劃重點
01波士頓動力發(fā)布了人形機器人Atlas在工廠上崗就業(yè)的視頻，展示了其在兩個地點移動和將汽車發(fā)動機蓋放到準確位置的能力。
02目前市面上靈巧手的自由度在6-42個之間，其中以6個自由度為主流，這導致相比于人手的27個自由度，當下人形機器人的精細化操作能力欠缺。
03國內(nèi)靈巧手產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出靈巧手企業(yè)/創(chuàng)企、人形機器人創(chuàng)企、高校與科研機構(gòu)三類企業(yè)，正試圖找到其性能和成本的平衡點。
04然而，靈巧手成本占到人形機器人整體成本的14%~18%，如何降低其成本仍是產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。
05頭豹研究院預計，2030年靈巧手市場將突破800億元，帶動整個人形機器人技術(shù)的進步。
以上內(nèi)容由大模型生成，僅供參考
智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | 程茜
編輯 | 心緣
智東西10月31日報道，就在昨天，波士頓動力放出了人形機器人Atlas在工廠已經(jīng)上崗就業(yè)的視頻。視頻中的Atlas可以自主在兩個地點移動，將汽車的發(fā)動機蓋放到準確的位置。
▲波士頓動力Atlas在工廠搬運零件
還有前不久的特斯拉數(shù)十臺擎天柱（Optimus）機器人，也展現(xiàn)出超強運動控制能力。它們在發(fā)布會現(xiàn)場與觀眾親切交談，說話時伴隨著手部動作，還能倒飲料、提袋子、遞送。
▲特斯拉擎天柱演示（圖源：特斯拉）
上述兩個場景中，人形機器人下肢的移動能力和穩(wěn)定性已經(jīng)基本可以應(yīng)對各種環(huán)境，能讓其搬運重物、遞飲料或者疊衣服、擰螺絲的關(guān)鍵就是機器人最末端的靈巧手，這也是機器人研發(fā)最難的一環(huán)。
當下，評判靈巧手性能的最重要一個標準就是自由度，目前市面上靈巧手的自由度在6-42個之間，其中以6個自由度為主流，這也導致相比于人手的27個自由度，當下人形機器人的精細化操作能力欠缺。
但自由度又與靈巧手成本相關(guān)。英國仿生靈巧手老牌企業(yè)Shadow Robot的Shadow靈巧手系列自由度已經(jīng)達到24個，擁有超100個傳感器，但售價達到100萬~220萬元，價格甚至比馬斯克預計的人形機器人本體價格高10倍，馬斯克預計售價2萬~3萬美元（折合約14～21萬人民幣）。
▲Shadow Robot的Shadow靈巧手（圖源：Shadow Robot）
現(xiàn)在人行機器人產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展逐漸細分，從整機到專攻關(guān)鍵零部件的企業(yè)涌現(xiàn)，靈巧手就是近年來興起的人形機器人產(chǎn)業(yè)中非常關(guān)鍵的一類產(chǎn)業(yè)鏈細分方向。
國內(nèi)靈巧手產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出靈巧手企業(yè)/創(chuàng)企、人形機器人創(chuàng)企、高校與科研機構(gòu)三類企業(yè)，正試圖找到其性能和成本的平衡點。目前已公開售價的產(chǎn)品價格在0.99萬元~11萬元不等，其中一個代表性企業(yè)就是靈巧手創(chuàng)企靈心巧手，據(jù)了解，該公司的靈巧手自由度目前已經(jīng)達到業(yè)界最高42個，其公開售賣的20個主動自由度靈巧手價格僅為4.99萬元。
