报告出品方：国金证券

以下为报告原文节选

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1.什么是机器人灵巧手？1.1灵巧手是指数≥，自由度≥9的末端执行器

灵巧手是机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人学领域属于末端执行器的范畴。从运动学的观点看，灵巧手需满足两个条件：指关节运动时能使物体产生任意运动、指关节固定时能完全限制物体的运动，按照运动学理论，满足上述条件至少要个手指和9个自由度。因此，我们定义灵巧手是指数≥，自由度≥9的末端执行器。例如日本的TWENDY-ONE机器人，其灵巧手拥有4根手指和1个自由度。

1.2机器人灵巧手的前世今生

从形态和功能上看，灵巧手经历了两指夹持器、多指抓持手和多指灵巧手三个发展阶段：

两指夹持器

两指夹持器通过模仿手指的夹持运动来抓持物体，能够在执行动作的同时夹住和松开目标物体。其优点是结构简单，运动形式稳定，工作可靠，在工业现场常应用于目标零部件的夹取、搬运、换位、装配等。但由于缺乏手指的灵活性，不能对复杂形状的目标进行抓持，无法对目标物体实施操作。该类夹持器已有多种标准化的产品，例如德国SCHUNK公司的气动平行爪夹持器、FESTO公司的气动夹持器等。

多指抓持手

多指抓持手按照功能不同分为联动型抓持手、多关节手指抓持手和软体多指抓持手。联动型抓持手一般为三指或四指结构，工作原理与两指夹持器一样，由于采用多指设计，可以对目标物体实施多触点抓持，提高了抓持的成功率和可靠性，但是依然缺乏灵活性和目标物体的适应性。多关节手指抓持手在其手指上设置多个关节，具有对目标物体进行仿形接触和抓持的可能性，扩大了抓持范围，能够提高抓持的稳定性和可靠性。软体多指抓持手在抓取物体时可根据物体形状更自然妥帖地调整形态，在操作易碎品或不规则物体(如鸡蛋、蔬果、个性化零件等)方面具有优势。

多指灵巧手

机器人多指灵巧手的研究始于20世纪70年代，一共经历了三个阶段：?第一阶段是从20世纪70年代——20世纪90年代。这一阶段有款典型代表产品，分别是日本的Okada、美国的Stanford/JPL和Utah/MIT。这三只灵巧手是研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。1）年日本“电子技术实验室”成功研制了Okada灵巧手，它有根手指和1个手掌，拇指有个自由度，另外两根手指各有4个自由度。手指的每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，可以完成螺栓拧进螺母等操作。2）20世纪80年代初美国斯坦福大学成功研制了Stanford/JPL灵巧手，该手有个手指，每指有自由度，手指使用n+1腱(n个手指)设计，即每个手指采用4条腱绳传递运动和动力，整手使用12个直流伺服电机作为关节驱动器。与Okada相比，Stanford/JPL手的灵活性有较大的改善，但其控制系统也更为复杂。）年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了Utah/MIT灵巧手，该手具有4个手指，每个手指有4个自由度，采用2n腱（n个手指）传动设计，整手共2个驱动器。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指，都连接手掌且相对于手掌进行运动。

第二阶段是从20世纪90年代到年。受益嵌入式硬件的发展，这一阶段的多指灵巧手有着更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。例如：

1）美国研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonauthand，由1个手腕和5个手指组成，共14个自由度，由于使用了腱绳张力传感器，整手的运动控制更加准确。2）德国宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手，共集成了25个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，灵巧手在灵活性和感知能力方面有显著提升。）意大利IIT研制的iCub灵巧手集成了12个触觉传感器，48个压力传感器和17个位置传感器以实现灵巧的操作和丰富的感知能力，系统集成度的提高和感知能力的丰富使得多指手在操作时更加灵巧。

第三阶段是从年至今。第二阶段高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是系统的复杂性导致制造成本较高，并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此，简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的一个重要方向。例如，立命馆大学设计的RitsumeikanHand、以及HERIHand、SPRINGhand等灵巧手采用了欠驱动（驱动器数量少于手指关节自由度）的结构设计实现了系统简化。欠驱动手虽然以简化的系统实现了抓取任务，但是由于欠驱动自身特性使得操作能力受到限制，所以目前灵巧手难以同时具备鲁棒性和功能性。

