2024人形机器人行业系列报告（二）：动力、传动、传感灵巧手分析框架与零部件选型.docx

行业研究动力、传动、传感：灵巧手分析框架与零部件选型人形机器人行业系列报告（二）1、机器人灵巧手设计与关键技术61.1 、灵巧手发展历史61.2 '灵巧手的分析框架72、欠驱动与全驱动：灵活度设计92.1、 全手自由度设计92.2、 单关节双自由度实现112.3、 自由度优先级123、动力源3.1、 动力源分类133.2、 动力源位置及数量153.3、 电机与减速器选型174、传动4.1、 腱传动244.2、 连杆传动264.3、 齿轮传动274.4、 特斯拉灵巧手275',专苫工5.1、 灵巧手的感知系统285.2、 外部传感器29521、触觉传微器29522、接近传感器335.3、 '内部传感器345.3.1 '力/力矩传感器345.3.2 、动作传感器356、投资建议7、风险分析图目录图1：机器人末端执行器6图2：灵巧手发展历程7图3：灵巧手分析框架8图4：人手自由度分析9图5：人手骨骼结构9图6：人手六种基本抓取模式10图7：人手常用动作及比例10图8：Culkosky抓取分类法10图9:Robonaut2主手指（食指+中指）11图10：Omnihand11图11：DLRHandII12图12：BH-985灵巧手自由度配置12图13：McKibben人工肌肉结构13图14：FESTOExoHand13图15:微液压驱动的仿Th灵巧手14图16：ThenewFRH-4hand14图7：采用记忆合金驱动的Hitachi灵巧手14图18：驱动器内置与外置15图19:DLR-I灵巧手16图20:HIT/DLRHandII灵巧手原型16图21：不同灵巧手驱动器数量统计17图22:maxonECflat32/45盘式电机19图23:HIT/DLRHandIl灵巧手的基关节部分20图24:HIT/DLRHandII灵巧手的驱动和传动系统20图25:Dexhand手指驱动原理20图26:Dexhand手指驱动单元20图27：ILimbUltrahand手指结构21图28：IDLAhand的驱动器配置21图29：有刷空心杯电机结构图21图30：无刷无齿槽电机结构图21图31：不同电机参数比较（转子惯量）22图32：不同电机参数比较（转矩密度）22图33：灵巧手机械传动结构23图34:PisaIITSoftHand的肌腱布线25图35：腱绳传动手指25图36：连杆传动手指示意图26图37:bebionic连杆26图38：齿轮传动灵巧手27图39特斯拉每个灵巧手具有6个执行器28图40：蜗轮蜗杆传动原理图图41：灵巧手的感知系统28图42：HIT/DLRHandII灵巧手的传感器系统29图43：触觉传感器的发展过程30图44：CALT-18仿人灵巧手微型指尖二维力传感器31图45：指尖六维力/力矩传感器原型及弹性体31图46：DLR/HITHandII型五指灵巧手指尖用柔顺性触觉传感器31图47:腾讯TRX-Hand31图48:BiOtae多模态传感器32图49：GelSight多模态传感器32图50：智元机器人SkiIIHand32图51：OmniTact视触觉传感器32图52:仿Th摩擦纳米发电机电子皮肤33图53：自解耦软磁皮肤33图54：接近传感器33图55：腾讯灵巧手TRX-Hand掌心处安装接近传感器33图56：具有轮辐形挠曲件的光学扭矩传感器34图57：腱张力传感器结构与弹性体35图58：微型光学腱张力传感器35图59：关节角度位置传感器36图60：关节角度位置传感器36图61：用于测量肌腱曲率的弯曲传感器36图62：灵巧手设计框架39表目录表1：常见几种动力源的特点比较13表2：典型灵巧手与配套电机17表3：灵巧手涉及电机的详细参数18表4：不同电机类型对比19表5：不同传动方式对比23表6：不同灵巧手的传动系统24表7：腱绳驱动灵巧手中腱绳材料的选择26表8:不同触觉传感器技术路线特性比较29表9：DLRHandII每个手指中的传感器配置34表10：常用腱绳张力测量方式34表11：常用位置传感器及其特点351、机器人灵巧手设计与关键技术机器人中操作和动作决策的执行输出工具在机器人学领域被称之为末端执行器(End-Effector)末端执行器是机器人执行部件的统称，一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。末端执行器按其功能可以分为两大类，即：工具类和抓手类。工具类末端执行器是根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口的机器人专用工具，可以直接实现具体的加工工种、Th产工艺或日常动作；抓手类机器人末端执行器恰如人的双手，担负着执行各种动作、抓持和操作的任务。机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。图1:机器人末端执行器资料来源：翦世潴机器人多指灵巧手的研究现状'越势与挑1.1、 灵巧手发展历史20世纪70年代，在日益增长的工业需求的推动下，灵巧手的概念逐步形成，并产Th了许多简单的灵巧手。这一时期的代表性成果有日本的OkadaHand和通用公司(GM)的HandymanHand等。20世纪80年代，随着相关技术的快速发展，灵巧手的应用范围逐渐扩大，很多国家和地区都开始着手于灵巧手的研制。