灵巧手可模拟人手的各种灵巧抓取和复杂操作,智能化、灵巧化程度逐渐提升,未来有望随着人形机器人和AI发展在工业、商业、航空航天、医疗等领域应用。
1. 灵巧手是特殊的末端执行器,持续向智能化、高灵活度发展
1.1 灵巧手是一种高度灵活的末端执行器
灵巧手属于机器人抓手类末端执行器。末端执行器是一种安装于机器人腕部末端的执行输出工具,是执行部件中机器人与环境相互作用的最后环节,高度体现了机器人的工作性能和使用柔性。一般而言,末端执行器按照功能可以分为两大类:工具类和抓手类。①工具类末端执行器是一种基于工作的具体需求专门设计且具备标准化接口的机器人执行工具,可以直接实现机器人的生产加工或日常动作,常见的工具类末端执行器有喷枪、涂胶枪、点焊机、毛刺打磨机、吸盘等。②抓手类末端执行器类似人的双手,可以执行各类抓取和操作工作,具体包括两指夹持器、多指抓持手和多指灵巧手,其中多指灵巧手即为本文定义的灵巧手,其是以人手的结构和功能为模仿对象的特殊末端执行器。
灵巧手具有高度灵活性、复杂性特点,可灵活执行抓取、操作任务。抓取动作可分为三大类:中间抓取、精准捏取和强力抓取,三种抓手类末端执行器的抓取动作执行能力对比如下:
两指夹持器结构简单,可以用于部分指面抓取运动,但手指灵活性差,无法抓持复杂目标和对目标物体实施具体操作。
多指抓持手通常具有3-4个手指,且手指上设置多个关节(多为被动关节),较两指夹持器抓持性能增强,但仅可执行部分依赖指面的指面抓取和强力抓取动作,精准性、稳定性、包络自适应性差。
多指灵巧手则可模拟人手的各种灵巧抓取和复杂操作,从而实现与环境的良好交互。为达到灵巧性要求,多指灵巧手至少需要3个手指和9个自由度,手指关节的运动副通常采用转动副,以便有效模拟人手,通过指关节运动抓取和操作目标物体。灵巧手凭借多自由度手指以及拇指额外的内/外旋运动可以良好实现强力抓取、精准捏取、中间抓取(三类手势动作使用比例达85%),满足大部分手部动作需求,能适应多种不同的对象和任务。
1.2 灵巧手发展历程
自20世纪70年代以来,多指灵巧手主要经历了三个发展阶段,逐步向智能化、灵巧化、抓取精准化方向发展。
20世纪70年代后以多自由度、多感知、可控制为标志的现代灵巧手产生。①1974年日本电工实验室研发的灵巧手Okada是现代意义上的第一款灵巧手。该手为三指灵巧手,共有11个自由度,可以进行连续平滑的抓取运动。②麻省理工研发的Utah/MIT和斯坦福大学研发的Stanford/JPL手采用多关节多自由度的模块化结构设计(手指完全相同),灵活性较Okada有所提升,为后续灵巧手的研发做出重要铺垫。
20世纪90年代以后,灵巧手呈现集成化设计,使得灵巧手得以配备更复杂的驱动系统和更丰富的感知系统。该阶段计算机技术迅速发展,使得灵巧手控制系统的信号处理能力和复杂控制算法的计算能力得以增强,大规模集成电路和微电机又促进了多指灵巧手的集成化设计。该阶段灵巧手研发活跃,如DLR-I手、NASA Robonaut手等。①德国宇航中心研发的DLR-I手采用微型直线驱动器,得以将所有的驱动器集成在手指或手掌内部;DLR-I手感知功能丰富,每指配备28个传感器,包括触觉传感器、关节力矩传感器、关节位置传感器、速度传感器和温度传感器等。②美国NASA研发的NASA Robonaut手具有5指,共14个自由度,控制性能较强。整手共有43个传感器,构型方面与人手相似,具有冗余关节,抓取适应性提高。
