《灵巧手：人形机器人硬件迭代核心模块》钛祺智库报告分享|灵巧手：人形机器人硬件迭代核心模块|电动机|电机|绕组|转子|钛祺|铁芯

灵巧手是人形机器人未来硬件迭代空间最大的功能模块之一。灵巧手模仿人手的结构和功能，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。根据我们测算，目前单只人形机器人灵巧手成本约2.8万元，我们预计产业化成熟后，单只价值量有望降低到1.5万元，在人形机器人整机成本中占比约14%。我们预计2030年人形机器人灵巧手全球市场空间约568亿元，2023-2030年市场空间复合增速约35%。

一、灵巧手：模仿人手的结构和功能，机器人末端执行的工具

1.1 灵巧手：模仿人手的结构和功能，是机器人末端执行的工具

 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。

 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

 灵巧手模仿人手的结构和功能，在机器人与环境的交互中起着关键作用。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。如特斯拉机器人“灵巧手”使用较为经典的六电机驱动方式，和人手一样同样使用5个手指，拥有11个自由度，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，可完成搬运、浇花、实现装配任务、抓取电动工具等动作。

1.2 灵巧手发展历程：

1.2 结构设计方案：大多为仿生结构设计

 目前大多的多指灵巧手外观多为仿生设计，手指关节等内部结构主要有机械式传动（如齿轮传动等）、腱绳传动方式、软指手、刚柔结合结构、特殊构型、仿生生物关节等。

1.3 人形机器人灵巧手：当前单价约5万元/只，存在降本空间

特斯拉Optimus灵巧手、因时机器人的仿人五指灵巧手RH56BFX、RH56DFX系列，是人形机器人灵巧手的典型代表。根据因时机器人官网，仿人五指灵巧手单价约5万元/只。

1.3 人形机器人灵巧手：产业化成熟阶段，BOM成本占比约14%

1.3 人形机器人灵巧手：预计2030年全球市场空间约568亿元

二、传动体系：多种传动方式并存，可结合应用实现优势互补

2.1 灵巧手传动形式：连杆传动、齿轮传动、带传动、线绳驱动四类

2.2 以北航BH-985为例，灵巧手融合三种传动方式

北航BH-985灵巧手布局完全仿人，5个手指安装在手掌上，每个手指有三个指节，整手共有11个自由度。每个手指的指节都设计成空心，便于指端力传感器和角位移传感器在手指内部走线。

 拇指、食指和中指：每个手指有3个自由度，此三个手指能够满足对物体实现灵活操作的功能；

 环指、小指：设计成起到辅助抓持作用的手指，只有一个自由度，共用一个电机驱动，三个指节的运动采用连杆传动，耦合在一起。这两个手指不仅起到提高抓握稳定性的作用，而且使整个手在外观上完全仿人，增加了手的美观性。

2.3 齿轮传动：实现灵巧手精准位置控制

 由于齿轮传动具有效率高、传动比恒定、结构紧凑、工作可靠、寿命长等优点，因此各个手指的近关节和拇指、食指、中指的中关节等11个位置都采用齿轮传动。

 该设计满足结构紧凑的要求，并且有助于实现精确的位置控制，且为了考虑齿轮通用性、减少加工困难，将这11处圆锥齿轮传动设计成完全相同的形式——齿轮1通过销联接的方式与十字轴的长轴固联，电机通过齿轮2带动齿轮1转动，使拇指实现侧摆运动。双联齿轮活套在十字轴的长轴上，齿轮3通过双联齿轮及齿轮4，带动拇指实现屈曲运动，其中齿轮4活套在十字轴的短轴上并通过销联接与拇指近指节相固联。食指和中指的近关节十字轴传动与拇指类似。

2.4 钢丝绳传动：柔顺伸缩助于灵巧操作

 北航BH-985灵巧手在拇指、食指和中指的中、远指节采用了柔性好、伸缩性小的进口钢丝传动。

 钢丝绳传动利用钢丝绳的拉力实现力和运动的传递，具有柔顺性好的优点，适合用于灵巧操作。但由于零件的尺寸小，钢丝绳与绳轮的固定式需要解决的问题；另外，钢丝绳式弹性元件，刚度较低，长时间使用后容易出现塑性变形，产生松弛现象，因此使用后需要进行张紧。

2.5 连杆传动：提供较大抓持力，精准控制存在难度

 北航BH-985灵巧手的环指和小指分别只有一个自由度，该手指的电机安放在手掌上，电机驱动近指节运动，中指节和远指节由近指节通过连杆机构带动，实现耦合运动。

 连杆机构刚度好，有利于在力度抓持时提供较大的抓持力，连杆传动能够实现中心距较大的传动；但由于中指节和远指节的运动与近指节存在耦合关系，因此其转角由近指节转角所决定，难以实现精确的位置控制。

三、驱动系统：空心杯电机应用广泛，国产替代进行时

3.1 灵巧手具有多种驱动方式，电机驱动为主流方式

 动力源/驱动方式：根据驱动系统可分为液压驱动、电机驱动、气压驱动、形状记忆合金驱动四类。

 电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式。电机驱动具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。特斯拉optimus、优必选人形机器人灵巧手等都选择了电机驱动方式。

