机器人传动新方案

近期，Lex Fridman新一期节目与马斯克进行2小时的深度对话，也是他对马斯克的第4次访谈，关于自动化驾驶和机器人的部分摘录如下：

1、关于端到端的训练。 “我们从没教过它阅读，但它像人类一样通过视频去学习。AI需要大量计算和能量投入，但这并不是它的终点，随着时间推移这些模型会变小，而我们追求用100w或更小的计算和能量消耗下产生合理的输出。”

2、关于成本。 ”我们重新设计了完整的执行器。机器人的设计制造方法与汽车相同，我认为最终我们制造Optimus的成本会低于一辆汽车，因为它的质量小得多，且执行器更少”

3、关于灵巧手。 “测试的目标之一就是通过观察、视觉的方式捡起一根线头并穿过针孔，目前看来，实现这个目标大概需要一年的时间，我们在汽车上所做的工作都会转化到机器人上。汽车和机器人都是通过视频进行理解的，汽车是四轮，而Optimus是一个有四肢的机器人，某种程度上很相似。”

4、灵巧手可能向更精密的方向发展。 前期哈默纳科表示公司的灵巧手产品每根手指都采用了3个减速装置，我们推测大概率是用于手指的微型谐波，其质量和体积更小，且能获得更高的绝对定位精度和重复定位精度。而本次采访提到的穿针引线的功能已经在手术机器人上实现了，采用谐波方案。

5、谐波与微型谐波更贴合T的诉求（与空心杯电机不冲突）。 与其他结构相比，谐波方案的扭矩密度更高、质量更小，架构更简单，我们认为这与马斯克提到的关于成本观点更符合。考虑到规模效应极致情况下的成本结构，微型谐波更轻、更小，还存在较大的降本空间。

马斯克重点提到了灵巧手，灵敏度目标是穿针引线，且预期1年后实现，结合HD本周交流会重点提到灵巧手上设计的新产品， 灵巧手再次引起市场关注。

1、关于手指谐波/行星： 目前T的方案是三级微型行星减速器+绳驱（速比4*4*20），谐波相比于行星最大优势在于精度和背隙，要达到马斯克访谈提到的“穿针引线”，微型谐波是一个值得尝试的方案。目前微型谐波的问题主要是成本、传动效率和速比上限，如果未来空心杯电机能做到低转速+更高扭矩密度，微型谐波+空心杯的方案值得期待。另外，没有用谐波替代行星就不能用空心杯电机的说法，空心杯电机仍是手指最优解。

2、腰部丝杠： 理论上来说，所有的旋转和线性传动都可以互相转换，腰部用丝杠替代谐波是可行的，国内部分本体厂商也尝试过。但目前还没确定其可行性，有待进一步观望。值得注意的是，在临近定点定型的关键时期，结构设计上不太会有大的改动，现在的主要目标是在现有设计框架上进一步提升执行器的传动效率。

3、灵巧手绳驱： 目前国内玩家以杆式结构为主流方案，手术机器人以及shadow、fllex等顶尖灵巧手品牌使用绳驱为主。绳驱的优点是节省空间+自由度上限高，使手做的更小更灵巧；缺点是普通材料的绳子容易断以及形变导致力控精度不够。如果能使用合适材料和工艺克服易断和形变问题，绳驱或是更优方案。

一、什么是灵巧手：既是一种单独作业的高端末端执行器，也是人形机器人重要的一环

灵巧手是为多任务 而研究开发的一种智能型通用机械手，灵巧的抓取 是任务操作的先决条件。 灵巧手不仅仅是人形机器人的一部分，在人形机器人大规模发展之前，灵巧手多作为一种末端执行器存在，在 机器人与环境的交互中起着关键作用。

国外的灵巧手研究已有50多年历史，最早来自日本电工，国内哈工大、北航较为领先。 1974年，日本电工实验室研发的Okada灵巧手，是严格意义上的第一款灵巧手，上世纪80年代，灵巧手的研究大幅度增加，其 中具有代表性的是斯坦福大学研发的Stanford  Hand，2001 年， 哈工大（HIT） 联手德国宇航中心 （DLR） 共同研发了一种利用齿轮以及连杆传动的 HIT/DLR灵巧手。

图：几个典型的灵巧手

人手（不含腕关节2个自由度及4个被动自由度）共有21个主动自由度。 定义每根手指闭合屈曲(Flexion)的方向为Pitch，那么对于Pitch方向的自由度：食指-中指-无名指-小拇指-大拇指每个都有3个，所以总计为3*5=15个；对于Roll方向的自由度：食指-中指-无名指-小拇指，在每根手指的指根关节（Metac Arpophalangeal Joint）都有1个Roll，而大拇指则比较特殊，具有2个Roll，所以Roll方向l总计为4+2=6个。那么整体人手的自由度为15+6=21个。（不含腕关节2个自由度及4个被动自由度)。     