21世纪以来,灵巧手的集成化、智能化和灵巧操作水平实现新提升,向深度仿生发展。例如:①德国宇航中心研发的DLR-Ⅱ手在DLR-Ⅰ基础上优化,基于全数字机电集成化概念设计,对直流无刷电机驱动+谐波减速器+齿形皮带传动进行优化组合,使得每个手指指尖的输出力从10N增加到30N,手与主处理器之间的连线从第一代的400根大幅减少到12根。DLR-Ⅱ手具有高度集成、多传感器、抓取精确等突出特征。②我国自2000年以来,在灵巧手研究方面有所发力。HIT/DLR II手由哈尔滨工业大学联合德国宇航中心研制,采用体积小、重量轻的盘式电机驱动和谐波减速器+齿形皮带的传动方案,重量仅1.5Kg。③华盛顿大学研发的Washington Hand基于仿生设计原理,利用人造关节囊、韧带、肌腱和弹性滑轮结构设计,复现了人手的韧带和关节特征,使得抓取更加灵活可靠。
2. 灵巧手具有多种类型解决方案
2.1 灵巧手解决方案分类
多指灵巧手的解决方案不同,其灵活性、可操作性、可靠性等各项性能指标也会有所差异。灵巧手的解决方案主要涉及到驱动器、传动系统、是否欠驱动三个方面。驱动器是驱动系统的核心部件,主要作用是产生运动和力;传动系统则负责将运动和力从驱动器传递到灵巧手手指的关节;是否欠驱动涉及到自由度与驱动源数量之间的设计安排。灵巧手在驱动器类型、传动方式、自由度设计方面存在多种解决方案,可据此将灵巧手进行分类。
2.1.1 从驱动方式来看,电机驱动是主流
1)电机驱动技术成熟,是灵巧手中应用最为广泛的驱动方式。①从工作原理看,电机驱动即通过电动机产生力或力矩,然后直接或者经过减速器减速后驱动多指灵巧手,其中最常选用直流电机驱动。②从运行特点看,电机驱动具有控制方便、响应速度快、输出力矩稳定等优点,虽然直流电机无法直接调控位置,但可以通过添加位置反馈系统实现高精度的位置控制,另外电机通过与减速器配合,可进一步增大输出力矩,较容易满足灵巧手对于驱动器输出力矩以及运动精度的要求,不过部分电机存在体积较大、成本较高问题。③从典型案例看,电机驱动的灵巧手代表有DLR/HIT II灵巧手、特斯拉机器人灵巧手等。DLR/HIT II采用了新型的、输出力矩大的盘式直流无刷电动机,电机重量仅15克,输出力矩增大,手指指尖输出力能够达到10N。
2)气压驱动操作简单但不满足高精度要求。①从工作原理看,气压驱动是通过气缸压缩空气产生压差作为动力源从而驱动执行部件。②从运行特点看,气压驱动具有成本低、操作简单、易于编程、响应速度快等优点,但由于气压大小受温度、湿度等多因素影响,其精度以及稳定性不高,不利于满足灵巧手的可靠性要求。另外,气压驱动设备总体体积较大,不利于灵巧手的集成化设计。③从典型案例看,英国的Shadow灵巧手采用“空气肌肉”驱动装置,通过两组空气肌肉输出力,再以腱绳进行传动至手指关节,由于压缩气体柔性强,使得其能够轻易抓取易碎和弹性物体,但由于温度、湿度的干扰,驱动气压不稳定,“空气肌肉”的控制精度较低。
3)液压驱动实现高能量密度输出驱动。①从工作原理看,液压驱动系统主要组件有液动机、伺服阀、油泵和油箱等,借助泵将液体压入封闭系统,通过液体介质的静压力推动活塞移动,从而实现驱动。②从运行特点看,液压驱动输出力矩较大,适用于大型抓取。但是液压系统庞大,小型化、便携性不足;与气压驱动相似,液压运动不平稳,导致控制的精确度不足;且因为存在液体可能泄漏和被压缩等问题,传动比不够精确。③从典型案例看,代表有Stefan Schulz等人研制出微液压驱动的多指灵巧手,该款灵巧手的手指关节处集成有微型液压系统驱动的执行器。当充液时,执行器会产生压差从而驱动手指关节产生弯曲运动。当放液时,压强减小,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状态。