2.机器人灵巧手有哪些类型？机器人灵巧手在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上存在较大区别，这主要是因为灵巧手采用的驱动系统不同。灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。灵巧手在驱动器位置、驱动器类型、传动方式方面存在多种方案，据此可将灵巧手分为若干种类型。

2.1根据灵巧手驱动器位置划分

灵巧手可根据驱动器位置分为驱动器内置式、驱动器外置式和驱动器混合置式灵巧手。驱动器外置驱动器外置灵巧手有两个优点：第一，驱动器外置使得机械手本体的设计可以在足够的空间内展开，从而使得灵巧手的外观设计更加拟人化，手指本体更加纤细。第二，驱动器选型可以更加自由，可以采用更大的驱动电机，从而增大手指的输出力。驱动器外置灵巧手的典型代表产品包括美国的DARPAExtrinsic灵巧手、NASA（美国宇航中心）和GM(通用公司)联合研制的Robonaut2灵巧手。DARPAExtrinsic灵巧手由美国国防部研制，该手具有5个手指，其电机和传动系统都集成在前臂，被称为Cobot。前臂Cobot由1个0W的动力电机和15个操纵电机组成。动力电机是Cobot的主驱动元件，沿该电机的输出轴布置着5个圆盘，每个圆盘内都集成有个CVT装置。CVT装置由操纵电机、位置传感器、动力传动球、操纵辊和同步齿轮组成的，能够根据需要调整转矩和速度。Robonaut2是NASA和GM联合研制的灵巧手，该手有18个活动关节、12个自由度，手与腕部的所有电机和电路以及电源线和来自上臂的通讯都集成在前臂内，其中，电源线有6根。手的有效负载超过9kg，手指在充分伸展时可以承受2.25kg的指尖力，指尖速度超过mm/s。

驱动器外置灵巧手也有两个缺点：（1）驱动器与手本体之间距离远，必须借助腱实现两者的连接，传感器获得信息并不能反映灵巧手手指关节位置和关节驱动力，增加了控制器设计的难度。（2）可维护性差，当某跟腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。驱动器内置

相比驱动器外置，驱动器内置式灵巧手各关节具有较好的刚性，更利于传感器的直接测量，且模块化设计利于更换维护。但是驱动器的内置分布让通信和控制难度加大，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大，关节灵活度下降。驱动器内置式灵巧手典型代表产品包括德国宇航中心(DLR)于研制的面向空间应用的多指灵巧手Dexhand，以及哈尔滨工业大学和DLR公司研制的DLR/HITII。德国宇航中心研制的DLR/HITII灵巧手为了应对复杂的空间环境，将驱动器及电气系统都集中在手掌内，并通过2mm厚的铝质外壳来屏蔽电磁干扰，降低温度影响。DLR/HITII灵巧手尺寸为人手的1.5-2倍，具有1个独立的手掌和5根模块化手指，每根手指集驱动、传感、控制等为一体。其中，拇指与手掌之间有一个类似人手的外张/收敛自由度，可以通过配置拇指的位置来满足不同的抓取要求。

驱动器混合置部分

灵巧手采用驱动器外置和内置相结合的方式，这种设计可以提高手指的输出力矩，保证较高自由度的同时，控制体积大小。例如意大利的iCub和韩国的RoboRay灵巧手。意大利iCub灵巧手有20个活动关节、9个自由度。9个电机只有2个集成在手掌内，另外7个集成在前臂里。韩国三星公司年研制了RoboRay灵巧手，该手具有五根手指，12个自由度，7个大载荷的驱动器放置在前臂内，提供主要的抓取力，实现包络抓取，并将5个小载荷的驱动器放置在手掌内，用来改变手指姿态，实现精确抓取。

