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一、靈巧手具體方案對(duì)比：靈巧手=手指（驅(qū)動(dòng)+傳動(dòng)+傳感器）*自由度+外殼
隨著工業(yè)自動(dòng)化和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人正逐漸從單一的重復(fù)性任務(wù)執(zhí)行者轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驁?zhí)行復(fù)雜、多變?nèi)?務(wù)的智能體。在這一轉(zhuǎn)變過程中，靈巧手作為機(jī)器人與外界交互的重要工具，其重要性日益凸顯。靈巧手的設(shè)計(jì)靈感 來源于人類手部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，它使得機(jī)器人能夠執(zhí)行諸如抓取、操縱、甚至感知等多樣化任務(wù)，極大地?cái)U(kuò)展了 機(jī)器人的應(yīng)用范圍和操作能力。 靈巧手的組成是實(shí)現(xiàn)其多功能性的基礎(chǔ)。一個(gè)典型的靈巧手系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分組成： （1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，使手指能夠進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、氣動(dòng)和液壓等類型。 （2）傳動(dòng)系統(tǒng)：將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)包括絲杠、齒輪、連桿、繩索和腱繩等。 （3）傳感器系統(tǒng)：包括觸覺、力覺和位置傳感器等，用于感知手部與外界物體的接觸狀態(tài)和力度，以及手部自身的位 置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 （4）控制系統(tǒng)：通過算法和軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的手部運(yùn)動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行。 本文將結(jié)合特斯拉的靈巧手專利，拆分靈巧手驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、傳感器等零部件的技術(shù)方案、未來發(fā)展方向、競爭格局和 價(jià)值量。
1.1 靈巧手技術(shù)路線分析：電驅(qū)+復(fù)合傳動(dòng)+帶力和觸覺傳感為主導(dǎo)方向
1.1.1 自由度數(shù)量：有自由度提升趨勢(shì)
人手共有 24 個(gè)自由度。據(jù)《機(jī)器人靈巧手——建模、規(guī)劃與仿真》，人手 24個(gè)自由度包含拇指 5 個(gè)自由度，其余 4 指各 4 個(gè)自由度，另外還有腕的外展、腕的彎曲和手掌的弧度 3 個(gè)自由度。
若機(jī)器人的靈巧手驅(qū)動(dòng)源數(shù)量等于自由度，為全驅(qū)動(dòng)；若驅(qū)動(dòng)源數(shù)量小于自由度，為欠驅(qū)動(dòng)。全驅(qū)動(dòng)方案每個(gè)指關(guān)節(jié) 都有驅(qū)動(dòng)器，功能接近人手，可實(shí)現(xiàn)更高的精度；而欠驅(qū)動(dòng)雖然集成度更高，但功能性不足，對(duì)于精度要求比較高的 手指精巧控制無法勝任。
自由度越多，設(shè)計(jì)難度越大，難題之一是如何安置眾多驅(qū)動(dòng)器，讓靈巧手的尺寸接近人手。目前已知自由度最多的是 Shadow Hand，自由度達(dá)到 24 個(gè)。特斯拉人形機(jī)器人第一代單手擁有 6 個(gè)自由度，第二代 11 個(gè)自由度，整體向自由 度更高發(fā)展。2014 年起，已有至少 4 款靈巧手做到了 21 個(gè)自由度，傳動(dòng)方式上，韌帶、腱繩和齒輪連桿均有采用。
1.1.2 驅(qū)動(dòng)方式：電驅(qū)為主流技術(shù)方向
靈巧手主要的驅(qū)動(dòng)方式包含 4 種：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)兼?zhèn)渚群徒?jīng)濟(jì)性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式中，電機(jī)經(jīng)減速器控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速后通過其他傳動(dòng)裝置將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 手指的彎曲運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、減速器組成。優(yōu)勢(shì)在于體積小、響應(yīng)快、調(diào)控方便、穩(wěn)定性好、精度高、輸 出力矩穩(wěn)定等。后文將對(duì)主流手部電機(jī)空心杯電機(jī)和無刷有齒槽電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)拆解。 液壓驅(qū)動(dòng)適用于大力抓取，但體積過于龐大。液壓驅(qū)動(dòng)方式中，不可壓縮的液體將被壓入封閉系統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)活塞移 動(dòng)，使手指產(chǎn)生力量和運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由液動(dòng)機(jī)、伺服閥、油泵和油箱組成，常被用于工業(yè)機(jī)械手中，適合大型 抓取作業(yè)。