▲2024科技創(chuàng)變者大會靈心巧手聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO周永公布靈巧手價格
不過，這對于人形機器人的商業(yè)化落地而言遠遠不夠。想要達到類比人類的靈巧手性能，還需要更多傳感器獲取數(shù)據(jù)作為執(zhí)行任務(wù)的依據(jù)。
還有讓其實現(xiàn)批量生產(chǎn)的難題在于，靈巧手采用的電機等核心零部件價格高，使得單個靈巧手內(nèi)電機成本在2.6萬~6.5萬元之間；以及其內(nèi)部核心零部件在性能、輕量化和成本之間的平衡。
智東西試圖深入靈巧手市場，找到人形機器人商業(yè)化落地的突破口。
一、人形機器人“心靈手巧”關(guān)鍵，占整機成本14%
清華大學計算機系教授、智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室副主任孫富春曾提到：“機器人是自動化的‘最后一公里’，靈巧手是機器人‘最后的一厘米’�！�
靈巧手是模仿人手設(shè)計的高精度機械手，工業(yè)機器人領(lǐng)域的靈巧手大多采用三指設(shè)計，而人形機器人大多為五指。靈巧手是實現(xiàn)精細操作的基礎(chǔ)，因為一旦其需要進行精細裝配、拿取微小零件等，簡單的抓夾、吸盤就無法做到。與人形態(tài)更相近的人形機器人，更是需要完成抓、握、捏、擰、旋轉(zhuǎn)等不同動作，滿足多元化的場景需求。
因為靈巧手的設(shè)計仿照人手，人體解剖學著作《格蘭特解剖學圖譜》中寫道，人手本體自由度為21個，加上手腕關(guān)節(jié)運動自由度有27個。因此在自由度的分配上，靈巧手也仿照了人手。
▲人手解剖學示意圖（圖源：知乎博主任賾宇，此前擔任珞石機器人首席系統(tǒng)工程師）
從運動學角度來看，靈巧手需滿足兩個必要條件：在指關(guān)節(jié)運動時使物體產(chǎn)生任意運動、指關(guān)節(jié)固定時能完全限制物體運動，所以在此基礎(chǔ)上，靈巧手需要至少3根手指、9個自由度。
目前，從形態(tài)來看，靈巧手主要有五指和三指兩種，也有人形機器人廠商選擇從二指、三指夾爪向靈巧手過渡，以滿足當下機器人的應(yīng)用需求。從其自由度數(shù)量來看，正好處于6個-42個之間。
人形機器人的商業(yè)化落地方面，靈巧手的重要性也不容忽視。雖然體積并不大，但其成本占到人形機器人整體成本的14%~18%。摩根士丹利的數(shù)據(jù)顯示，特斯拉第二代人形機器人擎天柱靈巧手占比達到17.3%，以其整機成本5萬~6萬美元（折合約35萬～43萬人民幣）計算，靈巧手的成本在8650美元~10380美元（折合約6萬～7.3萬人民幣）之間。
靈巧手是機器人與外界交互時獲得觸覺反饋的關(guān)鍵。靈巧手上搭載的觸覺傳感器、力傳感器，可以幫助機器人感受物體的形狀、大小、硬度、溫度等，而不是僅通過視覺交互。
一個典型的靈巧手系統(tǒng)的關(guān)鍵部分包括驅(qū)動、傳動、傳感器和控制系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)負責提供動力，傳動系統(tǒng)將這些動力轉(zhuǎn)換為手指關(guān)節(jié)運動，然后觸覺系統(tǒng)用于感知手部與外界物體的接觸狀態(tài)和力度，控制系統(tǒng)是通過算法和軟件對驅(qū)動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)進行控制。
▲靈巧手的抓握示意圖（圖源：因時機器人）
這一波人形機器人熱潮催化下，作為其關(guān)鍵部件之一的靈巧手，原先多用于科研、假肢等領(lǐng)域的靈巧手，并在單獨做靈巧手的企業(yè)之外，衍生出人形機器人賽道的產(chǎn)業(yè)玩家。