4)形状记忆合金驱动为新型驱动方式,采用特殊合金材料SMA。①从工作原理看,形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆特性的合金材料,可以通过调节温度来影响其形状和机械性能,其中应用最多的是镍钛记忆合金材料,它具有三种晶体状态:孪晶马氏体、去孪晶马氏体和奥氏体,将其加热到某一合适温度时,去孪晶马氏体就能恢复为变形之前的奥氏体。②从运行特点看,形状记忆合金驱动技术具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向灵活度高的特性,利于灵巧手进行高速度及高精度的低负载装配任务。但形状记忆合金成本高,并且易疲劳,寿命较低。目前该驱动方式应用较少,代表有日本的Hitachi灵巧手。
(镍钛记忆合金材料:一种含大约50%钛的镍钛合金,由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相,即奥氏体相和马氏体相,在转变温度以上,呈奥氏体相,晶体结构为立方B2或氯化铯结构。冷却到转变温度以下会将B2结构转变为孪晶单斜结构,称为马氏体,孪晶马氏体可以很容易地通过非常规的去孪晶机制变形高达大约8%的应变。这种变形可以通过将材料加热到高于转变温度的温度来恢复,从而完成形状记忆循环。)
2.1.2 从传动方案来看,腱绳传动应用范围最广
1)腱绳传动是目前应用最广泛的传动方案。①从工作原理看,腱绳传动是指通过腱绳和缠绕腱绳的辅助装置把驱动源的力矩传送到手指各个关节上的传动方式,基本的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。腱绳传动因布置形式多变而结构不同,常见的结构形式有腱-腱鞘式、等径滑轮式和带轮传动式。②从运行特点看,腱绳传动适用于远距离传动,使得驱动器与执行器能够保持一定距离,减轻末端执行器的负载和惯量,从而提升抓取速度,提高灵活性;腱绳具有一定的弹性,为手指运动提供了一定程度的柔顺性和抓持适应性;腱绳传动中多采用钢丝、滑动轴承,可以减轻传动系统的摩擦,传递效率较高;腱绳可灵活布置,能够与丝杠、蜗轮蜗杆、链条等方案结合,在狭小空间中实现多自由度驱动。然而腱绳传动也存在部分缺点,包括负载弱、预紧力不稳定且绳索有弹性,干扰控制的精确性。腱绳传动应用较广,代表有特斯拉灵巧手、Utah/MIT手、DLR系列手、Shadow手等。
2)连杆传动采用多个连杆串并联混合形式,刚性强、机械结构复杂。①从工作原理看,以手指为例,手指指尖、二指节、三指节均为不同形状的三角形连杆,驱动连杆以及耦合连杆为直线形式,K1以及K2为复位弹簧,当K1处的驱动连杆顺/逆时针转动时,手指做屈曲/前伸运动。②从运行特点看,相比腱绳结构,连杆结构刚性强,可以实现强力抓取大型物体,连杆传动还具有抓取速度快、传动精确性高的优点。但连杆驱动较为复杂,要求零部件有较高的加工精度;相比腱绳传动,连杆传动柔性不足,使得灵巧手在抓握不规则形状物体时的包络性和自适应性较差。另外,连杆传动受机械结构的限制,不利于手指小型化和拟人化。③从典型案例看,韩国实验室研发的ILDA手采用集成连杆驱动,可以进行抓取鸡蛋、剪纸、夹装芯片和挤压瓶罐等操作。
3)齿轮传动结构复杂,限制其应用范围。①从工作原理看,齿轮传动将驱动器的旋转运动转变为直线运动,通过拉动驱动器和手指间的弹簧来驱动手指。②从运行特点看,齿轮传动具有稳定性强、精确性高、传递效率高的优点。但齿轮结构复杂,且若灵巧手手指较长、自由度要求较高,则传动所需的齿轮数目较多,使得灵巧手重量大、惯性大,限制了齿轮传动的应用。③从典型案例看,代表有北航研制的BH985灵巧手,采用连杆+齿轮传动,体积和自重较大。
