灵巧手技术路线选择-驱动方式
思瀚产业研究院    2024-11-11

灵巧手的性能和成本受其三大核心组件—驱动、传动和传感装置的共同影响。首先，驱动系统为手部提供必要的动力和旋转力，确保其具备足够的操作能力；其次，传动系统负责将动力传递到手指，精确控制其运动轨迹；最后，传感系统则负责监测和响应手部与环境的互动，提供反馈信息以优化抓取动作。

灵巧手研制难点可分为“灵巧”和“作业”两部分，灵巧性难题是由于灵巧手关节自由度分布、关节数量要求较高，作业能力难题则由于灵巧手需要具备更强的操作负载能力、力位精度与可靠性。

灵巧手需从实际应用场景出发进行结构设计，在追求性能最优化的同时要考虑到成本效益，实现两者之间的合理折中。对于人形机器人的灵巧手，其设计必须考虑到人体工程学的尺寸要求，同时还要兼顾空间限制和重量等实际应用中的实用性因素。

灵巧手技术路线选择——驱动方式

技术路线1：空心杯电机

特点：具有轻量高效、高转速和长寿命的特点，适合需要高精度和快速响应的场合，但单独空心杯电机扭矩相对较低，需要搭配行星齿轮减速器以降低输出轴的速度并增加扭矩。

应用：因时机器人灵巧手内部装有6个小型伺服驱动器，集成无刷电机、行星减速机、直线导轨、绝对位置检测传感器和力传感器。特斯拉Optimus单手6个无刷空心杯电机模组，由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器构成。

供应厂商：Maxon和Faulhaber在技术上处于领先，有刷空心杯电机最小尺寸可做到6mm，无刷空心杯电机直径Maxon和Faulhaber分别可做到4mm和3mm。鸣志电器的无齿槽空心杯电机模组、精密丝杠传动模组等在机器人各主要运动控制功能模块中广泛适用，空心杯电机成本优势凸显，但高端产品在功率、效率等方面与海外三大家仍存在差距。

技术路线2：无框力矩电机

特点：具有低转速大扭矩的特点，能直接耦合（无背隙），可以直接驱动负载，不需要皮带、齿轮等传动装置，其应用于灵巧手相比空心杯电机模组可节省传动部件，具备一定成本优势。

•应用：Dexhand和Spacehand灵巧手都采用Robodrive ILM 25无框力矩电机，该电机与传动比为100:1的谐波减速器HFUC 8结合，组成圆柱体（长约17.5mm，重约46g），提供2.4Nm的连续扭矩，峰值可达9Nm。

供应厂商：步科股份FMC系列无框力矩电机采用了多槽分瓣式结构，齿槽定位力矩小，可对标国际领先产品。禾川科技于24年5月发布hu-mdb系列无框力矩电机，并宣布正式进军人形机器人赛道。

技术路线3：无刷有齿槽电机

特点：无刷电机减少了机械接触和磨损，寿命更长且维护成本较低；有齿槽磁能更集中，相比空心杯电机模组转速更低可以节省齿轮箱，性价比优势较突出。

应用：DLR/HIT Hand II手指基关节模组使用了Maxon的无刷有齿槽电机和谐波减速器。出于人形机器人降本需求，搭载无刷有齿槽电机的灵巧手商业化进度可能更快。

供应厂商：Maxon有EC-i、EC flat等系列无刷有齿槽电机，其中EC-i 30以其高动态性能、低齿槽转矩和高转矩特性而著称。