图：人手自由度分析

灵巧手目前设计面临的最大难题是空间狭小而自由度极多。 当下解决这个难题有两个方向： 1）采用欠驱动方式 （全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的 自由度数量相等，欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数 目，缺少驱动源的部分则进行耦合随动），牺牲一定灵活性减少电机数量； 2）将电机布置转移至前臂 ，采用拉线方式从远端控制灵巧手的关节，但缺陷是拉线机构随着使用，精度会逐渐变化，机构复杂易损坏，因此尚不具备实用性。

表：灵巧手研究历史    

机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动合力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动，传动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响灵巧手体积重量的重要因素，但是 抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动系统，按照传动方式可分为以下几种：

腱传动：由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者软管实现传动。 线绳在一定程度上模拟了人手的 肌腱结构，线绳传动使得大型的驱动器远离了执行 机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓取的速度， 它排布灵活，适合空间狭小且需要驱动自由度数目 较多的传动场合。但它也有自身的局限性，如带负 载能力弱，预紧力变化大，负载越大效率越低等。

连杆传动：连杆传动多用于工业和商业用途，多个连杆 串并联混合的使用形式较为常见。 手指的运动和动 力由刚性连杆传递，能够抓取大型的物体且结构设 计紧凑，可以完成包络抓取。但是在远距离的控制 上就比较困难，容易发生弹射，抓取的空间较小。

齿轮/蜗轮蜗杆传动：齿轮传动在工业机器人中应用比较广泛，它 能获得稳定的传动比，传递效率高，可靠性更强。 但齿轮本身的质量加大了整体的质量和惯性。带传动结构简单且传动平稳、可以起到缓冲作 用，能在大的轴间距和多轴间传递动力，同时具有 价格便宜、不需润滑和维护便利等优点。    

表：灵巧手传动方式对比

二、灵巧手的构成：基本构成是电机+减速器+编码器+驱动器，优化构成是传感器（力传感+电子皮肤）

特斯拉Optimus灵巧手有6个驱动器和11个自由度。 该灵巧手可以拿动重量20磅（9.1公斤）物体，可操作一些器械，或抓取小型物体等。它有一个手内控制器，可以驱动手指并接收传感器反馈，传感器反馈对于了解我们正在抓取的物体和本体感受非常重要，这是让我们能识别我们手的空间位置的能力。另外，Optimus有一个不能反向驱动的手指驱动装置，这种装置能够使机器人能够握住并运送物体，而不需要打开手部电机。

特斯拉Optimus灵巧手使用较为经典的六电机驱动方式+蜗杆传动机构+绳驱系统，后续或升级改进。 大拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动。电机采用蜗杆传动机构的目的与腿部直线伺服如出一辙，采用机构自锁降低能耗。为追求形态美观及自适应性，手指采用绳驱的传动机构，马斯克表示选择绳驱系统的主要原因是采用金属线缆做肌腱，可靠性还是很高的。同时肌腱方案能量消耗较低，我们可以在人手上找到用肌腱和弹簧类似的方案。我们用肌腱收缩，用弹簧舒张。其次，因为要快速量产，所以不会等到所有问题都解决后。我们想把机器人部署在工厂，看看机器人有什么用。当然这是特斯拉的第一版，后面一定会有2.0、3.0 手部架构会升级。

图：特斯拉人形机器人灵巧手

因时的灵巧手同样集成了6 电机驱动，但采用了刚性连杆结构，通过内置力传感器，使得灵巧手兼具可靠性和控制柔性。 该灵巧手内置灵敏的压力传感器，通过设置不同的阈值方便用户进行不同、硬度物体的抓取，简洁高效的接口控制指令可使用户快速实现对灵巧手的操控，优质的性能使该灵巧手应用于服务机器人、教学教具、假肢等领域。 根据因时官网报价，一个防人五指灵巧手的零售价格在4.5-6.3万元。