2.1.3 从自由度与驱动源数量来看,灵巧手可以分为全驱动和欠驱动两大类
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。
1)全驱动灵巧手驱动源与自由度数量相等。①从工作原理看,全驱动灵巧手的每个手指关节单独配置了驱动器,使得每个手指都能实现独立控制,从而整手可以进行多种灵巧操作。②从运行特点看,全驱动灵巧手需要配置更多的驱动器,使得灵巧手成本上升、体积变大、操作复杂。③从典型案例看,全驱动灵巧手代表有MLR手、Shadow手、DLR手等,具有操作灵巧性强、成本高、操作复杂等共同特点。
2)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。①从工作原理看,欠驱动灵巧手的手指中的腱固定于手指末端,当驱动器拉动腱时,由于耦合作用使各关节转动,手指弯曲,先与物体接触的指节停止转动,其他指节继续转动,直至对物体形成力封闭构形,从而抓住物体。释放腱时,弹簧提供恢复力,使手指张开。②从运行特点看,欠驱动灵巧手驱动器少,结构较简单,硬件集成度高,重量轻,体积小,制造成本较低,易于维护;另外,欠驱动灵巧手具有被动柔顺特性,即在抓取物体时,会自动适应不同形状物体,抓取的包络性好。但是欠驱动灵巧手自由度较低,控制的精确度有所欠缺,影响灵巧手的功能操作。目前欠驱动方案应用较多,代表有DART手、FESTO手等。
2.1.4 按照材料和结构分,灵巧手可分为机械灵巧手和人工肌肉灵巧手
1)机械灵巧手:主流灵巧手方案。工作原理上,机械灵巧手多采用金属材料制作,常配备复杂的电机与控制系统,通过模仿人类手指的骨骼结构来达到模仿人类手指形态的效果。运行特点上,机械灵巧手具有刚性强、抓握力强、抓握精准的优点,但抓取适应性较差、成本高、重量大、质地硬,人机交互的体验感较差。目前机械灵巧手是最常见的灵巧手形态。
2)人工肌肉灵巧手:新型灵巧手方案,具有柔性仿生特点。工作原理上,肌肉具有高效性、灵巧性和可变性特点,人工肌肉是一系列设计得如肌节一样单轴拉伸的驱动器,典型的人工肌肉有气动型人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscles,PAMs)。PAMs由两部分组成:可拉伸的圆柱形柔性薄膜和刚性末端,这两个部分共同作用,使驱动器体积增大时,其轴向发生收缩,而周向发生膨胀,从而模仿肌节的运动。运行特点上,人工肌肉灵巧手具有柔性强、抓取适应性强、轻质化、低成本化、高灵活度特点,适用于柔性抓取、医疗康复和智能穿戴等领域。不过其抓取控制精度和抓握力略弱于机械灵巧手。典型案例有Festo公司研发的BionicSoft Hand,该款灵巧手共有12个自由度,没有任何骨骼,通过手指中的气动波纹管结构控制运动。当气室充满空气时,手指弯曲。如果气室是空的,则手指保持笔直。手指中的波纹管被包裹在特殊的3D织物护套中,该护套由弹性和高强度线编织而成,可用于精确地确定结构在何处展开并产生力,以及在何处阻止其展开。
