【电话会议纪要】机器人灵巧手或催生电子皮肤新市场,行业专家全面解析《机器人系列(二):马斯克机器人灵巧手方案能否引领新趋势?》,这些公司有望受益灵巧手催生的增量市场需求
风口专家会议
2023.12.01 14:28 星期五

近期,马斯克在一场深度访谈中提及,对机器人手部灵敏度的要求是“能够捡起一根针和一根线,并将线穿过针孔”,马斯克认为这个目标能够在1年左右的时间内实现。

灵巧手是机器人研究的重要课题,据财通证券研报介绍,灵巧手是机器人新型末端执行器,在机器人与环境的交互中起关键作用,如果未来人形机器人销量到达百万台,对应灵巧手市场规模将达到1000亿美元

技术进展方面,在11月29日举行的东京国际机器人展会上,哈默纳科展示了自己为客户提供的最新灵巧手方案,将在人形机器人的双手中使用30个微型谐波减速器,在数量上大幅超出了此前的预期

若要实现机器人手部的“灵巧”特性,减速器的用量提升是否为必要条件?还有哪些影响精度、速度的核心零部件?以及行业潜在供应商有哪些?

为全面探讨影响灵巧手的核心零部件技术方向和用量预期,11月30日(周四)19:30,财联社VIP携手蜂网专家带来了“机器人”系列主题的【风口专家会议】。

灵巧手核心逻辑

灵巧手驱动方式:分为电驱、气动和液压三种方式,目前电驱为主流且易形成标准化,厂商如特斯拉因时机器人思林机器人等,气动和液压的方式更适合柔软的机械手形态;

电机:电驱方式中,电机成本占据灵巧手的10%左右,主要使用空心杯电机,国外几家企业如瑞士的Maxon等,市占率达到70%-80%,国内企业鸣志电器在空心杯电机的营收上排名第一,其他企业如祥明智能江苏雷利也可形成量产;

绕线设备:国内空心杯电机的一大困境在于高级绕线设备制作困难,国外企业一般不会外售,国内空心杯电机厂商主要购买日本企业和田中精机的绕线设备产品;

减速器:之前对灵巧手上谐波减速器的用量预期为12个,哈默纳科提升至30个,从齿轮和减速器两种传动方式的综合实力来看,绿的谐波南通振康秦川机床巨轮智能大族精密的产品相对不错,单看减速器来说,中大力德双环传动也有较好实力;

电缸:减速器的大量使用难以控制人形机器人成本,使用电缸可能是一个更主流的降本方案,可以将单个灵巧手的价格控制在2万元以内, 根据上一篇机器人系列风口专家会议纪要 ,电缸产品中成本最高的部件为丝杠,技术相对较强的企业有南京工艺博特精工新剑传动等,上市企业中汇川技术旗下的莱恩和秦川机床旗下的汉江稍有竞争力;

编码器:传统编码器的价格相对于人形机器人来说较高,需要使用需要采用磁编码器,国内厂商如宜科电子天创恒达汇川技术等;

电子皮肤:机械手比较注重手的驱动控制,对电子皮肤和相关柔性传感器的需求较高,是灵巧手领域催生的主要新硬件,目前汉威科技他山科技弘信电子苏试试验等企业有传统的柔性压力传感器产品,未来随着特斯拉和国内机器人企业对电子皮肤进行布局,这些企业有望进入电子皮肤领域并成为巨头

灵巧手研发企业:除特斯拉因时机器人德国宇航中心Shadow等企业在灵巧手领域发力以外,国内机器人这家企业也在做灵巧手,主要做集成业务。

电话会议纪要

问题一目前灵巧手都有哪些种类的驱动方案?在应用上分别有何优劣势和技术难点?特斯拉使用的是哪一种?

专家:灵巧手区别于二指机械夹爪等传统机器人手部,是一种似仿人的机械手,有多个自由度。目前灵巧手的大小一般为人手的1.5倍,拥有超过20个自由度。

根据结构形式来分,灵巧手可分为外置驱动式、内置驱动式和混合驱动式,区别在于驱动器(电机或其他动力源)在机械手内部还是在外部。

特斯拉德国宇航中心因时机器人的机械手目前主要使用了内置式驱动,便于形成模块化,且手部刚度整体较强,缺点在于难以压缩手部大小;国外企业Shadow的一些手术机械手主要使用外置式驱动器,驱动器在臂部,可以使灵巧手更纤细,也可以采用更大的驱动力,缺点在于驱动器离手部较远,必须使用线性传动的方式,会增加控制和维护难度。

根据驱动方式来分,可分为电驱、气动和液压的灵巧手。目前电机驱动的方式比较普遍,且易形成标准化,具有稳定、可靠和精度高的特点,厂商如特斯拉、因时和思林机器人等,特斯拉的机械手方案采用了6个空气杯电机;气动和液压的方式更适合柔软的机械手形态,其中,气动方式一般使用柔性硅胶、波纹管来作为手的骨架,通过在密闭空间中充气和放气,在压力作用下使手指发生弯曲动作。

问题二以驱动方式来分,每种技术方案在价值量方面,所使用零部件的占比情况分别是怎样的?

专家:电驱方式来看,主要部件为电机、控制器、传动装置、编码器、减速器和其他机械结构件,电机和控制器的成本大概占25%,传动装置、减速器、编码器和其他机械结构件占30%左右,其中,电机成本约占灵巧手成本的10%。

气压和液压驱动式机械手的成本构成比较单一,柔性部件的成本大约为40%-50%,其他成本主要来自液压源和气压源。

问题三灵巧手在关节处一般使用什么方案?目前国内有哪些企业在攻克关节的模块化或相关产品?

