股权生态圈 | 机器人系列报告之（五）—人形机器人灵巧手

随着工业自动化和人工智能技术的不断进步，机器人正逐渐从单一的重复性任务执行者转变为能够执行复杂、多变任务的智能体，因此需要有更加智能和灵活的末端执行器。而灵巧手的设计灵感来源于人类手部的复杂结构和功能，它使得机器人能够执行诸如抓取、操纵、甚至感知等多样化任务，极大地扩展了机器人的应用范围和操作能力。灵巧手作为人形机器人关键部位之一，其价值量约占机器人总成本的20%。

机器人的自由度是指其机构能够独立运动的关节数目。自由度影响灵巧手的灵巧操作能力，自由度越高，灵巧手可以进行更多样的抓取工作。驱动源的数量则直接影响灵巧手的自由度大小，按照自由度与驱动源数量的关系可分为全驱动和欠驱动灵巧手。全驱动灵巧手驱动源与自由度数量相等，操作灵活度高；而欠驱动灵巧手驱动源数量少于自由度，缺失驱动源的部分进行耦合随动。就真实人手而言，单只人手共有21个自由度，是发挥功能的重要器官。因此，灵巧手也是人形机器人发挥功能的重要载体。

由于真实人手具备高自由度、结构紧凑等特征，绝大多数机械手无法完美复刻人手的功能，需要依据特定情景权衡简化，针对驱动装置、传动装置等核心部件在性能最优化和成本最低之间合理折中。

资料来源：小米科技、郑悦《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》

驱动源是影响灵巧手体积和重量的重要因素，主要驱动方式包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。电机驱动最为常用，其优点包括使用方便、能量转化率高、机构速度变化范围大，噪声较小，控制灵活、精度高。液压驱动适用于大力抓取，主要用于工业机械手，适合大型抓取作业，但体积过于庞大。气压驱动因为难以实现精确的位置控制，常用在简单的抓持手，不能实现多关节的灵活运动。形状记忆合金驱动经过变形后加热到一定温度，可以恢复到之前的形状而产生力驱动灵巧手的运动，但无法长时间工作，并且疲劳强度较低。综合对比可知，电机驱动是最适合灵巧手批量生产使用的方式。

资料来源：刘伟等《机器人灵巧手研究综述》、严玺《仿人灵巧手的结构设计及其控制研究》、蔡世波等《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》

空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机，在结构上突破传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，其电枢绕组为空心杯线圈，彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时，转子结构变化带来了电机运转特性的极大改善，具备铁芯电机难以达到的控制和拖动特性。但缺点在于控制精度方面可能不如直流无刷电机。综合来看，空心杯电机方案能效高，适合电池供电且长时间运行的灵巧手。

直流无刷电机控制精度和稳定性较高，稳定规则的磁场分布可实现对灵巧手精确的速度和位置控制，还具有良好的稳定性，在复杂的操作中能保持可靠运行。此外，直流无刷电机的转子结构相对更坚固，能够承受更大外力和高速旋转产生的离心力，因此寿命较长。但它的转动惯量相对较高，导致响应速度比空心杯电机稍慢。

无框力矩电机能够实现极其精细的力矩输出控制，可以为灵巧手拿捏微小物品或进行高难度动作提供高度准确的力量把控。同时，无外框结构使得无框力矩电机能够中空布局，更加紧凑，并且没有电刷带来的摩擦损耗，电机寿命也更长。但无框力矩电机特殊的结构和高精度的设计要求，要实现适配灵巧手的尺寸就对加工设备、工艺都有很高的要求，因此成本可能较高。

特斯拉Optimus Gen1&2灵巧手的电机驱动方案采用空心杯电机模组，但从其最新公布的Optimus Gen3全新灵巧手方案来看，由于手部模块大部分集成到前臂，体积限制问题得以解决，空心杯电机的体积优势减弱，因此空心杯电机和无刷电机均有望被采用。但现阶段空心杯电机为主流。

资料来源：立鼎产业研究院、WEG电机、电子发烧友，中信建投证券

灵巧手的传动装置一般可以分为三级：（1）第一级：位于电机侧，主要为减速器，起到的作用是精度调节；（2）第二级：最重要，负责动作执行和操控，通常采用丝杠或锥齿轮等结构；（3）第三级：主要是腱绳和连杆等，将动力传递至手指末端。二级传动和三级传动在应用上没有明显区分，厂商会根据目的和场景综合选用方案。