3.2 空心杯电机：实现高效率与稳定运行，是灵巧手的最佳选择之一

 空心杯电机的主要组成部分包括空心杯绕组、转子组件、传感器组件、法兰、轴承、磁轭等，永磁体作为转子，绕组作为定子，三相定子绕组采用绕线杯结构，电枢绕组以自支撑的形式分布在气隙中，绕线杯式绕组式实现消除齿槽转矩的关键部件，定子组件是由三相对称分布的绕组、磁轭、引出线焊接板等组成，转子组件主要是由轴承、永磁体和转子护套组成。

3.2 空心杯电机：实现高效率与稳定运行，是灵巧手的最佳选择之一

 空心杯电机与其他电机的主要区别是使用了绕线杯式电机绕组，这种新型结构由于没有冲齿槽结构，减小了电机运行时的磁阻力矩和齿槽引起的转矩脉动，降低了电机运行过程中的能量损失，使电机性能得到了极大的提高，具有节能、效率高、灵敏度高、运行稳定等特点。因此，空心杯适用于高续航（如智能手表、健康监测器）以及结构紧凑的机器设备（如机器人、无人机）等领域，满足其对高效、节能、小型化的电机的需求。

3.3 空心杯电机：应用于航天航空，医疗，机器人等多个领域

3.4 预计2028年全球空心杯规模达到83亿元，CAGR达8.5%

 空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。空心杯电机能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（普通铁芯电动机一般在15-50%）。空心杯电机作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。

 根据华经产业研究院，2022年全球空心杯电机市场规模约为51.0亿人民币，预计2028年市场规模将达到83.0亿人民币，期间复合年均增长率约8.5%。

3.5 人形机器人：打开空心杯市场需求，2030年市场有望达到132亿元

3.6 竞争格局：海外厂商占据市场龙头，国产替代进行时

 中国与欧洲为空心杯电机的主要市场，但高端市场仍被欧洲企业主导。根据QYResearch数据，2021年中国和欧洲的空心杯市场份额分别占全球总市场的34.8%、25.9%。

 空心杯全球竞争格局高度集中，目前海外厂商为主。全球空心杯电机市场的主要制造商包括瑞士MAXON、德国FAULHABER、瑞士PORTESCAP、美国Allied MotionTechnologies公司，这四家顶级制造商占据了市场份额的65%以上。由于瑞士、德国等欧洲以及北美厂商对空心杯电机研发较早，具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺，行业地位较高，因此产品竞争优势明显，形成一定程度垄断。而国内大多数厂商主要受制于核心技术的突破。

3.6 竞争格局：海外厂商占据市场龙头，国产替代进行时

 国内外空心杯电机制造商在软实力和硬实力均有一定差距。硬实力的差距主要集中在电机材料选用、本体设计和机电控制方案配置，国外企业具有先进的加工镀膜工艺与更扎实的电机材料理论研究、小尺寸电机设计能力强和上千种方案进行驱动配置; 软实力的差距主要集中于市场影响力、客户资源、品牌声誉与市场认可度等。

 国内厂商在生产效率、产品寿命、精度方面，较海外厂商仍存在一定的技术差距。在产品设计层面上，国内厂商与国外先进厂商相比尺寸精密度有差距，国外企业小尺寸电机设计能力强，直径最小尺寸可至6mm，MAXON和FAULHABER的无刷空心杯电机尺寸可达4mm和3mm，而国内企业少有12mm以下尺寸的空心杯电机产品。在相同的8mm直径、6V额定电压的有刷空心杯参数对比下，国内电器在功率、最大效率的表现较国外厂商有一定差距。

3.7 绕线工艺：空心杯制造重要环节，以斜绕形和马鞍形为主

 空心杯电机的生产工艺主要分为四个步骤：铁芯制造、线圈绕制、转子制造和电子调速器的组装。其中，铁芯制造是生产过程中的关键环节，需要精确的加工和组装工艺。线圈绕制则是将铁芯和线圈进行组合，制造定子。转子制造是将磁钢和轴承进行组装，制造转子。最后再将电子调速器和传感器进行组装。

 空心杯电机常用的线圈绕法有直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形在绕制工艺上相对简单,国内外绕线机多采用这两种方式。

3.8 直绕式：集中绕组的优化与挑战，提升槽满率与端部尺寸

 直绕式是指元件有效导体部分与电枢轴线平行的绕组，属于集中绕组。绕制时先按匝数要求在绕线模上绕制成普通环形的漆包线元件，在排线芯轴上按绕线组展开图连成绕组，两端部涂以适当的粘结剂并固化成型。

优点：槽满率较高，绕线杯中部壁薄。

 缺点：由于绕制线圈时漆包线排布不整齐有堆叠，故整个电枢杯线圈排布较乱，且排线时端部须留有走线余量，从而导致端部尺寸较高。

3.9 斜绕式：融合简易操作与高效生产，槽满率存在挑战

斜绕式也称蜂房式绕组，采用蜂房式绕发制成，中间留抽头，为了能连续绕制，必须使元件有效边和电枢轴线成一定倾斜角度。

 优点：端部尺寸较小。斜绕组以其绕线工艺简单易操作被广泛应用，国外两大知名空心杯电机生产公司德国某公司和瑞士某公司均采用斜绕组电枢杯，采用先进的绕线工艺技术，采用自动化设备一次性绕制成型，合格率 100%，绕组杯平整度、一致性很好。

 缺点：由于斜绕式连续绕制需要一定的排线角，使得漆包线交叠，槽满率较低。

3.10 马鞍形：提升磁体效率与降低材料消耗，绕制质量与效率较低