二、三類玩家競逐，國產(chǎn)靈巧手售價降到低于萬元
當下在這一賽道角逐的共有三類玩家：人形機器人創(chuàng)企、靈巧手創(chuàng)企、科研機構(gòu)。其中，非人形機器人玩家的靈巧手產(chǎn)品均為公開售賣，科研機構(gòu)以技術(shù)研發(fā)為主，人形機器人創(chuàng)企又分為僅自研以及同時支撐自研、單獨售賣的。
1、靈巧手企業(yè)/創(chuàng)企：最低售價不到萬元，最高自由度可達42個
國內(nèi)專門做靈巧手的企業(yè)/創(chuàng)企中，目前已公開售價的產(chǎn)品價格在0.99萬元~11萬元不等。
其中，因時機器人、強腦科技、傲意科技等玩家的靈巧手均有6個自由度，大多只能完成手指向內(nèi)抓取物體的動作，手指左右晃動等動作無法完成。因時機器人市場總監(jiān)房海南談道，其靈巧手自由度為6個，是綜合靈巧手成本、可靠穩(wěn)定性、綜合量產(chǎn)能力、抓取效果來綜合選擇的方案。這也是當下產(chǎn)業(yè)中大家都選擇6個自由度的原因，可以基本上完成人手的60%~70%的抓取任務(wù)。
據(jù)房海南在2024科技創(chuàng)變者大會上透露，截至今年8月，因時機器人的靈巧手累計出貨量已經(jīng)達到幾千臺，其中人形機器人的靈巧手銷售額已經(jīng)達到一半以上。
與大多數(shù)玩家的靈巧手不同，靈心巧手的LinkerHand系列靈巧手主動自由度在12~42個之間，單指為2~7個。靈心巧手聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO周永認為，靈巧手需要達到20個以上的自由度才能完全映射人類動作，多傳感器需要能夠感知到位、力、觸、摸。
▲LinkerHand靈巧手演示（圖源：靈心巧手）
該公司SE版的靈巧手是目前國內(nèi)靈巧手唯一價格在萬元之下的，不過該公司并未公布其具體參數(shù)；Pro版的主動自由度為20個，售價4.99萬元。此外，其系列產(chǎn)品還實現(xiàn)了360度自由旋轉(zhuǎn)，并配備了指尖攝像頭、觸覺傳感器、位置傳感器、力傳感器等多傳感器系統(tǒng)。
▲單獨售賣靈巧手的企業(yè)/創(chuàng)企（整理自公開信息，智東西制表）
2、人形機器人創(chuàng)企：多為支撐本體自研，僅兩家單獨售賣
這類企業(yè)中公開售賣靈巧手的玩家有鈦虎機器人、帕西尼感知兩家。
鈦虎機器人的靈巧手單只價格在2萬元左右，不過如果要增加更多傳感器，售價可能會提升至3萬~4萬元之間。其靈巧手有6個自由度，每個手指都可以獨立運動，其中大拇指能進行兩個方向運動，其靈巧手與鈦虎機器人的人形機器人系列手部自由度一致。
與其他廠商不同，帕西尼感知的靈巧手更注重多維觸覺傳感，其第二代靈巧手DexH13擁有13個自由度，單手擁有978個ITPU多維觸覺傳感單元，15種多維觸覺感知能力。
第二代多維觸覺人形機器人ORA-ONE雙手集成近2000個自研的ITPU多維觸覺傳感單元，能瞬間捕捉并解析接觸面上細微形變與多維度觸感信息，其靈巧手自由度已經(jīng)提升至26個。
其余人形機器人創(chuàng)企自研的靈巧手自由度大多為6個、12個，且僅用于支撐自家人形機器人研發(fā)。
▲人形機器人創(chuàng)企靈巧手研發(fā)、價格梳理（整理自公開信息，智東西制表）
全球爆火的特斯拉擎天柱靈巧手自由度也是如此。特斯拉去年年底發(fā)布的第二代擎天柱的靈巧手擁有11個自由度，10月11日，特斯拉CEO埃隆馬斯克透露，其下一代Optimus的手將擁有22個自由度。
其余OpenAI大模型加持的Figure 01與波士頓動力的Atlas目前并沒有公開自家機器人靈巧手的自由度；小米鐵大的手為雙指抓夾，只能夾取物體。
3、科研機構(gòu)、高校：專注于提升自由度、負載能力