专家:因时的机械手产品主要为连杆式,集成了6个直线推杆,内部的构成为微型电机和减速器,另外还会搭配微型丝杠和力传感器。手指的传动采用多种该类连杆结构,以实现物体的抓取,大概能达到是牛顿的握力。

还有一种方案为齿轮传动,代表厂商如特斯拉,方案为使用微型电机模组驱动涡杆,带动线控装置使手指开合,易于根据抓物的形状,动态调整手的贴合程度。但碰到阻力之后抓握精度会下降,未来特斯拉可能使用电子皮肤,或在压力传感器上发力来进行优化

国内思林机器人的灵巧手产品大约在10万元以内,采用模块化方案,使用了55个模块化的模组,包括44个手指模组和1个拇指模组,组成了整个五指的接手。每一个手指都集成了力传感器和位置传感器,进行多传感器的抓取算法,有独立的自由度和两个耦合自由度。思林将驱动、传动装置集成到灵巧手中,叠加直流伺服电机等零部件来形成运动,同时能够实现手指自锁,每个指尖都能达到十牛顿的力量。

问题四减速器在灵巧手上的应用现状和技术发展方向如何?目前我国有技术供应灵巧手所使用的减速器的厂商有哪些?

专家:之前对谐波减速器预期为集成大概12个左右,现在达到了30个,哈默纳科的加工能力是非常强的。

传统机械手多数使用行星减速器,成本比较高,与马斯克人形机器人普及的方向上背道而驰。未来人形机器人降本是一个大趋势,按照一个机器人2万美元的售价来算,单只灵巧手的售价预计不超过2万元人民币。目前因时的机械手售价在5万元人民币左右,哈默纳科30个谐波减速器的方案很难把成本控制下来

可能电缸传动是一个更主流的降本方向,单个微型电缸的价格能做到1000元左右,如果灵巧手的出货量能达到万套以上,单个灵巧手突破到2万元以内是可能的。

国内做行星减速器的厂家比较多,如卡贝斯力克沃德传动科峰传动等,从齿轮和减速器两种传动方式的综合实力来看,绿的谐波南通振康秦川机床巨轮智能大族精密的产品相对不错,单看减速器的话中大力德以及双环传动也有较好实力。

问题五在灵巧手的电机和编码器产品方面,主要会使用哪一种类型的产品以及相关的企业有哪些?

专家:由于灵巧手本身体积非常小,对集成度的要求非常高,主要采用空心杯电机。比较强势的企业以瑞士的Maxon等国外企业为主,前几家企业的全球市占率在70%-80%。国内企业如鸣志电器,在空心杯电机方面的营收能占第一位,其他企业如祥明智能江苏雷利,也可以实现量产。

空心杯电机的技术难点主要在空心杯的部分,很大一部分原因是由于难以买到绕线设备,国外技术能力较强的企业一般不对外出售,国内空心杯电机厂商一般采购日本企业或田中精机等企业的产品,基本满足空心杯电机的生产。

价格方面,特斯拉主要采用13毫米的无刷空心杯电机,Maxon品牌的产品在1000-2000元,国内实现小批量量产的话,实际可以做到大概1000元左右,如果能做到10万台的出货,整体价格是能做到500元左右。

传统编码器厂商如欧姆龙、亨士乐和海德汉等,但传统编码器的价格相对于人形机器人来说有点高,因此,需要采用磁编码器,国内厂商如宜科电子天创恒达汇川技术等。

问题六在实现灵巧和敏锐触觉的方面,哪些传感器能够发挥较大作用?技术方向以及企业的竞争格局情况如何?

专家:机械手比较注重手的驱动控制,以及电流反馈等,急需力传感器,在这方面对电子皮肤的需求较高,电子皮肤可以感知抓取过程的握力。国内有些企业已经开始布局这一细分领域,如他山科技,公司在2017年左右创立,起初做触觉传感器,后与清华大学人工智能实验室合作,开发了包括三维力矩传感器等多项传感器产品,比较适合用于机械手。

另外,汉威科技的柔性传感器电子皮肤也可以用于一些应用场景;弘信电子的柔性压力传感器产品如按键、薄膜等,以前主要用于工控领域,现在正在往仿真机械手方向研发。

问题七灵巧手对丝杠产品的需求如何?国内哪些企业有能力生产或在研发?

专家:主要用在连杆式接手,丝杠是一个核心部件,在传统的工控领域比较成熟,企业如中国台湾的和日本的较多,日资企业的市占率能占到60%左右。

国内还有一些企业如秦川机床南京工艺博特精工华特机械等,在工控自动化领域都有批量出货,但是市占率不高。

问题八目前国内研究灵巧手较为前沿的企业有哪些?

专家机器人这家公司在做灵巧手,但是主要以集成为主,也并没有把灵巧手这个细分领域作为主要产品方向。目前上市公司中还没有形成很强的灵巧手企业。

问题九如果机器人的手部要实现高灵敏度和高精度,主要会引起哪些原有硬件需求的提升,一级哪些新硬件的产生?

专家:主要会催生两个领域的需求。

第一类为传动装置的需求,包括减速器、丝杠和驱动控制,需要对产品进行升级并形成增量。

第二类为电子皮肤,传统的消费电子类产品中,触摸按键和触摸屏也有应用,但用于灵巧手的电子皮肤技术还有差异,目前汉威科技他山科技弘信电子苏试试验等企业有传统的柔性压力传感器产品,未来随着特斯拉和国内人形机器人企业对电子皮肤进行布局,这些企业有望进入这个领域并形成巨头,目前还没有出现技术很强的玩家。

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