人手的重量較低，但可以實(shí)現(xiàn)單手吊環(huán)等大力輸出動(dòng)作，液壓實(shí)現(xiàn)大力抓取的可能性最大，但系統(tǒng)龐大， 小型化和便捷性技術(shù)有待突破。 氣壓和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)重復(fù)定位精度較低。氣壓驅(qū)動(dòng)方式中，將對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，空氣的壓力會(huì)推動(dòng)活塞或膜片移 動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成機(jī)器人手的運(yùn)動(dòng)。氣壓因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，常用在簡單的抓持手，不能實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)的靈活 運(yùn)動(dòng)。 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)經(jīng)過變形后加熱到一定溫度，可以恢復(fù)到之前的形狀而產(chǎn)生力驅(qū)動(dòng)靈巧手的運(yùn)動(dòng)，但無法長時(shí)間工 作，并且疲勞強(qiáng)度較低。
綜合對(duì)比可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最適合靈巧手批量生產(chǎn)使用的方式。主要因?yàn)殡S著電機(jī)設(shè)計(jì)、加工技術(shù)以及電子技術(shù)等的 進(jìn)步，能夠?yàn)殪`巧手提供體積小、出力大的微型電機(jī)，其次因?yàn)殡娔艿墨@取、存儲(chǔ)容易，為電機(jī)提供了應(yīng)用的基礎(chǔ)。 可能采用的電機(jī)包括空心杯電機(jī)、無刷有齒槽電機(jī)等。 空心杯電機(jī)方案能效高，適合電池供電且長時(shí)間運(yùn)行的靈巧手?？招谋妱?dòng)機(jī)采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，消除了由于鐵芯形成 渦流而造成的電能損耗，因此效率更高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于控制。根據(jù)《空心杯微型電機(jī)及線圈的研究進(jìn)展》，空心杯 電機(jī)主要具備以下特點(diǎn)：（1）節(jié)能特性：能量轉(zhuǎn)換效率很高，其最大效率一般在 65%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到 90%以上 （鐵芯電動(dòng)機(jī)一般不超過 75%）。（2）控制特性：起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，根據(jù)《空心杯微型電機(jī)及線圈的研究進(jìn) 展》，機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于 28 毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到 10 毫秒以內(nèi)（鐵芯電動(dòng)機(jī)一般在 100 毫秒以上）。（3）波動(dòng)特性： 運(yùn)行穩(wěn)定性十分可靠，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)很小。作為微型電動(dòng)機(jī)，空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠容易的控制在 2%以內(nèi)。因此空 心杯電機(jī)特別適合電池供電同時(shí)又要求長時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用場合，例如仿生手、人形機(jī)器人和手持電動(dòng)工具等。
空心杯電機(jī)主要難點(diǎn)在于繞組設(shè)計(jì)、動(dòng)平衡設(shè)計(jì)及資金投入。因此新進(jìn)入者的技術(shù)積累較淺，難以達(dá)到機(jī)器人領(lǐng)域的 高效率等要求。 （1）繞組設(shè)計(jì)：繞組需要保證線圈的高密度以及排列的一致性，從而使得產(chǎn)品具備高功率和扭矩密度。繞組的形態(tài) 具備多樣性，不同形態(tài)的繞組會(huì)直接影響生產(chǎn)的良率，但多數(shù)技術(shù)都被外資企業(yè)申請(qǐng)專利，進(jìn)一步加大國內(nèi)企業(yè)突破 的難度。 （2）動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是電機(jī)生產(chǎn)制造過程中極其重要的一個(gè)工序，直接關(guān)系到電機(jī)的噪聲、振動(dòng)指標(biāo)性 能是否達(dá)標(biāo)。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡差異的原因是不同企業(yè)使用了不同的磁性材料，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布不均一。 （3）資金投入：電機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中設(shè)備價(jià)格較高，繞組設(shè)備單臺(tái)價(jià)格百萬以上，且需要設(shè)備廠商定制化開發(fā)，對(duì) 空心杯電機(jī)廠商的資金要求較高。