减速器是电机与转动装置之间的桥梁。减速器是一种连接动力源和执行机构的机械装置，作用是降低伺服电机的高转速，同时放大伺服电机的原始扭矩。

从性能对比来看，谐波减速器的精度一般在1弧分以下，而传统行星减速器的精度则在1弧分以上，且多级减速器的精度会逐步减弱。但现阶段谐波减速器的价格一般是行星减速器的2-3倍，微型谐波减速器价格更高，因此大部分厂商的灵巧手方案也在考虑使用行星减速器。另外，新一代行星减速器体积小、精度能做到1弧分以下，且传动效率高于谐波减速器，因此也是人形机器人量产时的重要方向。

资料来源：绿的谐波招股说明书、中大力德招股说明书、纳博特斯克官网、中信建投证券等

灵巧手的二级&三级传动系统对操作的稳定性和灵活性有重要影响，传动方式主要有连杆传动、腱绳传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动几种。

连杆传动是通过铰链或滑块来实现运动和动力传递，可承受较大的载荷，实现长距离传动。但连杆机构必须通过中间部件传动，容易产生较大的累积误差，传动效率较低。如因时机器人仿人五指灵巧手采用连杆传动方案，具有6个自由度和12个运动关节，结合力位混合控制算法，可以模拟人手实现精准的抓取操作。

连杆传动灵巧手机械结构图

资料来源：HAPTAC哈普泰克，华安证券研究所

齿轮/蜗轮蜗杆传动是通过齿轮或者蜗轮蜗杆拉动驱动器和手指间的弹簧来驱动手指产生动作。该方案力控精确，传动精度高，传动扭矩大，可靠性较强；但结构复杂、重量大、抗冲击能力弱、故障率较高、成本高，也难以实现远距离传动。如北航研制的BH985灵巧手，采用连杆+齿轮传动，体积和自重较大。

齿轮/蜗轮蜗杆传动示意图

资料来源：宋振东《基于欠驱动原理的多指灵巧手结构设计及实验研究》，国金证券研究所

腱绳传动是目前应用较为广泛的方案。腱绳传动基本工作原理是置于灵巧手前臂中的电机先驱动滚珠丝杠，借助滚珠丝杠上的螺母将转动变为平动，螺母上缠绕着腱绳，通过拉动另一边连接在灵巧手手指上的腱绳，实现手指绕关节轴的转动运动。腱绳传动方案使得大型的驱动器远离执行机构，易于指骨小型化，并能为传感器和电气线路提供足够布局空间。同时也减轻末端的负载和惯量，具有控制灵活、结构简单、柔性高的特点，特别适合自适应的抓取动作。但腱绳传动存在负载弱、预紧力不稳定且绳索有弹性，干扰控制的精确性等不足。

腱绳驱动结构示意图

资料来源：徐彤彤《多指灵巧手动力学与操作控制技术研究》，华安证券研究所

资料来源：刘伟《机器人灵巧手研究综述》、严玺《仿人灵巧手的结构设计及其控制研究》等

目前特斯拉Optimus Gen3灵巧手的传动方案从之前的蜗轮蜗杆+腱绳机构方案变成了滚珠丝杠+腱绳机构的方案。蜗轮蜗杆和丝杠均能够改变运动方向，但蜗轮蜗杆适合需要高减速比和自锁性的场景，特别是在灵巧手中用于关节固定或稳定负载的位置控制。而滚珠丝杠通常不具备高减速比功能，其机械减速能力取决于螺距（导程）。滚珠丝杠更适合需要高精度和高效率的传动任务，比如快速且精确地调整关节位置或实现复杂抓取动作，并且使用寿命更长。在特斯拉的引领下，滚珠丝杠+腱绳传动的方案有望获得广泛采用。

资料来源：KHK官网，华鑫证券研究

据中信建投估算，以特斯拉Optimus Gen3为例，在人形机器人整机量产10万台、50万台、100万台的不同情景下，单只灵巧手的成本预计将分别降至3.34万元、2万元、1.2万元，对应的灵巧手市场空间预计分别是60亿元、181亿元、362亿元。当人形机器人整机产量达到500万台时，灵巧手市场规模将达到1,087亿元。其中，微型电机、丝杠、减速器等比重较大。

特斯拉Optimus Gen-3灵巧手自由度从11提升到22个，预计单只手对应的电机数量将从原本的6个提升到13-17个，据推测主要采用的是空心杯电机。

按照目前进口空心杯电机的单价（Maxon公司单价约4500元），以及国产产品的单价（鸣志电气产品单价约1500元），假设灵巧手进入量产时代，进口电机和国产电机价格分别较现在下降40%和50%，量产100万台灵巧手（对应50万台人形机器人）带来的空心杯电机市场增量约75-270亿元人民币。