哈工大新型4指压电机械手,采用全新驱动方案。该驱动方案的核心在于以压电陶瓷的逆压电效应作为电能至机械能的转换原理,从而利用压电陶瓷在电场激励下产生的微观变形运动实现各类物体的宏微跨尺度运动操控。具体方案设计上,压电机械手采用了“阵列组构”思想,由四个压电手指和一个手掌通过螺钉固连而成。其中,每个压电手指包含一个由数十片“分区极化”压电陶瓷正交叠加制成的核心驱动元件。在外部电场激励作用下,该驱动元件凭借逆压电效应可实现沿横向x、y轴的二维弯曲变形和沿纵向z轴的一维伸缩变形,即单个手指实现了3个运动自由度。工作原理和特性上,该压电机械手受缓慢变化的电场激励,借助其与被操控物体之间的静摩擦实现被操控物体的微步运动,而后利用快速恢复的电场激励相反的操控手势实现快速回位,快速回位过程中机械手与被操控物体产生相对滑动,被操控物体由于惯性保持已经产生的微小步距。通过连续的动静摩擦交替操控,实现被操控物体的微小步距的累积,从而实现宏观的连续运动操控,很好地解决了传统机械手难以胜任的宏微跨尺度运动操控难题。(逆压电效应:指当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失)2.1.5 按照应用场景分,可分为航空航天类、医疗类、工业类、服务类
灵巧手应用场景多样,常见的应用场景有航空航天、医疗、工业生产、服务等领域。
1)应用于航空航天。太空环境具有超低温、高真空、辐射强等特点,可以通过远程操控系统遥控灵巧手执行舱外活动。航空航天领域灵巧手具有高可靠性、高操作性要求,典型案例有Robonaut2手、DEXHAND等。
Robonaut2手:第一个实际执行航天任务的灵巧手。手部设计充分考虑航天任务需要,由5根手指、1个手掌、一个2自由度手腕和小臂组成,拇指、中指和食指为操作部分,分别有4/3/3个自由度;无名指和小指起辅助作用,均只有1个自由度;该手采用电子元件内部集成设计,通过电磁干扰测试,成功在美国国际空间站有效执行舱外操作任务。
DEXHAND采用特殊设计,适用于太空环境作业:①电子元件集成于手掌内部,手部表面采用2mm厚的特殊铝质外壳,能够有效抵抗外部温度、电磁干扰。②对电气接头进行隐蔽保护,不易脱落。③通过空间环境测试,具有抗辐射性强的特点。
2)应用于医疗领域。灵巧手常见的医疗用途有化工医药、医疗康养、医疗假肢等,其中医疗假肢对灵巧手的轻便性、灵巧操作能力、信号感应能力有较高要求,目前典型的商业化产品案例有Bebionic灵巧手。
Bebionic灵巧手具有高度仿生特性。信号处理上,肌电信号技术成熟,有效实现肌肉、灵巧手、外部物体间的交互。解决方案上,每个手指配备重量适当的独立电机,有效增强手部控制的协调性,保障舒适性;多传感器以及柔性指尖设计增强灵巧手抓握体验;使用性能上,灵巧手具备14种抓握模式,可以负载45kg,帮助使用者有效应对生活需求。
3)应用于工业生产、服务领域。灵巧手产品可以有效进行安装、分拣等生产工作,推进工业自动化,减少人工成本,提高生产稳定性。灵巧手也可以应用于商业服务和家庭服务领域,具有服务连续性、一致性、标准化特点,有效增强客户服务体验。典型案例有SVH手、因时灵巧手、DexH5等。2.2 灵巧手未来将进一步向柔性感知、结构紧凑、深度仿生方向发展
2.2.1 柔性感知技术:深化灵巧手与非结构环境的交互作用
感知技术极大地影响灵巧手与环境的交互性。①多感知信息融合:灵巧手借助力传感器、位置传感器进行抓取操作,借助触觉传感器实时传输与物体的接触信息,融合多感知信息可以增强灵巧手对非结构环境的适应能力,是未来灵巧手技术发展的重要方向。②灵巧手逐渐向深度仿生发展,对柔性感知技术和传感器的需求增加。与刚性传感器相比,柔性传感器更加适应手的不规则表面,更容易与手的表面集成,即柔性传感器可以放置在整个手掌表面,而不局限于指尖,获得更加丰富的接触信息。③案例-TRX-Hand:具有多感知信息融合+柔性感知前沿技术。2023年4月腾讯实验室推出灵巧手TRX-Hand。该款灵巧手实现了高灵敏度柔性触觉传感器阵列的大面积覆盖,覆盖领域包括指尖、指腹和掌面,其掌心处配置了微型激光雷达和接近传感器,每个关节均集成了角度传感器,使得灵巧手在与环境交互过程中能准确感知自身与物体的状态信息。同时,该款灵巧手采用了多传感器信息融合技术,使其能在抓取和操作任务中全面地获取感知信息,增强与环境的物理交互,更准确地完成操作任务。
