人形机器人专题（二）：经典五指灵巧手拆机：医疗假肢篇

中心思想 医疗假肢灵巧手：人形机器人技术的重要应用与发展前沿 本报告深入剖析了五指灵巧手在医疗假肢领域的应用现状、技术演进及市场格局，揭示了其作为人形机器人关键交互媒介的巨大潜力。核心观点在于，医疗假肢灵巧手的控制与反馈机制与人形机器人高度契合，是人形机器人技术落地的重要场景。当前，主动型假肢手正朝着高自由度、高仿生度、轻量化和智能化的方向发展，通过生理信号实现精准控制，并逐步提供触觉反馈。 市场格局与技术趋势：国际领先，国产追赶，精巧传动成关键 全球医疗假肢市场由Össur和Ottobock等国际巨头主导，其产品在多自由度、抓握功能和仿生设计方面处于领先地位，但价格昂贵。国内厂商在价格上具有优势，但在仿生度和重量上仍有提升空间。技术趋势上，优秀的医疗假肢手设计倾向于“少电机、多自由度”，通过凸轮、连杆、日内瓦结构等精巧传动机构，以最少的驱动器实现复杂的运动功能，同时，由于人体自身传感系统的辅助，假肢手的传感体系相对弱化。人形机器人产业链正处于放量前夕，医疗假肢领域的技术突破将带动空心杯电机、行星减速器、丝杠和传感器等关键零部件的投资机遇，但需警惕产业化进程、市场竞争和核心技术进步不及预期等风险。 主要内容 五指灵巧手在医疗假肢领域的应用概述 仿生假肢手的控制与反馈机制 可穿戴式肌电仿生假肢手的控制与反馈机制与人形机器人五指灵巧手高度相似，主要分为下行控制通路和上行反馈通路两部分。下行控制通路负责采集残肢肌肉的肌电信号，输入假肢控制器中的运动控制算法，生成电极控制指令以驱动假肢手指运动。上行反馈通路则将假肢手指尖的力、振动等传感器信息通过特征提取算法，输入触觉反馈映射算法，输出触觉刺激装置的驱动指令，向使用者提供触觉反馈信息。 假肢手的功能性发展历程 假肢手的发展历程按照功能性可分为三个阶段： 装饰型假肢手： 起源最早，主要用于外观修复，缺乏实际功能性。 身体驱动型假肢手： 固定于人体躯干部，通过线缆进行控制，能显著提高截肢患者的日常生活质量，但只能完成简单的动作，且占用使用者注意力和体力。 主动型假肢手： 使用电机作为动力源，减轻使用者负担，不仅更加美观，还具有更高的自由度。这类假肢手能更智能地完成运动任务，并能根据传感信息提供触觉反馈。 主动型仿生假肢手的控制信号采集技术 主动型仿生假肢手通常使用佩戴者的生理信号作为控制信号来源，根据采集传感器的侵入性可分为侵入式和非侵入式两种： 侵入式： 使用植入中枢神经系统或外周神经系统中的电极作为信号采集装置。 非侵入式： 目前市售绝大多数主动型假肢手多采用非侵入式控制信号。 表面肌电（sEMG）信号： 最常用，产生于被神经元激活的骨骼肌，通过皮肤表面电极采集，包含神经元发出的运动控制信息，能直接反映人的运动意图。 肌动信号（MMG）： 检测肌肉收缩过程中产生的低频振动或声音形式的机械振动，通过加速度计、声音传感器及电容传感器等设备采集。 商业化假肢手市场现状 海外商业化假肢手： 英国Touch Bionics公司： 研发的Ilimb假肢手。 英国RSLSteeper公司： 研发的Bebionic假肢手。 德国Vincent公司： 研发的Vincent假肢手。 这些产品特点是自由度多，可以完成力量抓握、侧捏、精捏等不同动作，但价格昂贵（国内购买价格在30万元以上），且重量普遍大于500g。 国产商业化假肢手： 上海傲意信息科技有限公司： 研发的Ohand假肢手。 深圳市心流科技有限公司： 研发的Brain Robotics假肢手。 上海科生假肢有限公司： 研发的MH系列假肢手。 丹阳假肢厂有限公司： 研发的FSQ假肢手。 这些产品均为多自由度的仿人手外观假肢手，价格与国外相比更低，但仍存在外观不够仿生以及重量大等问题。 五指灵巧手在医疗假肢领域的应用案例 国际领先企业案例分析 Össur公司： 成立于1971年，1999年在冰岛证券交易所上市，2009年在纳斯达克哥本哈根股票交易所上市。 总部设在冰岛，拥有3000多名员工，业务遍布美国、欧洲和亚洲18个地区。 2022年营收达7.2亿美元，其中近一半（49%）来自美洲市场，45%的营收来自于假肢产品。 在假肢手方面，主打产品为I Limb系列。 