除此以外，還有哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院自動化研究所、清華大學AI智能研究員智能機器人、騰訊Robotics X實驗室等科研機構(gòu)和高校，專注于靈巧手的研發(fā)。
其中，中國科學院自動化研究所的神經(jīng)擬態(tài)靈巧手機器人CasiaHand，具有25關(guān)節(jié)自由度、21驅(qū)動自由度，還包括五個手指、掌部和腕部，仿人筋腱驅(qū)動方式，指尖仿人觸覺感知能力，位置、力、觸覺、溫度多模態(tài)傳感93個。
此外，其研發(fā)重點還有靈巧手的負載能力，目前市面上單個靈巧手的負載集中于3kg~5kg，中國科學院自動化研究所的團隊已經(jīng)研發(fā)出負載7kg的版本，下一步計劃將負載提升到15kg以上。
▲高校、科研機構(gòu)靈巧手研發(fā)情況（整理自公開信息，智東西制表）
可以看出，這些研究機構(gòu)對于靈巧手的研發(fā)，多集中在自由度提升、傳感器數(shù)量、負載能力方面。
三、靈巧手瓶頸：單手空心杯電機成本6.5萬，一只手塞上百個傳感器
20世紀70年代末，工業(yè)自動化需求增長，靈巧手的概念出現(xiàn)。
早期，靈巧手發(fā)展的典型代表就是日本“電子技術(shù)實驗室”的Okada靈巧手，其拇指有3個自由度，另外2個手指各4個自由度；美國斯坦福大學的Stanford/JPL靈巧手，也是擁有3個手指，每個各有3自由度；美國麻省理工學院和猶他大學研制的Utah/MIT靈巧手有4個手指，每個4個自由度。
▲從左至右分別為Okada靈巧手、Stanford/JPL靈巧手、Utah/MIT靈巧手（圖源：小米技術(shù)）
發(fā)展至今，這一產(chǎn)業(yè)有幾大明顯的趨勢。除了自由度提升外，靈巧手搭載的傳感器數(shù)量翻番，驅(qū)動方式選擇上除性能外會兼顧商業(yè)化等。
首先其搭載的傳感器數(shù)量翻番。20世紀末，產(chǎn)業(yè)開始關(guān)注靈巧手的感知能力進階，當時德國宇航中心研發(fā)的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ靈巧手共集成了25個傳感器，現(xiàn)在靈巧手的傳感器數(shù)量已經(jīng)達到近百個。傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)就是控制算法進行決策的依據(jù)。戴盟機器人首席科學家王煜教授，靈巧手接觸到物體時的反饋是非常重要，沒有主動的反饋就沒有靈巧操作，靈巧手的發(fā)展就卡在這里。
因此要讓靈巧手收集到更多的高質(zhì)量數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)就有兩大方面，一是傳感器數(shù)量增加對應(yīng)著靈巧手的成本增加，二是面對大量數(shù)據(jù)，控制算法處理復雜任務(wù)時響應(yīng)速度會變慢，無法實現(xiàn)精準、高效控制。
其次，當下單價較高的電機驅(qū)動已經(jīng)成為靈巧手的主流技術(shù)方向。除了性能優(yōu)勢外，電機驅(qū)動的技術(shù)較為成熟，相關(guān)零部件和控制系統(tǒng)已經(jīng)形成一定的標準和規(guī)劃，便于進行大規(guī)模量產(chǎn)。
靈巧手內(nèi)部空心杯電機數(shù)量不斷提升，但單個空心杯電機的價格并不低。國外驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商Maxon的空心杯電機單價為4675元，愛采購頁面顯示，國內(nèi)兆威機電空心杯電機的單價在2000元左右。
▲兆威機電的空心杯電機價格（圖源：愛采購）