触觉传感器模拟皮肤功能,成为人形机器人感知外界环境的重要器官。人类通过各种感官感知复杂的环境,而皮肤是人类感知外界环境的重要器官。为了使机器人代替人类在各种环境中高效、可靠、准确地完成工作,有必要利用电子技术模拟人类的各种感知。高柔性、高灵敏度的电子皮肤触觉传感器使机器人更加灵活、纤细、智能、人性化,具有重要意义。感知皮肤可以如同衣服一样附着在各种载体的表面,完成接触力的测量,不受接触面积和形状的限制,感知皮肤不仅要保证精度和灵敏度,还要有很高的柔性和弹性。按照工作原理,触觉传感器分为压阻式、压电式、电容式、摩擦电式等类型,压阻式使用更为普遍。触觉传感器是根据传感器受到力的作用后,某一参数会相应地发生变化,以此来测量出外力的大小。触觉传感器包括压阻式、压电式、电容式、摩擦电式等类型。各种类型的触觉传感器因材料的不同导致工作原理有所不同,相同的是都通过将力等外部信号转变成电信号,建立起外部信号与电信号之间的关联,通过检测电信号来检查外部信号。从产业现状来看,压阻式传感器可同时检测动静态压力,并且其灵敏度高、检测限低、制备工艺简单,使用更为普遍。2.2.2 灵巧手核心零部件向紧凑化、精密化发展
①新型驱动方案:空心杯电机/直流无刷电机/无框力矩电机
常见的应用于灵巧手的电机类型有直流无刷电机、无框力矩电机以及空心杯电机。空心杯电机为特斯拉机器人Optimus Gen-1和Gen-2的手部驱动电机,满足其灵巧手紧凑化、精密化发展需要。空心杯电机是一种微型伺服直流电机,在结构上突破了传统直流电机的结构形式,其电机绕组取消了铁芯结构设计,转子仅由线圈按照一定的排列绕制而成,具有体积小、效率高、灵敏度高、运行稳定、控制性强等特点。
空心杯电机响应快、效率高;直流无刷电机控制精度较高、寿命较长;无框力矩电机拥有精度和紧凑度优势,但是小尺寸生产难度大。①空心杯电机其结构上采用无铁芯转子,重量和转动惯量大幅降低,这使得灵巧手在执行动作时响应速度极快,起动、制动迅速,机械时间常数小于 28 毫秒,部分产品可达 10 毫秒以内,能快速精准地完成抓取等动作。同时,它效率高,能量转换效率常超 70%,部分可达 90% 以上,可有效降低能耗。此外,空心杯电机噪音低,能让灵巧手在操作时更安静,适用于对噪音敏感的环境。不过,其缺点在于控制精度方面可能不如直流无刷电机。②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配合电子控制可实现对灵巧手精确的速度和位置控制,这对于需要精细操作的任务至关重要。它的稳定性好,在复杂的操作过程中能保持可靠运行。此外,直流无刷电机的转子结构相对更坚固,能够承受更大的外力和高速旋转产生的离心力,不易发生变形和损坏,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。③无框力矩电机能够实现极其精细的力矩输出控制,对于灵巧手在拿捏微小物品或进行高难度动作时,提供了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。不过,由于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,成本可能很高。②新型传动方案:行星滚柱丝杠/微型谐波减速器