Ottobock公司： 成立于1919年，产品聚焦于微处理器控制的膝关节（如C-腿）、计算机控制的C-支腿矫正器、多关节双仿生手、大功率轮椅和外骨骼。 2022年营收达13亿欧元，在全球近60个国家拥有超过9000名员工，并运营400多个护理中心。 在假肢手领域，主打产品为Michelangelo米开朗基罗智能仿生手，后收购英国RSL Steeper公司，获得Bebionic毕加索智能仿生手产品。 典型假肢手产品技术细节 Bebionic Hand (RSL Steeper/Ottobock)： 发明时间： 2011年。 设计层面： 采用欠驱动结构，具有11个自由度和5个驱动器。高度仿生，是目前最接近人手的假肢之一。每个手指都有独立的电机，实现精准抓握。连杆传动以及每根手指2DoF的低自由度设计，具备极佳的可靠性与实用性。 动力源： 直流电机驱动。 传动方案： 连杆传动。 特点： 可屈伸指关节、可选拇指位置、柔性指尖、独立电机、自动抓握。 参数对比： Bebionic在手掌抓握力（29.47N）上优于iLimb Pulse（17.11N）和Bebionic v2（22.53N），但略低于Michelangelo（78.14N）。其尺寸为198mm长，90mm宽，50mm厚。 Michelangelo Hand (Ottobock)： 发明时间： 2012年。 设计层面： 5指结构，具有6个关节和2个驱动器，为欠驱动结构。一个驱动器负责进行抓取，另一个驱动器驱动拇指，实现轻便化。 传动方案： 凸轮连杆。 产品特点： 仿生手指结构（柔性硅胶与硬质材料结合）、肌电信号控制的独立拇指（可实现对掌、内收、外展、侧面抓握）、AxonMaster智能处理器、椭圆形仿生手腕（具有生理腕关节外观，可掌伸、掌屈、被动旋转）、基于Axon-Bus智能总线系统的主驱动装置（瞬间完成海量数据精准传输）。 内部结构： 包含两个驱动单元，拇指驱动器使用户能够使用反向或侧向握持；主传动单元负责抓取动作和握力，无名指和小指由手指移动单元被动移动。 执行器结构： 以Panipat Wattanasiri的单驱动器假肢手为例，采用转矩0.239Nm的Maxon EC45-30W直流无刷电机和齿轮比100:1的Harmonic drive gear CSD-14-100-2A-R。执行器通过沿不同方向致动，实现精准抓取和力量抓握。 I Limb Ultra (Touch Bionics/Össur)： 发明历程： 2009年推出I Limb，2010年I Limb Pulse，2013年I Limb Ultra。 设计层面： 欠驱动结构，具有11个关节和6个驱动器。肌电控制，五个手指可以单独活动。可通过蓝牙连接到iPhone，用户通过点击屏幕快速选择手势。 传动方案： 蜗轮传动。 特点： 手指电机安装在近指骨中，使蜗杆相对于固定蜗轮旋转以弯曲手指；远端关节应用腱绳传动；手掌中的第六个电机实现拇指的外翻/内转，从而实现更多抓握功能。 Vincent Hand (Vincent Systems)： 发明历程： 2010年推出Vincent Hand。 设计层面： 高度仿生，高度集成，手掌部分集成了6个电机和驱动电路、机械传动结构。欠驱动结构，具有11个DOF和6个DOA。 传动方案： 蜗轮传动。 内部结构： 通过在手指中引入直径仅10mm的电机，实现对单个手指的独立驱动。四根手指各自配备独立驱动器，并通过四连杆驱动远端关节。拇指的掌指关节由两个独立的电机驱动。整体采用航空级铝合金制成，确保足够的拉伸强度和最小总重量。 RIC Arm (Rehabilitation Institute of Chicago)： 发明初衷： 设计一款轻便、更适合女性的机械手，克服传统设备重量和体积的限制。 动力源： 无刷直流电机。 传动方案： 齿轮/滚珠丝杠。 传感器： 具有霍尔效应传感器和电流传感器。 手指结构： 基于四连杆设计，提供掌指（MCP）和近端指间（PIP）关节的耦合弯曲。所有手指均由商用无刷电机（Maxon EC10）驱动，集成行星齿轮（4:1）后通过正齿轮连接到行星滚柱丝杠，行星滚柱丝杠再连接到四连杆连杆机构。