这一时期的灵巧手不但具备了多手指、多自由度，而且初步具备了力/力矩、位置感知功能。由于技术水平的限制，驱动元件(如电机、气压驱动(气动)肌肉等)尺寸较大，为保证灵巧手尺寸与重量，采用犍驱动将驱动元件放置在灵巧手外是当时的主流设计思路，主要代表性成果有Utah/MITHand'Stanford/JPLHand等'>20世纪90年代，随着驱动元件体积减小与电气系统集成度的提高，灵巧手体积迅速减小，并且在手指数目、自由度数、传感器的丰富程度等方面有所提高。这一时期的灵巧手开始注重手掌的构型设计，以提高灵巧手的抓取能力，代表作品有UB-IIHand、DLR-IHand、DISTHand等。由于采用了新型的驱动器，DLRIHand得以将驱动系统、电气系统以及传感器系统都集成在灵巧手内部，被认为是当时世界上最复杂、集成度最高的灵巧手。21世纪以来，多指手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能化和灵巧操作水平得到了新的提升。由于实现了电气系统的完全集成化和数字化，DLR-II手与主处理器之间的连线数量从DLR-I手的400多条减少到8条。图2:灵巧手发展历程1974日本电 于技术实验 Okada1982英国新坦福大学 SlanfordiJPL1983美国麻 1984日本日1 1994饱国宇 1998意大利 1999类国字管理工学院立公司： 航中心 然内曼大宇 航局和犹他大定Hitachi . DLR-I DIST RobonautUattvMtT2000谈国宇 航中心DLR-II2004 H * 星大学Gifiblll2004英国Shadow 公 司 ShadoW2010 NASA 和美武，军通用公司GM Robonuat 21984澹华大学 TH-VTH2用1993用北京航空航天大学跚蝴4.BH-98520世圮90年代以后,陋着计算机微电21世汜以来，多指手进入了TyS步提子手微电机等技术的发展多指手进霰的发厩阶段多拈手的集成化'智能入了一个蟒斯的怏速发展阶段（匕和灵巧慢作水平祥到了新的提升资料来源：口博;1空间机器人多自由度灵巧手关螳技求研究'蟆世波（机器人多指灵巧手的研究现状'心势与挑战）1.2、 灵巧手的分析框架从应用领域来看,目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。航空航天领域对性能的要求较高，对成本不敏感，如美国宇航中心（NASA）的RobonautHand、德国宇航中心（DLR）的DLRHand、Dexhand；医疗假肢是目前少有的已实现商业化批量制造的领域，如OttOboCk的BebionicHandMichelangeloHand；工业领域灵巧手目前由少数协作机器人夹爪企业所引领，如SCHUNK公司的SCHUNKSVHHand、Festo公司的FestoExoHand；而科研领域主要由全球知名高校主导，灵巧手的设计思路较为开阔。从灵巧手设计层面来看主要有全驱动和欠驱动两种。DOF为手指关节的自由度，DOA为由驱动器控制的自由度。若DOA小于DOF，则为欠驱动结构；若DOA等于DOF，则为全驱动结构。全驱动手的代表包括RobonautHand、ShadowHand、DLRHandIl等，分别使用了14/20/12个驱动器，通过对每个自由度的独立控制，达到对灵巧手出色的掌控效果。但考虑到鲁棒性和功能性之间的取舍，欠驱动灵巧手成为更主流的选择。其优势在于通过合理的结构设计以少于手指关节自由度的驱动器，从而降低整只手的系统复杂度，同时提高可靠性。从驱动源来看，目前灵巧手的驱动源包括电机、液压、气压、形状记忆合金等。从传动方式看，灵巧手的传动方式主要包括腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆等。从结构形式来看，主要有外置式、内置式、混合置式。随着电机和控制电路的小型化发展，除了某些全驱动/腱绳传动的灵巧手外，内置式已成为灵巧手设计的发展趋势。其优点在于，通过将驱动、传动装置放置于灵巧手内部，可实现灵巧手的模块化设计，有利于灵巧手与机器人本体的无缝切换。图3:灵巧手分析框架结构形式传动方式灵巧手分析框架设计层面驱动源应用领域混合置式内置式外置式齿轮/蜗轮蜗杆连杆传动腱传动液气形压压状驱驱记动动合忆电机驱动欠驱动全驱劫工业/科研健康/义肢航空航天资料案源：蔡世池机器人多指灵巧手的研究现状壮势与挑战、光大证券研究所绘制2、欠驱动与全驱动：灵活度设计从自由度与原动机数量上来看,可将其划分为欠驱动灵巧手和全驱动灵巧手。欠驱动灵巧手原动机的数量少于被控制的灵巧手自由度，没有驱动源的关节则是进行耦合随动。全驱动灵巧手则是原动机数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。欠驱动灵巧手优点在于易于控制，但拟人性不强，稳定性有所欠缺。由于耦合关节结构简单，所占空间小并具备可控性，如今大部分灵巧手都是欠驱动灵巧手。相对于欠驱动灵巧手，全驱动灵巧手的手指更加灵活，省去了无驱动手指关节的耦合机构，但由于驱动器增多，导致体积变大、安装困难并且灵巧手的控制变得更加繁琐。2.1、 全手自由度设计人手骨骼结构：手指：食指、中指、无名指和小指分别由3块指骨和