一般情況下，靈巧手的自由度與驅(qū)動電機相對應(yīng)，如果折中計算，假設(shè)單個靈巧手的自由度為13，對應(yīng)驅(qū)動電機需要13個，成本已經(jīng)達到2.6萬~6.5萬元之間。
這一市場長期被國外巨頭所壟斷，不過目前國內(nèi)鳴志電器、偉創(chuàng)電氣、雷賽智能、兆威機電等企業(yè)也推出了空心杯電機相關(guān)產(chǎn)品，其中，偉創(chuàng)電氣在回復投資者問時透露，該公司在空心杯電機產(chǎn)品方面可以提供完整的模組解決方案，適用于靈巧手10mm的空心杯電機模組正在推向市場，已經(jīng)取得小批量訂單。不過，整體來看，國內(nèi)對于機械結(jié)構(gòu)等要求更加嚴格的人形機器人應(yīng)用，其性能距離頭部玩家仍有一定差距。
第三，這些趨勢都顯示靈巧手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量越來越多、機械結(jié)構(gòu)逐漸精密，但還有一大前提是其本身體積并不大，如何平衡零部件數(shù)量、性能與小型化、輕量化之間的關(guān)系，也是這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。
上個月，Shadow Robot總監(jiān)里奇沃克（Rich Walker）曾在接受《衛(wèi)報》采訪時談道，機器人靈巧性的挑戰(zhàn)之一就是體積。Shadow靈巧手的大小與人的手掌相當，有四根手指和一根拇指，但其需要連在比人類手臂寬得多的機械臂上，用以承載電纜、執(zhí)行器等諸多部件。
這是因為靈巧手想要達到人手的操作水平，需要安裝多個關(guān)節(jié)、傳感器、傳動裝置等。其中電機數(shù)量要與關(guān)節(jié)數(shù)量一致，才能達到全驅(qū)動，實現(xiàn)對靈巧手的精準控制。
目前一些企業(yè)為了控制靈巧手內(nèi)部的電機數(shù)量，會同時采用全驅(qū)動和欠驅(qū)動方式，欠驅(qū)動指的就是沒有提供對應(yīng)的驅(qū)動器數(shù)量，而是基于其它外部力量驅(qū)動。但欠驅(qū)動系統(tǒng)容錯能力較差，需要更加準確的動態(tài)模型和控制算法，這也增加了靈巧手運動過程的風險。
最后還有諸如關(guān)節(jié)耐久性、重量等，是之后人形機器人實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，走進真實落地場景過程中需要一直考量的難題。
目前國內(nèi)已經(jīng)誕生了專門做靈巧手的玩家，并且已經(jīng)擁有一定的價格優(yōu)勢，在當下可匹配人形機器人的應(yīng)用場景。
結(jié)語：人形機器人落地前夜，靈巧手迎千億市場
從當下人形機器人市場的發(fā)展來看，其在下肢能力的進展飛速，諸如跑跳、走路等都有了較大突破，但對上肢而言，其靈巧手不僅是機器人實現(xiàn)精細操作的關(guān)鍵，同時也是讓人形機器人降本，真正實現(xiàn)量產(chǎn)的關(guān)鍵。市場調(diào)研機構(gòu)頭豹研究院的報告顯示，根據(jù)特斯拉預測，人形機器人將于3-5年達成量產(chǎn)，量產(chǎn)后，靈巧手市場將爆發(fā)式增長，預計2030年將突破800億元。
具體而言，從材料、核心電機到傳感器、雷達等感知系統(tǒng)，靈巧手都需要技術(shù)創(chuàng)新和成本控制。但宏觀來看，這些零部件和系統(tǒng)在人形機器人的其他部件上也有應(yīng)用，因此這同樣可以帶動整個人形機器人技術(shù)的進步。
參考資料：小米技術(shù)公眾號《機器人中的“百達翡麗” 五指精密仿生靈巧手技術(shù)淺析》
