国海证券报告详细对比了主流灵巧手的驱动传动方案。星动纪元采用关节模组模块化方案,通过“拼装”模块组成手指,单手指核心结构为(空心杯)电机+(行星)减速器+齿轮直驱,单指通过多个模组串联实现弯曲和侧摆。因时机器人采用自研微型伺服电缸,通过丝杆/丝杠将旋转运动转化为直线运动,结合连杆实现手指屈曲和自适应抓握。兆威机电采用手掌内置电机+指关节内置微型线性电机方案,实现食指侧摆和多自由度独立控制。三种方案各具特色,反映灵巧手技术路径的多元化。
星动纪元——关节模组模块化+齿轮直驱方案
星动纪元灵巧手采用关节模组模块化的方案,通过“拼装”模块组成手指,每个模组单独驱动实现手指间配合。单手指核心结构为(空心杯)电机+(行星)减速器+齿轮输出组件,其中齿轮输出组件包括相互啮合的小锥齿轮和大锥齿轮,以及输出件。方案还包括角度传感器辅助检测转动角度以精确控制电机转速。
传导路径:电机输出轴和减速器输出轴同轴连接→小锥齿轮转轴与减速箱输出轴同轴连接→大锥齿轮带动输出件转动→连接输出轴(既是输出组件输出轴也是关节模组输出轴)。电机旋转带动减速器-小锥齿-大锥齿同步旋转推动输出轴运动。单指通过驱动模组输出轴旋转实现衔接模组的垂直运动,多个模组串联实现手指弯曲;调整模组摆放位置可实现手指侧摆。
因时机器人——微型伺服电缸+丝杠+变胞连杆方案
因时机器人灵巧手用电机模组为自研微型伺服电缸,推杆可选用丝杆或螺母(丝杠),驱动部件为伺服电机,传动机构为直齿减速器或行星减速器。结构上推杆套设在旋转轴上,旋转轴通过深沟球轴承组件与传动机构输出轴连接,对旋转轴进行轴向和径向支撑。工作时电机输出轴旋转,通过传动机构驱动旋转轴,旋转轴通过螺纹结构将旋转运动转化为推杆的直线运动。
因时机器人还设计了六自由度的连杆方案,通过变胞机构实现手指内部构件的合并分离。结构中手掌内置电机通过伸缩杆与连杆铰接,连杆另一端与指尖铰接,弹簧两端分别挂于沟槽和销轴。伸直和弯曲时直线电机推动伸缩杆带动连杆绕B点转动,带动指节与指尖联动实现屈曲。抓握时指节受物体阻挡,伸缩杆克服弹簧拉力推动连杆沿连通沟槽滑动,带动指尖绕铰接点转动实现自适应抓握。
兆威机电——手掌+手指双电机方案
兆威机电灵巧手采用手掌内置电机+指关节内置微型线性电机的方案,相较于因时机器人标准方案增加自由度并实现食指侧摆。拇指结构中转盘带动第一指节相对掌结构转动(模拟左右摆动),第一线性电机带动第一指节弯曲握紧。四指结构中第二指节通过两个第二线性电机控制:同步收缩实现弯曲,同步伸直实现伸直,异步伸缩实现左右摆动。
兆威机电还提供一种直线电机专利,采用行星滚柱丝杠结构作为动力转换结构。马达本体输出轴可旋转设置;减速箱输入端与马达本体输出轴连接;线性传动组件包括壳体和行星滚柱丝杠结构(主丝杆+螺母+多个滚柱丝杆),丝杆及输出端沿直线伸缩并穿出壳体。该直线电机可直接驱动灵巧手指节,两个相邻指节内部直接由两个线性直线电机连接,实现更紧凑的驱动布局。
方案对比——三种路径的优劣分析
星动纪元的齿轮直驱方案结构简洁、传动效率高、响应快,但齿轮间隙可能影响精度;因时机器人的丝杠+连杆方案可实现自适应抓握、力控制好,但结构复杂、成本较高;兆威机电的直线电机方案自由度最多、控制独立性强,但对电机微型化要求极高。
从传动路径看,电机+减速器+齿轮直驱适合追求高响应速度和模块化的场景;电机+减速器+丝杠+连杆适合追求自适应抓握和精细力控的场景;电机+减速器+直线电机适合追求高自由度和独立控制的场景。三种方案将长期并存,根据灵巧手的具体应用场景选择最优路径。
表2:三种驱动传动方案对比| 方案 | 代表厂商 | 传动路径 | 优势 | 不足 |
|---|
| 齿轮直驱 | 星动纪元 | 电机+减速器+锥齿轮 | 效率高、响应快、模块化 | 齿轮间隙影响精度 |
| 丝杠+连杆 | 因时机器人 | 电机+减速器+丝杠+连杆 | 自适应抓握、力控好 | 结构复杂、成本较高 |
| 直线电机 | 兆威机电 | 电机+减速器+行星滚柱丝杠 | 自由度最多、独立控制强 | 微型化要求高 |