正齿轮和行星滚柱丝杠之间的不可反向驱动离合器可保持抓握力，而不会持续消耗电池电量。 手肘内部结构： 采用定制外转子电机、行星减速器、摆线驱动和非反驱动装置。摆线传动装置提供高传动比、高效率且噪音较低。 SSSA MyHand (比萨圣安娜高等学校)： 发明初衷： 旨在设计一款克服现有假肢功能和过重限制的灵巧手。 设计层面： 欠驱动结构，有3个驱动器和10个关节。高度集成，M1驱动大拇指屈曲延伸，M2驱动大拇指内收/外展和食指屈曲/伸展，M3驱动中指、无名指、小指。灵巧轻便，重量为478克。 动力源： 无刷直流电机（Maxon EC10，8 W*3）+行星齿轮箱（64:1）。 传动方案： 蜗轮蜗杆/连杆。 传感器： 包括位置传感器（电机中的霍尔效应传感器）、触摸传感器（指尖）和电机电流传感器（电流分阻器）。 创新之处： 拇指外展/内收、食指屈曲/伸展半独立传动（TISIT），基于日内瓦驱动器和四杆机构，均由安装在执行器轴上的蜗轮并行驱动。日内瓦驱动器将驱动轮的连续旋转运动转换为从动轮的间歇旋转运动。 主流医疗假肢手参数对比 通过对Vincent、iLimb、iLimb Pulse、Bebionic、Bebionic v2和Michelangelo等主流医疗假肢手的参数对比，可以发现： 驱动器数量： Michelangelo以2个驱动器实现6个关节和2个自由度，在驱动器数量上显著少于其他产品（多为5-6个驱动器），但其手掌抓握力（78.14N）远超其他产品。 重量： Michelangelo约420g，是对比产品中最轻的。iLimb Pulse为460-465g，Bebionic为495-539g。 传动方式： 蜗轮蜗杆、连杆、丝杠、凸轮设计等多种传动方案被广泛应用。 自适应抓取： 除Michelangelo外，其他产品均具备自适应抓取功能。 投资建议 人形机器人产业链的投资机遇 人形机器人与人工智能技术正不断突破，产业链正处于放量前夕，面临巨大的投资机遇。五指灵巧手作为人形机器人与外界交互的重要媒介，是机器人功能性的直接体现。在医疗假肢领域，五指灵巧手需要在尽可能轻便的前提下，满足日常活动所需的功能。因此，优秀的案例往往使用最少的电机与减速机，通过精巧的传动机构带动更多的可控自由度，例如Michelangelo Hand（2个电机）、RIC Arm（2个电机）、SSSA MyHand（2个电机），实现的途径包括凸轮传动、日内瓦结构等。由于医疗假肢领域五指灵巧手的自身定位，人体的各项传感系统可对灵巧手的位置、动作起到实时控制，因此医疗假肢领域五指灵巧手在传感体系上相对弱化。 国产零部件厂商的投资机会 空心杯电机： 建议关注鸣志电器、鼎智科技、伟创电气、拓邦股份。 行星减速器、丝杠： 建议关注中大力德、双环传动、贝斯特。 传感器： 建议关注柯力传感。 风险分析 产业化进程不及预期： 目前人形机器人产业链成本仍较高，尚未具备确定的应用场景。若产业化进程不及预期，可能对供应链企业造成不利影响。 竞争加剧风险： 产业界对人形机器人高度关注，若后续丝杠、空心杯电机、减速器等领域竞争加剧，可能对供应链企业造成不利影响。 核心技术进步不及预期： 人形机器人的产业化推进有赖于AI、自动驾驶以及相关零部件的核心技术持续进步。若后续核心技术进步不及预期，可能对产业链落地造成负面影响。 总结 本报告深入分析了五指灵巧手在医疗假肢领域的应用，指出其控制与反馈机制与人形机器人高度相似，是人形机器人技术的重要应用场景。报告详细阐述了假肢手从装饰型到主动型的发展历程，以及肌电信号和肌动信号等控制信号采集技术。通过对Össur、Ottobock等国际巨头及其Bebionic Hand、Michelangelo Hand、I Limb Ultra、Vincent Hand等代表性产品的案例分析，揭示了当前医疗假肢手在多自由度、仿生设计和轻量化方面的技术趋势，特别是“少电机、多自由度”的精巧传动机构设计理念。报告还对比了主流医疗假肢手的关键参数，并介绍了RIC Arm和SSSA MyHand等前沿研究成果。最后，报告提出了人形机器人产业链中空心杯电机、行星减速器、丝杠和传感器等国产零部件的投资机会，并警示了产业化进程、市场竞争和核心技术进步不及预期等潜在风险。