無刷有齒槽電機(jī)方案是降本的一種可行方式。手指部位可使用的電機(jī)可按有無齒槽區(qū)分為無刷有齒槽電機(jī)和無刷無齒 槽電機(jī)： 1）有齒槽：無刷直流電機(jī)大多采用有齒槽設(shè)計(jì)，即線圈繞制在定子上的齒槽中； 2）無齒槽：空心杯屬于無齒槽電機(jī)；在無齒槽電機(jī)中，定子上沒有齒槽結(jié)構(gòu)，線圈單獨(dú)繞制成型，直接固定在定子表 面或內(nèi)部。
由于空心杯電機(jī)具備小直徑、扭矩波動(dòng)小等特點(diǎn)，機(jī)器人當(dāng)前仍以空心杯電機(jī)為主導(dǎo)。無刷有齒槽電機(jī)功率較空心杯 電機(jī)更大，同時(shí)大直徑導(dǎo)致其短期僅能安裝在大拇指（空間容忍度更高）。相比于空心杯電機(jī)，無刷有齒槽電機(jī)有齒 槽力矩，導(dǎo)致速度和扭矩都有更大的波動(dòng)，有鐵芯之后無法做高速運(yùn)轉(zhuǎn)；空心杯電機(jī)可以做到高速、小直徑，主要通 過手掌結(jié)構(gòu)來起承載重量，從這個(gè)角度看，無刷直流電機(jī)的功率更大，可以放在大拇指上，但是短期不會(huì)放在其他手 指上，因?yàn)槭种敢「p巧。 電機(jī)未來發(fā)展方向是圍繞降本增效，主要通過縮小體積、減輕重量的方式實(shí)現(xiàn)，如諧波磁場電機(jī)、一體化技術(shù)電機(jī)。 1）諧波磁場電機(jī)：通過改變電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)縮小體積、增大功率密度；2）一體化技術(shù)電機(jī)：通過集成減速 器等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)縮小體積、增大功率密度。
1.1.3 傳動(dòng)方式：布局絲杠正成為手部傳動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)
傳動(dòng)方式主要包含腱繩、絲杠、齒輪、連桿等。早期靈巧手曾經(jīng)采用齒輪、連桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然而因?yàn)槌叽绾唾|(zhì)量大、 運(yùn)動(dòng)不靈活等問題逐漸被淘汰。模仿動(dòng)物肌腱傳動(dòng)方式的腱繩傳動(dòng)目前廣泛被靈巧手采用，根據(jù)各公司 2024 年中報(bào)， 上市公司正集中研發(fā)手部絲杠，布局絲杠正成為傳動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。 腱繩傳動(dòng)，使用線繩模擬人手的肌腱結(jié)構(gòu)，可以使得大型的驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)離執(zhí)行機(jī)構(gòu)，減輕末端的負(fù)載和慣量，提升了抓 取的速度，排布靈活，因此適合空間狹小且需要驅(qū)動(dòng)自由度數(shù)目較多的傳動(dòng)場合。 連桿傳動(dòng)，使用多個(gè)連桿串并聯(lián)混合的形式傳遞運(yùn)動(dòng)和力矩。手指的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由剛性連桿傳遞，能夠抓取大型的物 體且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可以完成包絡(luò)抓取。缺點(diǎn)是難以遠(yuǎn)距離控制，容易發(fā)生彈射，且抓取空間較小。
齒輪/蝸輪蝸桿傳動(dòng)，通過齒輪或者蝸輪蝸桿將驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和手指間的彈簧來驅(qū) 動(dòng)手指產(chǎn)生動(dòng)作。
滾珠絲杠傳動(dòng)，根據(jù)《空間五指靈巧手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_韓運(yùn)崢》，電機(jī)和滾珠絲杠外置于手臂中，電機(jī)通過減速器帶動(dòng) 滾珠絲杠，電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的平移運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母拉動(dòng)腱繩，腱繩另一端連接到手指指骨上，拉 動(dòng)手指關(guān)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，形成手指彎曲運(yùn)動(dòng)。據(jù)特斯拉公開資料，特斯拉后續(xù)將驅(qū)動(dòng)裝置安裝在手臂而非手指里面。
靈巧手的傳動(dòng)裝置一般可以分為三級(jí)：（1）第一級(jí)：位于電機(jī)側(cè)，主要為減速器，起到的作用是精度調(diào)節(jié)；（2）第二 級(jí)：最重要，負(fù)責(zé)動(dòng)作執(zhí)行；（3）第三級(jí)：連接驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)末端，主要是腱繩和連桿。從市場案例看，一級(jí)傳動(dòng)以 皮帶為主，二級(jí)傳動(dòng)主要采用絲杠或者錐齒輪，三級(jí)傳動(dòng)基本都會(huì)采用腱繩和連桿。 綜合對(duì)比看，各種方案各有所長，但由于工廠中的勞動(dòng)場景需要有較高的承載力，而絲杠是承載力最高的傳動(dòng)方案， 因此有可能在工廠場景中成為主流。
1.1.4 傳感器：特斯拉手部傳感器數(shù)量有增加態(tài)勢(shì)
總體手部上可使用的傳感器包含力、位移、觸覺、角位移、視覺、壓力、力矩、位置、霍爾和溫度傳感器等。其中， 觸覺、視覺和溫度傳感器屬于外部感知，力、位移、角位移和力矩屬于內(nèi)部感知。