资料来源：企业官网、市场调研

空心杯电机市场仍以外资为主，核心的壁垒在于绕线。以Maxon等为代表的外资厂商因为具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺，全球空心杯电机市场占有率约70%。空心杯电机生产的关键是线圈的生产，因此其核心壁垒主要在于线圈设计、绕线工艺以及绕线设备。先进的空心杯绕线工艺和设计一直被海外厂商掌控，且海外设备价格昂贵。目前国内厂商如鸣志电气、鼎智科技、伟创电气等正在积极布局空心杯电机，随着国产绕线机的持续突破，国内厂商有望打开高端空心杯电机的市场空间。

以特斯拉人形机器人为例，主要在旋转关节和灵巧手方面使用减速器。特斯拉灵巧手驱动方案采用空心杯+行星减速箱的方案，按其最新公布的单只手对应的13-17个电机，主要采用空心杯电机来估算，预计单只手需要10个行星减速器。而旋转关节减速器方案未最终敲定，目前公开的Optimus全身有12个旋转关节（包括颈部、肩部、肘部、腕部、腰部、膝部、踝部），对应12台谐波减速器需求。若以此估计，量产100万台机器人时行星减速器单价降至100元，谐波减速器单价降至600元，则行星减速器对应的市场空间为20亿元，谐波减速器对应的市场空间为72亿元。

目前谐波减速器和行星减速器的最终使用方案还未完全确定。新型行星减速器体积小、精度高，且传动效率高于谐波减速器，在量产时也是旋转关节的重要选择方向。而全球减速器龙头哈默纳科（HD）开发了集成微型谐波减速器、无刷伺服电机、编码器于一体的微型执行器，可用于灵巧手，具有负载能力强、可靠性高、小型化的特点。尽管现阶段加工难度大、成本高，但随着逐步量产，微型谐波传动方案也是未来灵巧手可参考的一个方案。从技术趋势和成本考量，谐波减速器和行星减速器或在相当一段时间内并存。

国外厂商占据减速器高端市场，国产厂商向上突破。谐波减速器领域，市场相对集中，日本企业哈默纳科占据高端市场，全球市占率近8成。绿的谐波、杉川谐波、同川科技等国产厂商的国内市占率合计约50%，国产高端谐波减速器较哈默纳科仍有一定差距。精密行星减速器领域，供给格局相对分散，主要玩家包括日本新宝、纽卡特等国外巨头，国内科峰智能、纽氏达特和威腾斯坦等厂商引领国产替代。

丝杠是将旋转运动转化为直线运动的部件，电机通过联轴器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。

特斯拉机器人迭代最大的边际变化是丝杠用量持续增加。特斯拉Optimus Gen3灵巧手指端使用丝杠+腱绳的方案，单手微型滚珠（或滚柱）丝杠使用量最多可能提升至约17根，用量大幅增加。再加上全身14个线性关节采用行星滚柱丝杠，特斯拉Optimus人形机器人预计使用各类型的丝杠数量最多达到48个左右。

资料来源：SKF、柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》，华鑫证券研究

根据目前的行业信息，灵巧手所使用的微型滚珠丝杠的单价在300元左右，而线性关节所使用的行星滚柱丝杠单价在万元级别，单台人形机器人丝杠价值量约为150,200元。预计未来大规模量产有望带来成本的下降，假设微型滚珠丝杠单价降至约60元，行星滚柱丝杠单价降至1000元，单台人形机器人丝杠价值量为16,040元。若人形机器人量产100万台，则丝杠新增市场容量为160亿元，其中微型滚珠丝杠新增20亿元，新增行星滚柱丝杠140亿元。

高端丝杠领域外资品牌占据龙头地位，国产产品起步较晚，正在发力追赶。外资品牌舍弗勒基于长期技术积累、客户合作和产业整合等方式占据行业龙头地位，主导高端精密丝杠市场。国内产品受限于磨削等工艺、设备等方面限制，在精度、可靠性等指标与国外头部企业相比仍有提升空间。但部分国内优秀玩家也逐步基于原有的能力禀赋（如基于工业母机、车用丝杠等工艺和设备储备）切入人形机器人丝杠产业布局，国产丝杠正逐渐被高端应用领域认可和采用。

国投泰康信托长期关注机器人及核心零部件赛道。我们认为，2025年或将是人形机器人量产元年，灵巧手作为核心组件，是人形机器人落地应用的关键，也是人形机器人中价值量最高的组件之一。随着人形机器人的逐步放量，灵巧手相关的核心零部件包括空心杯电机、丝杠、减速器等也有望迎来快速发展，国产供应链也将受益于产业浪潮及人形机器人降本需求带来的份额增长。