn)控制提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。外部傳感器則主要用于感知外界環(huán)境信息，例如接近覺傳感器可幫助靈巧手感知周圍物體的距離，觸覺傳感器則能讓靈巧手在接觸物體時(shí)獲取豐富的觸感信息。在眾多傳感器中，一維力傳感器由于技術(shù)相對(duì)成熟，目前廣泛應(yīng)用于手指關(guān)節(jié)部位，能夠?qū)κ种傅氖芰η闆r進(jìn)行精確測(cè)量。六維力傳感器則主要應(yīng)用于手腕和腳踝等部位，其能夠?yàn)闄C(jī)器人提供更為全面、精準(zhǔn)的力感信息，極大地提升了機(jī)器人在操作過程中的柔順控制水平，使機(jī)器人能夠更加靈活、自然地與外界環(huán)境進(jìn)行交互。國(guó)內(nèi)的柯力傳感、東華測(cè)試等企業(yè)積極布局六維力傳感器的研發(fā)工作，并已進(jìn)入產(chǎn)品送樣階段，努力在這一領(lǐng)域占據(jù)一席之地。此外，柔性觸覺傳感器因其具備良好的延展性和柔韌性，特別適合應(yīng)用于手指及掌部等部位，能夠?yàn)殪`巧手提供更加逼真的觸覺感知。目前，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)以及科研院校都在積極開展相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)推廣工作，全力推動(dòng)柔性觸覺傳感器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加速其在靈巧手領(lǐng)域的應(yīng)用。