據(jù)《機(jī)器人靈巧手：建模、規(guī)劃與仿真》，用于靈巧手的傳感器主要有位置和觸覺傳感器，測(cè)量關(guān)節(jié)位置是實(shí)現(xiàn)手指運(yùn) 動(dòng)控制所必需的基本要求，實(shí)際中經(jīng)常用霍爾元件、電位計(jì)和光學(xué)傳感器來測(cè)量位置。而觸覺傳感器主要用于反饋接 觸信息，一般包含力傳感器和接觸傳感器兩種。其他的傳感器可以針對(duì)特殊任務(wù)需要而增加，如接近覺、視覺、加速 度和振動(dòng)等。
具體使用案例上，根據(jù)特斯拉 GEN2 發(fā)布會(huì)，特斯拉機(jī)器人上確定搭載了觸覺傳感器。對(duì)于其他的方案，總體還有多 種傳感器可以選擇，如 DLR/HITHand 官網(wǎng)顯示，其使用了關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器、電機(jī)霍爾傳感器、 觸覺傳感器和溫度傳感器。
1.1.5 方案選擇：性能與成本的綜合博弈
受經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)制約影響，目前看最適合靈巧手采用的方案是：驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)，傳動(dòng)采用腱繩或絲杠（可搭配其他 傳動(dòng)件），傳感器采用內(nèi)部加外部傳感器（力、觸覺傳感器是高頻使用的）。
1.2 特斯拉 gen1 專利拆解：驅(qū)動(dòng)器、齒輪箱是核心零部件
根據(jù)特斯拉手部專利，手部共采用了約 14 種核心零部件。按價(jià)值量排序，執(zhí)行器、齒輪箱、霍爾效應(yīng)傳感器較高： 1) 執(zhí)行器：空心杯電機(jī)（我們預(yù)計(jì)量產(chǎn)后國產(chǎn) 1000 元/個(gè)，13×1000=13000 元）或者無刷有齒槽電機(jī)（預(yù)計(jì)量產(chǎn)后 國產(chǎn) 160 元/個(gè)，160×13=2080 元） 2) 行星齒輪箱：304a-304f（齒輪箱=1 齒輪+1 蝸輪），我們預(yù)估量產(chǎn)后單自由度價(jià)值量約 100 元，13 個(gè)自由度合計(jì) ASP1300 元。 3) 指節(jié)部件：近端 402、遠(yuǎn)端 408、420，為殼體，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 4) 指節(jié)的兩端：410、412 ，為殼體，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 5) 樞軸（包含銷釘、銷軸等）：406、414，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 6) 電纜：416、418、512 ，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 7) 通道結(jié)構(gòu)：424、426 ，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 8) 扭簧：遠(yuǎn)端 436、近端 434 ，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 9) 彈簧支架、銷釘，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 10) 其他：指甲、肌腱、自動(dòng)張緊器、手動(dòng)張緊器、法蘭套軸承，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小11) 管道：514、516 ，我們預(yù)計(jì)價(jià)值量較小 12) 蝸輪：704（包含滑輪 706），在齒輪箱中已經(jīng)計(jì)算 13) 齒輪：702 ,在齒輪箱中已經(jīng)計(jì)算 14) 霍爾效應(yīng)傳感器：由感應(yīng)器 802 和磁場源 804 組成（處理器 114 通過霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量的磁場確定指節(jié)部件的 位置或者旋轉(zhuǎn)角度），產(chǎn)業(yè)鏈成熟，價(jià)值量較小。
根據(jù)特斯拉 GEN1 靈巧手專利，手指的基本工作機(jī)制通過電纜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行器的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)執(zhí)行器被激活 時(shí)，拉動(dòng)電纜，電纜通過手指的通道結(jié)構(gòu)引導(dǎo)，帶動(dòng)手指的關(guān)節(jié)圍繞樞軸旋轉(zhuǎn)。電纜通過齒輪箱保持適當(dāng)?shù)膹埩Γ_ 保關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。此外，扭簧提供了額外的回彈力，使手指在操作完成后能夠自然恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種電纜驅(qū)動(dòng)的 設(shè)計(jì)不僅減少了復(fù)雜的機(jī)械部件，還提高了手指的靈活性和耐用性。通過霍爾效應(yīng)傳感器的精確定位，手指能夠?qū)崟r(shí) 調(diào)整運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高度精細(xì)的操作任務(wù)。 特斯拉靈巧手專利拆解步驟如下： 第一步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利顯示，其單手有 5 個(gè)手指，每個(gè)手指包含兩個(gè)指節(jié)（近指節(jié) 206+遠(yuǎn)指節(jié) 208），每根 手指靠緊固件固定在手掌上。這步新增了指節(jié)部件。
