12月13日,特斯拉CEO马斯克发布人形机器人Optimus的最新视频,视频中披露,Optimus第二代机器人(Gen 2)将于2023年12月发布,步行速度提升30%,平衡感和身体控制能力有所改善。
针对机器人的“类人行走”以及“灵巧手”两大亟待攻克的难关,财联社《风口专家会议》分别策划了《机器人系列(一):密集发布!人形机器人或迎加速落地》和《机器人系列(二):马斯克机器人灵巧手方案能否引领新趋势?》两大系列会议。
其中,11月30日,灵巧手专家在会中提前解读到,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,并对目前有相应产品和相关技术储备的汉威科技、他山科技、弘信电子、苏试试验等企业进行了分析。
受特斯拉人形机器人最新进展刺激,昨日电子皮肤题材发酵,其中,汉威科技盘中一度大涨19.98%触板,截至收盘涨幅仍达14.25%。据《机器人系列(二):马斯克机器人灵巧手方案能否引领新趋势?》,更多人形机器人“灵巧手”相关逻辑及产业链情况如下:
①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、因时机器人和思林机器人等,气动和液压的方式更适合柔软的机械手形态;
②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和江苏雷利也可形成量产;
③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;
④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、巨轮智能和大族精密的产品相对不错,单看减速器来说,中大力德和双环传动也有较好实力;
⑤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、博特精工和新剑传动等,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;
⑥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;
⑦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;
⑧灵巧手研发企业:除特斯拉、因时机器人、德国宇航中心和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。
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。
专家:电驱方式来看,主要部件为电机、、传动装置、编码器、减速器和其他机械结构件,电机和的成本大概占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。
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、沃德传动和科峰传动等,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、巨轮智能和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。
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线万台的出货,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。
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、博特精工和华特机械等,在工控自动化领域都有批量出货,但是市占率不高。
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?
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。