图：因时机器人灵巧手、微型伺服电缸

从核心零部件看，灵巧手的单个执行器模组涉及电机、减速器、编码器（位置传感器）、驱动器、力传感器（可选）、触觉传感器（可选）。

特斯拉Optimus： 我们推测其灵巧手构成为 空心杯电机 + 多级行星减速器 + 编码器 + 驱动器 ，空心杯电机一般采用无刷空心杯电机为主， 因为空心杯电机多呈现高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，一般都会集成2-3级的行星减速箱，在编码器端，按照驱动原理一般需采用高低速两件编码器，高速做电机拖动FOC，低速端记录实际输出位置；驱动器端未披露相关信息，根据灵巧手Tier 1专家透露可能采用3个驱动器（1拖4），传感器端（比如说指尖的3D Touch触觉传感器（电子皮肤），或是集成在空心杯关节端的微型单维力传感器），从去年发布的信息看似乎是缺少的，但考虑到抓取操作端的需求，指尖力感知能力是进行灵巧与柔性操作的刚需，我们认为未来特斯拉更成熟的产品或增加此部分。

因时机器人：包括电机（马达）+减速箱+编码器（位置传感器）+驱动控制板+力传感器+推杆组件。

从产业趋势看，我们认为灵巧手的发展有以下两个趋势：

考虑到核心零部件的发展方向是向小体积、大功率密度、低成本和可量产去靠拢， 我们认为手部关节有模组一体化趋势，即单个厂商供应电机+减速器+编码器等一体化的产品，类似因时的微型伺服电缸（单手6个驱动对应6个微型伺服电缸），官网零售报价在1000-4000元/个。

随着灵巧手发展&进化，对传感器的需求在增加，用于机器人的触觉传感器主要包括两大类：用于机器人精准力控的单体六维力/力矩传感器和用于机器人手指、表面的阵列式触觉传感器，也被称为电子皮肤。 传感器的性能直接决定了灵巧手的操作能力，首尔大学的研究团队研制出了一种新型的Magnetic Synapse Sensor用于触觉反馈。并且提出了具有磁性突触传感器的多关节机器人手指的综合设计方案，传感器灵敏度为0.016mV/kPa，传感范围为350 kPa。清华大学孙富春教授团队将一种新型的阵列式触觉传感器（电子皮肤）集成到一款12自由度的灵巧手上，该传感器最大量程20N，尺寸为15mm*15mm，可以在灵巧手指尖上较好的装配，并且在最后进行了抓取实验，传感器的性能较好，在迟滞性、重复性测试上都展示出较好的实验结果。    

图：灵巧手结构示意图（每个手指指尖均配有阵列触觉传感器）及抓取实验

三、相关标的

特斯拉关节模组总成商【鸣志电器】，我们预计价值量在1.2万元（不考虑供应驱动器）/1.7万元（考虑供应驱动器）。 鸣志电器已有产空心杯电机（本体）、精密行星减速器、编码器生产能力，且目前正处于和T客户送样测试中，确定性和弹性兼具，此外具备驱动器生产能力(子公司瑞士T Motion生产的驱动器，技术对标以色列ELMO，能与空心杯电机搭配形成微驱系统)，若未来供应，弹性进一步加大。

空心杯电机商【伟创电气】。 伟创电气 ECH13系列空心杯电机产品直径13mm、空载转速85000rpm、最大输出功率58W、最大额定转矩7mNm，效率可达90%，机械时间常数达1.52ms， 综合性能优于鸣志、MAXON、FAULHABER等国内外头部厂商，后续将进一步研发10mm、8mm、6mm及100000rpm的更高功率密度的产品 （而国内转速主要集中在30000或60000rpm以下）； 目前人形机器人相关产品处于开发验证阶段，预计23Q4/24Q1进行送样测试，明年会有小批量放量。

其次，考虑到未来灵巧手的优化多在传感器端（模组厂商不具备生产能力），力矩传感器领先玩家多在一级市场（坤维科技、宇立仪器等）， 能够供应高端阵列式触觉传感器产品的厂商基本为国外厂商，上市标的 【柯力传感】、【康斯特】、【汉威科技】。

柯力传感： 公司已经进行了多款扭矩传感器、多维力传感器等产品的送样和试制。与此同时，公司围绕“人形机器人”所涉及的触觉、视觉传感器积极寻求对外投资机会（ 未来大概率可和帕西尼展开合作，帕西尼自研的触觉传感器在分辨率、灵敏度、耐久度等参数上处于国际领先水平 ）。

康斯特： 具备超高精度（0.01%-0.05%）的压力传感器生产能力，技术能力往力矩传感器迁移有一定协同性，但仍需时间去研发突破，公司目前观点是“暂未涉及，未来大规模放量，不排除涉及”。

汉威科技： 控股子公司苏州能斯达（上市公司持股56.48%）已研发并量产柔性传感器，目前产能在1000万只/年，预计大批量量产后单个机器人柔性传感器（电子皮肤）价值量在2000元/机器人。