第二步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利，其單手有 6 個(gè)自由度，因此包含 6 個(gè)執(zhí)行器和齒輪箱。其中執(zhí)行器主要放在手掌（第 三代由于自由度增加，手掌容量難以包容，因此將執(zhí)行器裝載到容量更大的手臂）。這步新增了執(zhí)行器和齒輪箱，單 手分別有 6 個(gè)。
第三步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利，其單指有 2 個(gè)樞軸結(jié)構(gòu)與 2 個(gè)扭簧。兩個(gè)樞軸分別位于手指的近端（406）和遠(yuǎn)端 （414），通常由銷釘或軸承構(gòu)成，允許手指在特定的角度范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)端扭簧（436）和近端扭簧（434）分別 位于手指的遠(yuǎn)端和近端關(guān)節(jié)，不僅提供了額外的穩(wěn)定性，還能幫助手指在恢復(fù)初始狀態(tài)時(shí)提供反饋力量。這步新增了 樞軸結(jié)構(gòu)與扭簧。
第四步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利，其單指有 2 個(gè)電纜與 2 個(gè)通道結(jié)構(gòu)，電纜一端與執(zhí)行器相連，另一端通過復(fù)雜的通 道結(jié)構(gòu)（424、426）沿手指內(nèi)部布線。當(dāng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，電纜可以帶動(dòng)靈巧手進(jìn)行彎曲。通道結(jié)構(gòu)為電纜的移動(dòng)提供 了引導(dǎo)路徑，確保電纜在手指彎曲時(shí)能夠自由移動(dòng)而不會(huì)打結(jié)。這步新增了電纜與通道結(jié)構(gòu)。
第五步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利，靈巧手有 6 個(gè)齒輪箱，每個(gè)執(zhí)行器通過一個(gè)齒輪箱控制電纜的移動(dòng)。齒輪箱通常由 蝸輪和蝸桿組成，齒輪箱中的滑輪與電纜相連，確保電纜的張力始終保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)。這步新增了齒輪箱（包 含齒輪、蝸輪、蝸桿和滑輪等）。
第六步，根據(jù)特斯拉靈巧手專利，靈巧手每個(gè)手指還配備了 1 個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器用于監(jiān)測(cè)手指各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和 位置?；魻栃?yīng)傳感器與處理器相連，當(dāng)手指旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過測(cè)量磁場的變化來確定手指的確切位置，提供實(shí)時(shí)反饋。 這步新增了霍爾效應(yīng)傳感器。
1.3 靈巧手空心杯電機(jī)和絲杠是未來降本核心
根據(jù)特斯拉公開信息，GEN3 靈巧手相比于 GEN2 的主要變化在于：（1）手部增加了自由度，從 11 提升到 22 個(gè)，我們 預(yù)計(jì)對(duì)應(yīng)的電機(jī)數(shù)量將從原本的 6 個(gè)提升到 13-17 個(gè)；（2）驅(qū)動(dòng)器裝載在了手腕部位。
我們測(cè)算出當(dāng)前單手的純零部件價(jià)格總和為 4.5 萬元（采用國產(chǎn)空心杯電機(jī)和滾柱絲杠，13 個(gè)主動(dòng)自由度）~13.3 萬 元（采用進(jìn)口空心杯電機(jī)和滾柱絲杠,17 個(gè)主動(dòng)自由度），測(cè)算過程如下：
驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，我們假設(shè)單手主動(dòng)自由度為 13 個(gè)，對(duì)應(yīng)需要 13 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，假設(shè)每個(gè)手指能夠用到 1 個(gè)無刷有齒槽電 機(jī)，單手共計(jì) 5 個(gè)，其余 8 個(gè)主動(dòng)自由度全采用空心杯電機(jī)；根據(jù) Maxon、兆威機(jī)電線上購物平臺(tái)官網(wǎng)，預(yù)計(jì)空心杯 電機(jī)（帶霍爾傳感器）和無刷有齒槽電機(jī)價(jià)格分別為 4500 元/個(gè)（進(jìn)口）、160 元/個(gè)。 傳動(dòng)件上，假設(shè)分別使用 13 根行星滾柱絲杠、13 個(gè)行星減速箱和 10 根腱繩，由于精度較高，我們預(yù)計(jì)對(duì)應(yīng)價(jià)格分別 為 3000（進(jìn)口）、100、5 元/根。 傳感器上，我們假設(shè)采用高精度指腹電容式傳感器+大面積電子皮膚+指縫間溫度傳感器+指節(jié)間霍爾傳感器。（1）電 容式觸覺傳感器：預(yù)計(jì)單手搭載 5 個(gè)高精度的觸覺傳感器，主要搭載在指腹部位；（2）大面積電子皮膚：假設(shè)手掌+ 手背（包含手指）均覆蓋低精度電子皮膚，根據(jù)中南大學(xué)燒傷整形外科資料，人雙手掌面積約為人體表面積的 1%，而 人體總面積為 1.5-2 ㎡，所以單手手掌+手背面積約為 1.5×1%×2=0.015 ㎡，因此假設(shè)靈巧手單手皮膚面積也為 0.015 ㎡。；（3）指縫間溫度傳感器：預(yù)計(jì)單手 5 個(gè)；（4）霍爾傳感器：據(jù)特斯拉專利，單手有 5 個(gè)，已包含在電機(jī)中。單 價(jià)上，根據(jù)力感科技、上海測(cè)控、KMU、墨感科技官網(wǎng)旗艦店，假設(shè)電容式觸覺傳感器、大面積電子皮膚、指縫間傳感 器價(jià)格分別為 100 元/個(gè)、350 元/㎡、34 元/個(gè)。 其他如電纜、通道結(jié)構(gòu)、扭簧、齒輪、指甲等價(jià)值量較小，預(yù)計(jì)合計(jì)約 50 元/手。