微型谐波传动方案有望增加灵巧手精密度,但是过去产业不成熟。相比行星减速器,谐波减速器具备体积小、精度高等优点,若应用于灵巧手部件,则可以有效提高灵巧手精密化程度。不过,由于微型谐波减速器(外径10mm以下)应用场景较少,产业成熟度很低。
目前,微型谐波减速器技术正逐步成熟,并开始应用于灵巧手零部件。①随着灵巧手等精密运动控制的需求涌现,哈默纳科、绿的谐波、瑞迪智驱等厂商正加快谐波减速器产品的研发,如绿的谐波推出可应用于智能手指关节的6mm外径微型谐波。②2023年日本东京国际机器人展览会期间,哈默纳科展示了搭载RSF-3、RSF-5微型谐波驱动的RSF supermini系列灵巧手,每根手指配置了3级传动装置,双手共装备30个谐波减速器,可实现多种人手精密动作。未来微型谐波方案可能得到更多应用,推动灵巧手的紧凑化、精密化发展。
2.2.3 灵巧手向深度仿生方向发展
灵巧手在适应性和数据可得性角度上均具备明显优势。除了前文中提到的灵巧手本身具备的各种灵巧抓取和复杂操作性能优势,深度仿生的发展方向还会使得灵巧手适应性提升和训练难度降低:①从灵巧手适应性角度来看,深度仿生的灵巧手可以更好地适应人类生活和工作环境。人类的生活和工作环境是围绕人手的功能和特点构建的,如各种工具的设计、操作方式等都是基于人手的操作能力。高度仿生的灵巧手可以更自然、便捷地融入人类环境,使用人类设计的工具和设备,无需对环境进行大规模改造或特殊适配。②从灵巧手训练难度来看,深度仿生的灵巧手具备丰富的训练数据,泛化能力更容易提升。人类手部动作丰富多样,通过动作捕捉技术可以获取大量的人手运动数据,这些数据可以为灵巧手的训练提供丰富的参考。相比之下,两指夹持器、多指抓持手和非仿人灵巧手由于可获取的动作数据有限,缺乏像人手那样丰富的操作经验和技巧可供借鉴,限制了其在复杂任务中的表现和发展速度。此外,使用大规模的人手运动捕捉数据集进行训练,有助于提高灵巧手对不同物体、不同场景的适应能力和泛化能力,并降低深度强化学习等训练方法的难度和所需的训练时间。
1)宏观经济和制造业景气度下滑风险:灵巧手产业链公司受宏观经济波动影响较大,行业与宏观经济波动的相关性明显,尤其是和工业制造的需求、基础设施投资等宏观经济重要影响因素强相关。若未来国内外宏观经济环境发生变化,下游行业投资放缓,将可能影响灵巧手产业链的发展环境和市场需求。
2)供应链波动风险:受全球宏观经济、贸易战、自然灾害等影响,若原材料紧缺,芯片等关键物料供应持续出现失衡,将引起灵巧手零部件制造业厂商生产成本增加甚至无法正常生产,经营业绩可能会受影响。
3)研发进展不及预期风险:目前,灵巧手领域,尤其是人形机器人灵巧手领域,研发仍然面临较多的困难和不确定性。
吕娟:董事总经理,研委会副主任,上海区域总监,高端制造组组长,机械行业首席分析师。复旦大学经济学硕士,法国 EDHEC 商学院金融工程交换生,河海大学机械工程及自动化学士,2007.07-2016.12 曾就职于国泰君安证券研究所任机械首席分析师, 2017.01-2019.07 曾就职于方正证券研究所任董事总经理、副所长、机械首席分析师。曾获新财富、金牛、 IAMAC、水晶球、第一财经、 WIND 最佳分析师第一名。 2021年新财富最佳分析师机械行业第二名。
常义乐:中信建投证券机械行业研究助理。对外经济贸易大学硕士,吉林大学学士。2021年7月入职中信建投证券。