機器人發展之靈巧手

靈巧手作為人形機器人的關鍵硬件模塊，正朝著集成化與多自由度方向發展。隨著人形機器人產業逐步落地，其有望開拓出規模達百億級別的市場。在人形機器人的架構體系中，靈巧手扮演著末端執行器的重要角色，同時也是機器人與外界環境交互的關鍵窗口。其硬件構造涵蓋了驅動系統、傳動系統以及感知系統這三大核心部分。

圖表：靈巧手的分類

資料來源：中研普華產業研究院整理

在諸多設計方案里，類似人類手部結構的靈巧手架構，在適應人類生活與工作環境方面展現出獨特優勢。這種仿生設計使得機器人在獲取數據時更加便捷，對復雜多變的環境也具備更強的適應性。追溯靈巧手的發展歷程，其起源可回溯至20世紀70年代。在漫長的發展進程中，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的同時，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，其自由度數量翻倍至22個，根據分析推測，該靈巧手可能采用了“電機+絲杠”或者“電機+減速器+絲杠”的設計方案。通過相關測算可知，若人形機器人實現百萬臺的銷量規模，那么靈巧手的市場空間將接近430億元，這一數據充分彰顯了該領域巨大的發展潛力。

驅動系統堪稱靈巧手的動力源泉，在驅動結構的設計、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路線。在綜合考量性能與成本等因素后，產業界普遍傾向于采用欠驅動模式下的電機方案。就具體的電機選型而言，目前主要的可選方案包括直流無刷電機、空心杯電機以及無框力矩電機。空心杯電機憑借其響應速度快、能量轉換效率高的顯著優勢，成為靈巧手驅動系統的理想選擇之一。從發展趨勢來看，特斯拉通過將執行器安置在前臂部位，有效緩解了無刷電機原本存在的體積劣勢。加之無刷電機具有成本優勢，預計在未來其應用量可能會顯著增加，在驅動系統中占據更為重要的地位。

傳動系統在靈巧手中承擔著傳遞驅動系統所產生的運動與力的關鍵任務，其性能優劣對靈巧手抓取物體時的穩定性、操作精度以及靈活性有著至關重要的影響。在傳動系統的技術路線選擇上，存在著較大的分歧。其中，腱繩方案由于具備遠距離傳動、靈活柔性等突出優勢，在靈巧手朝著多自由度方向發展的趨勢下，極有可能得到更為廣泛的應用。盡管腱繩方案在使用壽命、負載能力等方面存在一定劣勢，但隨著材料科學的不斷進步，這些問題有望通過材料的優化得到有效改善。此外，微型絲杠、微型諧波減速器等新興傳動結構逐漸嶄露頭角。微型絲杠在精度控制方面表現出色，而微型諧波減速器則在承載能力上具有優勢。隨著產業的逐步成熟，這些新興傳動結構的成本有望降低，從而實現更廣泛的應用。國內的五洲新春、綠的諧波等企業已經敏銳地捕捉到這一發展機遇，積極投身于相關產品的研發工作，為推動新興傳動結構的產業化進程貢獻力量。

力傳感器助力力控精度提升，可分為一至六維力傳感器。力傳感器用于將測量得到的力矩轉化為電信號，可感知張力、壓力、重量、扭矩等力學量，提升力控精確度。按測量方向的數量，可分為一至六維力傳感器。其中六維力傳感器可同時測量三個軸向力及三個軸向力矩，性能最優但制備壁壘、定價最高，在人形機器人中多用于手腕、腳踝處，而一維力傳感器多用于內部關節處。

六維力傳感器廣泛用于汽車、航空航天等領域，可為機器人提供更精準的力感信息，提升其柔順控制水平。力傳感器是將力的量值轉換為電信號的器件。根據感力原件的不同，傳感器可分為應變式/光學式/壓電/電容式力傳感器，目前市場主要應用應變式方案，其他方案有一定理論研究，但尚未廣泛應用。六維力傳感器壁壘最高，性能最優異。目前六維力/力矩傳感器主要應用于機器人、汽車、航空航天、生物醫學等領域。六維力/力矩傳感器或應用于人形機器人的手、足部位，為機器人的力控制和運動控制提供力感信息，助力其提升柔順化、智能化控制水平。從長周期維度來看，隨著算法迭代優化，六維力傳感器在人形機器人上的用量或存在一定分歧，但我們認為在短期層面六維力傳感器仍將是機器人的重要組成部分。

感知系統是靈巧手實現智能化的重要基礎，按照感知區域的不同，可分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器主要用于感知手部自身的狀態信息，常見的包括力矩傳感器、位置傳感器以及彎曲傳感器等。這些傳感器能夠實時監測手部各關節的運動狀態和受力情況，為靈巧手的精準控制提供關鍵數據支持。外部傳感器則主要用于感知外界環境信息，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相對成熟，目前廣泛應用于手指關節部位，能夠對手指的受力情況進行精確測量。六維力傳感器則主要應用于手腕和腳踝等部位，其能夠為機器人提供更為全面、精準的力感信息，極大地提升了機器人在操作過程中的柔順控制水平，使機器人能夠更加靈活、自然地與外界環境進行交互。國內的柯力傳感、東華測試等企業積極布局六維力傳感器的研發工作，并已進入產品送樣階段，努力在這一領域占據一席之地。此外，柔性觸覺傳感器因其具備良好的延展性和柔韌性，特別適合應用于手指及掌部等部位，能夠為靈巧手提供更加逼真的觸覺感知。目前，國內眾多企業以及科研院校都在積極開展相關研究與產業推廣工作，全力推動柔性觸覺傳感器的產業化進程，加速其在靈巧手領域的應用。