量產(chǎn)后單手價(jià)格有望做到 1 萬元以下。機(jī)器人目標(biāo)價(jià)格 1-2 萬美金/臺(tái)，假設(shè)人手的價(jià)值量占比約 13%，則單手目標(biāo)造 價(jià)約為 0.91 萬元人民幣，降本空間約為 395%~1330%。當(dāng)空心杯電機(jī)和滾柱絲杠通過設(shè)備國產(chǎn)化和規(guī)?；却胧┙当?后，造價(jià)會(huì)無限往原材料成本靠近。
據(jù)淘寶網(wǎng)、京東網(wǎng)的詢價(jià)結(jié)果，目前大部分靈巧手的單手市場價(jià)為 2-15 萬元/只，整體價(jià)格與精度、關(guān)節(jié)數(shù)和驅(qū)動(dòng)數(shù) 等關(guān)鍵指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。DLR 配備了較高精度的零配件售價(jià) 80 萬元/只，根據(jù)線上購物平臺(tái)顯示，DLR 單手包含 15 個(gè)自由度，高度集成了電機(jī)、齒輪、哈默納科減速器、傳感器等零部件。
1.4 競爭格局：美國領(lǐng)先，國產(chǎn)靈巧手快速崛起
當(dāng)前美國在機(jī)器人靈巧手技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，特別是在人工智能、傳感器融合以及仿生技術(shù)領(lǐng)域有顯著優(yōu)勢(shì)。美國 的許多公司和研究機(jī)構(gòu)在靈巧手的硬件設(shè)計(jì)和智能化控制系統(tǒng)方面積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。中國近年在機(jī)器人靈巧手 領(lǐng)域的技術(shù)積累迅速增長，盡管與美、歐相比還有一定差距，但市場規(guī)模龐大，政府支持力度強(qiáng)，市場化進(jìn)程快。 自由度角度看，海外特斯拉、Shadow Hand、SCHUNK 和 ILDA 已經(jīng)將 DOF 自由度做到 20 個(gè)以上，國內(nèi)青龍靈巧手自由度做到 19 個(gè)，處于國內(nèi)較為領(lǐng)先地位。抓握力角度，海外的 QBhand 和國內(nèi)的星動(dòng)紀(jì)元較為領(lǐng)先，抓握力分別達(dá)到 62N 和 80N。國內(nèi)市場上，因時(shí)機(jī)器人、傲意、騰訊 RoboticsX 實(shí)驗(yàn)室等企業(yè)也在積極布局，且具有低成本供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)， 未來國產(chǎn)靈巧手有望占據(jù)更多市場份額。
二、驅(qū)動(dòng)裝置：國產(chǎn)競爭力優(yōu)勢(shì)明顯
2.1 價(jià)格：進(jìn)口價(jià)格為國產(chǎn)品牌的兩倍
靈巧手驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包含空心杯電機(jī)、無刷有齒槽電機(jī)。 由于生產(chǎn)難度系數(shù)更高，同級(jí)別空心杯電機(jī)是普通電機(jī)價(jià)格的 10 倍。據(jù)淘寶，兆威機(jī)電 8mm 微型電機(jī)+4 級(jí)齒輪箱的 價(jià)格為160元，雖然電流更小，但是具有轉(zhuǎn)矩大和減速比高的優(yōu)點(diǎn)，例如兆威機(jī)電的8mm微型電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到750 gf.cm， 大于同公司的 6mm 的空心杯電機(jī)（轉(zhuǎn)矩為 600 gf.cm），減速比為 369:1，而直徑 8mm 的空心杯電機(jī)減速比只有 64:1。 國產(chǎn)微型空心杯+減速箱的當(dāng)前價(jià)格約 1-2 千元，進(jìn)口不帶減速器價(jià)格為其 2 倍。Maxon 的 6mm 直徑無刷空心杯電機(jī)， 不帶減速器，售價(jià)為 4675 元，但兆威機(jī)電同直徑產(chǎn)品僅售價(jià) 1818 元，國產(chǎn)價(jià)格具備較高性價(jià)比。
2.2 競爭格局：玩家持續(xù)增多，有望快速實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代
中高端領(lǐng)域中，空心杯電機(jī)市場基本被外資廠 商壟斷，2023 年外資企業(yè)市場份額達(dá)到 85%以上。但國內(nèi)布局工業(yè)用 空心杯電機(jī)的企業(yè)較多，如鳴志電器、兆威機(jī)電、拓邦股份、鼎智科技和偉創(chuàng)電氣等，有望快速切入機(jī)器人領(lǐng)域，實(shí) 現(xiàn)國產(chǎn)化降本。
三、傳動(dòng)方式：諧波減速器尚有差距，絲杠國產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯
如前所述，傳動(dòng)中用到價(jià)值量比較大的零部件主要為減速器和絲杠，繩索、螺桿等價(jià)值量較低，因此我們重點(diǎn)展開研 究減速器和絲杠。
3.1 減速器：降速增扭，已有多家完成手部諧波減速器開發(fā)?