混合置式灵巧手将一部分驱动器放在手臂，既保证了驱动力，也降低了灵巧手本体的体积，使得灵巧手更加拟人化。同时，灵巧手本体内置一部分驱动器，也有利于传感器的直接测量。但另一方面，混合置灵巧手仍然具有外置式的缺点，例如需要借助腱绳传动，增加了维修难度。从未来的发展趋势上看，随着微驱动、微传动器件技术提升，多指灵巧手的研究将会向着模块化、微机电集成化方向发展。2.2根据灵巧手驱动器类型划分

常见的灵巧手驱动器包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。其中，电机驱动为主要驱动方式。电机驱动

电机驱动是利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动工业机械手，以获得所需的位置、速度、加速度。电机驱动是技术较为成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手所采用。电机驱动的灵巧手的驱动形式可以分为旋转型驱动和直线型驱动。采用旋转型驱动的灵巧手以Stanford／JPL手为代表，其驱动系统由直流电机和齿轮减速机构组成，因而体积较大，驱动系统只能放在手掌部位，通过腱进行手指关节的远距离驱动。

近年来，微型驱动器和减速器的发展为手指驱动系统的微型化和集成化创造了条件。例如，德国的DLR灵巧手采用直线型驱动器来驱动关节，其直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机都集成在灵巧手内部。该灵巧手采用了模块化的设计思想，由四根完全相同的手指组成，每根手指有4个关节，个自由度，末端的2个关节仿照人手设计成1:1的耦合运动。

气压/液压驱动

气压/液压驱动灵巧手的工作原理是通过动力元件推动工作介质(液体或气体)在缸体内产生压力差而驱动执行元件，与其他驱动方式相比，液压和气压驱动具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点。气压驱动

气压驱动灵巧手的典型代表有德国Festo公司的气动灵巧手、上海交大联合MIT开发的气动灵巧手等。以德国Festo灵巧手为例，该手采用柔性硅胶和气动波纹管材料作为手骨骼框架，具有极强的柔顺性和安全性。当波纹管构成的密闭空间内充满气体时，在压力差的作用下波纹管发生形变使手指产生弯曲运动；反之，当气体从波纹管构成的密闭空间内排除时，手指恢复初始伸展状态。此外，拇指和食指还具备特殊的气动单元结构使其不仅能够实现伸屈运动还可横向移动，同时通过合理的布局和结构设计，整个灵巧手的12个自由度仅由8个气动制动器就能完成驱动。这种气压驱动的仿生灵巧手存在两方面不足：（1）由于气压的控制相对较难导致灵巧手运动过程中会出现不平稳的情况；（2）气压驱动的相关驱动元件体积较大，不便于实现机械和驱动单元的集成化设计。

液压驱动

在气压驱动的启发下，StefanSchulz等人研制出微液压驱动的仿生灵巧手。该仿生灵巧手共有8个关节，关节处集成有柔性流体执行器，执行器由集成在手掌内部的微型液压系统进行驱动。当充液时，手指关节处的柔性流体执行器会产生压力差从而驱动手指关节产生弯曲运动。当放液时，柔性流体执行器内的压强减小，此时手指关节在关节处嵌入扭簧产生的扭力作用下恢复到初始的状态。

液压驱动设计存在以下点不足：（1）与气压驱动类似，液压驱动依然会存在运动不平稳现象，导致仿生灵巧手无法进行手指位置的精确控制；（2）将液压驱动元件集成到手指指体结构中造成手指结构冗杂，影响灵巧手的抓握性能。（）液压系统集成在手掌内部，高度集成化、轻量化的设计，导致灵巧手的抓握输出力较小。

SMA（形状记忆合金）驱动

形状记忆合金是一种能记住自身形状的一种合金，当其发生永久变形后，若加热到某一温变形前的形状，具有驱动速度快、负载能力强等优势，但与其他金属一样，存在疲劳和寿命问题。日本在年成功研制了Hitachi手，该手由个4自由度手指和1个拇指构成，采用了形状记忆合金（SMA）驱动。国内中国计量大学等也有相关研究，研发出了基于形状记忆合金的三指灵巧手，通过增加SMA的使用量来实现较大驱动位移输出。

综合比较四种驱动器类型，电机驱动的综合性能更好，具有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是目前技术成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手采用。

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（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

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