一級(jí)傳動(dòng)采用減速器的方式較多，其主要作用為增強(qiáng)扭矩與控制精度。從性能角度看，諧波減速器精度一般低于 1 弧 分，行星減速器和蝸輪蝸桿高于 1 弧分。從傳動(dòng)效率看，行星減速器和諧波減速器的傳動(dòng)效率均大于 85%，遠(yuǎn)高于蝸 輪蝸桿的 30-40%。從價(jià)格上看，手指上搭載的微型諧波由于工藝難度更高，單價(jià)目前在 7000 元，若長期大批量生產(chǎn) 有望降低至 800-1500 元/個(gè)。行星減速器單價(jià)一般為小幾百元。
其中壁壘較高的為諧波減速器。諧波減速器的壁壘在于生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫積累，要對(duì)各種工況各種需求都有相應(yīng)的調(diào)參能力。 國內(nèi)外產(chǎn)品差異：壽命、噪聲、溫升和穩(wěn)定性。國產(chǎn)諧波減速器主要表現(xiàn)為使用壽命較短、精度保持性差、傳動(dòng)效率 不高、噪聲大、負(fù)載小。性能的差異主要源于原材料（海外如納伯斯特克用的是山陽特鋼）、加工精度、熱處理等。 成本：規(guī)模迭代決定成本優(yōu)勢(shì)。從成本結(jié)構(gòu)看，諧波減速器直接材料、直接人工和制造費(fèi)用占比分別為 25%、31%、28%， 未來規(guī)模和設(shè)備自動(dòng)化提高后，成本有望顯著下降。且頭部規(guī)模迭代快的公司，有望獲得規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
哈默納科已經(jīng)完成手指微型諧波減速器研發(fā)，哈默納科 23 年年報(bào)顯示，公司開發(fā)了用于人形機(jī)器人手部的迷你執(zhí)行 器 RSF-3C 及 RSF-5B，集成諧波減速器、無刷伺服電機(jī)及編碼器于一體，并展示這些微型減速器可以用于手指關(guān)節(jié)， 每根手指配置 2-3 臺(tái)，目前已搭載至東京大學(xué)靈巧手設(shè)計(jì)方案中。
國內(nèi)綠的諧波和非上市公司宏勤自動(dòng)化科技也有研發(fā)手部微型諧波減速器，總體價(jià)格約 1000-2000 元。綠的諧波 24 年中報(bào)顯示，其超小型諧波減速器可以做到最小外徑為 6mm，適用于智能機(jī)器人手指關(guān)節(jié)。宏勤自動(dòng)化科技產(chǎn)品目錄 顯示，其 2020 年已經(jīng)研發(fā)出可用于機(jī)器人手指關(guān)節(jié)的迷你小型諧波減速器，目前適用的直徑有 13/20/30mm 三種。 由于人形機(jī)器人帶來行業(yè)研發(fā)靈巧手諧波減速器熱潮，預(yù)計(jì)后續(xù)更多的公司將研發(fā)完成用于手部的諧波減速器。當(dāng)前的減速器玩家上市公司主要包含綠的諧波、雙環(huán)傳動(dòng)、豪能股份、同川科技和國茂股份等。
3.2 絲杠：具備較高的承載力和精度，在精細(xì)化工作場景中具備必要性
隨絲杠技術(shù)成熟，靈巧手采用絲杠的概率有望大幅提升。在 2024 年北京機(jī)器人展覽上，KGG 展出 4mm 直徑的行星滾柱 絲杠，以及直徑 1.5mm 的行星滾珠絲杠；此外 KGG 還展出了集成了行星滾柱絲杠方案的靈巧手。淘寶網(wǎng)顯示，KGG 超 小絲杠軸徑 3mm 售價(jià)為 950 元/根。
由于人形機(jī)器人帶來行業(yè)研發(fā)靈巧手絲杠研發(fā)熱潮，預(yù)計(jì)后續(xù)更多的公司將研發(fā)完成手部的滾珠絲杠和行星滾柱絲杠。 當(dāng)前的絲杠上市公司主要包含北特科技（維權(quán)）、貝斯特、五洲新春、鼎智科技、斯菱股份等。各公司公告顯示，當(dāng)前 KGG 和 新劍傳動(dòng)已完成手部絲杠研發(fā)，五洲新春正在研發(fā)中。
四、傳感器：精度存在差異，國產(chǎn)產(chǎn)品滿足一般場景
4.1 電阻式和電容式觸覺傳感器有望成為主流
特斯拉 GEN2 采用的方案預(yù)計(jì)采用了壓力式觸覺傳感器，像素?cái)?shù)量約為 8*12，我們預(yù)計(jì)單機(jī)價(jià)值量約數(shù)百元。其主要 分為電阻式、電容式和壓電式等方案。整體從成本角度看電阻式和電容式有望成為最終方案。 手部傳感器中價(jià)值量最大的是觸覺傳感器。特斯拉第二代人形機(jī)器人 GEN2 發(fā)布，增量主要是觸覺傳感器，我們?cè)敿?xì) 解讀觸覺傳感器賽道技術(shù)路線、產(chǎn)業(yè)內(nèi)公司和供應(yīng)鏈等。
4.2 靈巧手需要大面積低精度皮膚+高敏感指腹
當(dāng)前觸覺傳感器主流技術(shù)方案是電阻式：主要有兩種具體方案：a.接觸電阻方案，通過改變極板之間的接觸面積和接 觸緊密度來改變電阻。例如零感科技的泡棉方案，通過在發(fā)泡材料的內(nèi)部投入導(dǎo)電物質(zhì)，可以把其當(dāng)成開口的圓環(huán)， 在下壓的過程中，開口逐漸縮小，材料的導(dǎo)電性會(huì)逐漸提升，進(jìn)而反應(yīng)了接受的壓力。b.導(dǎo)電顆粒方案，又稱隧穿方 案，通過在彈性材料內(nèi)部填充導(dǎo)電顆粒，通過按壓導(dǎo)致導(dǎo)電顆粒間間隙的縮小，進(jìn)而帶來電阻的變化。
我們預(yù)計(jì)有三種觸覺搭配使用將成為長期主流：a.熱感；b.大面積低精度的反饋；c.高精度反饋（如指腹）。預(yù)計(jì)會(huì)將 三類方案結(jié)合在一起使用，分別是電阻式、電容式、熱輻射式。 電阻式：大面積覆蓋，可用于手臂和身體部位。優(yōu)勢(shì)在于組裝簡單，易于大批量生產(chǎn)，柔性更高，壽命更長，可靠性 強(qiáng)，成本低，耐高溫和高壓。我們假設(shè)手掌手背 4 個(gè)+身體部分共計(jì) 2 平方米。 電容式：用于指腹以辨別紋理。電容式適用于高精度場景，如新能源電池制具的檢測(cè)、判斷觸摸物體的類型和盲文的 檢測(cè)等。 熱輻射式：可布局在指縫間感知溫度。通過熱輻射和紅外線去檢測(cè)人或金屬的靠近，可以實(shí)現(xiàn)非接觸的感知，判斷是 否有熱源靠近，用于規(guī)避危險(xiǎn)。
國內(nèi)外觸覺傳感器差距主要體現(xiàn)在國內(nèi)成本低但精度略低。（1）成本差異：海外產(chǎn)品在核心原材料等與國內(nèi)區(qū)別不大， 國內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格低廉。（2）性能差異：海外產(chǎn)品在精度（3-5%）、技術(shù)和外觀的細(xì)節(jié)方面比較領(lǐng)先，鈦深產(chǎn)品精度 3-5%， 力感科技產(chǎn)品精度 5%，普遍產(chǎn)品精度在 10%左右，足夠滿足終端用戶目前的使用場景需求。
4.3 競爭格局：外資占據(jù)大部分份額
全球觸覺傳感器主要廠商有 Tekscan、Pressure Profile Systems、Sensor Products Inc.等，全球前三大廠商共約 占有 65%的市場份額。 國內(nèi)布局了觸覺傳感器的公司有蘇州能斯達(dá)電子（漢威科技）、墨現(xiàn)科技、力感科技、瑞滸科技等、埔慧科技、帕西尼 感知科技、韌和科技、他山科技、柔宇科技、宇博智能、常州福普生、上海澄科電子、常州柔希電子等。
上市公司中主要包括漢威科技、蘇試試驗(yàn)、弘信電子和柯力傳感。1）漢威科技，旗下子公司蘇州能斯達(dá)已建立穩(wěn)定納 米敏感材料體系，2024 年上半年，傳感器營收 1.55 億元；2）蘇試試驗(yàn)，原有產(chǎn)品技術(shù)同源，可直接遷移，2024 年 上半年?duì)I收 9.16 億元；3）弘信電子，壓力傳感器領(lǐng)域有所積累，2024 年上半年?duì)I收 30.37 億元；4）柯力傳感，觸 覺傳感器已啟動(dòng)與多家企業(yè)、院校的合作，同時(shí)以自研模式進(jìn)行研發(fā)，目前尚處于研發(fā)驗(yàn)證階段。
（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息，請(qǐng)參閱報(bào)告原文。）
（轉(zhuǎn)自：未來智庫）
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