靈巧手是機器人的靈魂,是機器人復用人類生產所用工具的關鍵。特斯拉推出人形機器人Optimus以來,其靈巧手為了向仿人手方向進化,就在持續探索迭代。
由于機器人靈巧手集結構、軟硬件系統研發于一體,其難點貫穿機械設計、驅動控制、傳感反饋、算法優化等多個層面,目前全球靈巧手研究與產業化的主流方向普遍圍繞著體積、自由度展開。
近日,機器人大講堂獨家獲悉,南京一家企業就在產品上完美兼顧了體積和自由度特性,突破了體積-自由度-性能的“不可能三角”,這款名為EC-DexHand-5F的靈巧手,不僅有著20個主動自由度,而且尺寸是目前市面上能找到最小的一款!
這款產品將在4月15日在北京舉辦的2025人形機器人與具身智能產業大會上首次公開亮相。
▍20自由度最小靈巧手
靈巧手產品技術難度大,行業也大多存在“虛標”。據機器人大講堂了解,目前市場上很多靈巧手企業雖然標稱“20自由度”,或者“16+自由度”,但實際都會注明“主動自由度12個”等字樣,這類產品一般很難獲得海外企業以及高校實驗室的認可。
原因是在機械領域,自由度大多是指機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目,市面上大部分所謂20自由度靈巧手,本質上都達不到20個自由度,其真正的自由度只有其注明的主動自由度。為此,今年2月份韓國機器人技術公司Tesollo推出的五指仿人機械手Delto Gripper-5 Finger(DG-5F)一度宣稱是全球市場上最小以及真正擁有20個獨立自由度的產品。
相比TESOLLO的DG-5F,本次因克斯推出的EC-DexHand-5F不僅尺寸更小,其體積完全與成年男子手一樣大,而且自由度分布更接近人類的手,便于使用其他設備獲取人手的狀態來遙操靈巧手采集數據。
就技術上而言,機器人靈巧手的復雜程度遠超其他機器人部件,在更小的體積實現更多的自由度并非易事。因為在硬件結構設計上,靈巧手每個關節自由度的微型化設計都需平衡緊湊性與結構強度,例如仿生手指需容納驅動單元、傳動機構及傳感器,同時需要兼顧輸出力或響應速度的平衡,外表材料選擇也需兼顧輕量化與耐用性、適應性和剛性。
在軟件算法上,高自由靈巧手的實時求解由于涉及高度冗余的數學優化問題,更是需通過雅可比矩陣偽逆或神經網絡快速生成可行解。例如多指協同操作時,需動態規劃各關節力矩以避免自碰撞,并適應不同物體的形狀與重量,這對計算資源的實時性要求極高。此外,阻抗控制則需精準建模環境剛度與阻尼參數,動態擾動下的穩定性保障仍是難題。
因克斯的做法突破了原有的結構,其在EC-DexHand-5F上采用了獨創的關節小型化方案,將手指每個活動關節都做成一個獨立的關節模組,并集成了電機、減速器和驅動器。這種分布式驅控設計可讓靈巧手像“積木”一樣靈活組合拆解,避免如交叉肌腱或聯動齒輪等傳統設計中多關節傳動鏈的復雜結構,降低了整體機械復雜度。
為了防止過熱損傷,延長模組壽命,EC-DexHand-5F還在如此小空間內實現了每個關節配置雙編碼器和溫度電機溫度傳感器,這種設計有效保證了電機過溫失效,顯著降低機械磨損與熱衰減風險,提高了產品的可靠性,讓靈巧手斷電重啟零位不丟失,便于落地到真正的場景中。
更進一步拆解,其內部電機采用的是直流無刷電機,經過因克斯數次優化,已經能做到在保證較大扭矩輸出的同時,平衡低齒槽轉矩,讓指關節力矩輸出更加平穩和柔順。由于將每個指節做成獨立的關節模組,這種做法簡化了逆運動學求解,多個單自由度閉環控制,所以靈巧手的指節控制協議也與因克斯關節模組通信協議能保持一致,便于客戶上手,同時該設計還同時支持伺服控制、力位混控、力矩控制、電流控制、阻尼模式等,降低了算法復雜度,且模式切換可以無縫銜接,不需要斷電重啟。
(手指末端關節驅控一體)
目前,EC-DexHand-5F指節力矩最大可達2Nm,最大負載2kg,已經足夠滿足機器人在人類日常生活中的任務操作需求,而且EC-DexHand-5F的指節驅動則采用高精度的驅動芯片,電流控制精度可以達到0.1A的有效值,因此指節力矩精度能夠突破0.05Nm以上,從而能夠完成更多精密操作。
可以預見,基于模塊化關節與冗余散熱設計,EC-DexHand-5F在壽命與可靠性方面也會有著更優表現。因克斯透露,公司已規劃針對工業、醫療等典型場景的壽命壓力測試,計劃于2025年發布完整的可靠性驗證報告,為不同領域用戶提供量化選型依據。盡管使用壽命數據仍需結合具體工況實測最終驗證,但基于實驗室加速老化測試與同類模塊的歷史表現,因克斯這款產品將在耐久性情況上同樣值得期待。
▍交期與價格一覽
成本與可靠性的平衡是產業化的關鍵。由于高精度傳感器、定制化關節與仿生材料的成本高昂,往往限制了全球靈巧手的大規模生產與應用。
在價格方面,韓國的ILDA hand售價為5萬美金一只,英國的Shadow robot靈巧手售價高達10美金一只,Alt-bionic的靈巧手也需要3萬美金一只,TESOLLO推出DG-5F雖未公布售價但預計也達到數萬美金,國產低自由度靈巧手售價則已經來到了2萬~7萬元人民幣。
因克斯的EC-DexHand-5F相較國外同類型產品,在體積與自由度方面有著明顯優勢,但目前初步售價僅定為20萬元人民幣,國外售價也僅在3萬美金,以便于更準確覆蓋更大范圍的科研以及產業用戶,未來基于用戶反饋實現持續的迭代。
因克斯對機器人大講堂透露,之所以制定20萬元人民幣的銷售價格,并非旨在與國內同行進行價格戰,因為20萬元的價格對于大多企業和科研機構會是一個較大的需求分水嶺。但是20萬元的價格背后所蘊含的新技術架構,卻可以吸引全球更多關注靈巧手科研以及產業化落地的探索者。
EC-DexHand-5F這種獨特的20自由度設計,每個關節均可實現反驅,可做力反饋和力控,非常符合具身大模型訓練的需要,能夠讓人形機器人與具身智能體的靈巧操作真正朝著“指尖級”能力進化,技術優勢非常明顯。
機器人大講堂獲悉,目前physical intelligence(Pi)團隊已經與因克斯建立聯系,前者就對該項技術表現出了極大的興趣。因克斯計劃5月份正式開始陸續出貨第一版產品,以幫助首批合作開發者占據領先的優勢。
同時,因克斯也直言,該款產品目前已經解決核心零部件的量產問題,后續產品優化還會根據用戶反饋持續進行,未來隨著產能的提升和銷售的上漲,以及未來降本工作的開展,售價也有望逐步下調,這將為其未來攻下海內外市場打下更加堅實的基礎。
▍更多產品系列
非常值得關注的是,在本次大會上,因克斯還帶來了另外兩個系列的產品,來助力人形機器人和具身智能行業發展,分別是BMS的機器人專用智能電池和輕量化諧波關節模組。
(ENCOS智能電池)
因克斯目前發布三款智能電池分別是EC-BAT48V-240Wh、EC-BAT48V-468Wh和EC-BAT48V-2986Wh,這三款將在5月中旬陸續出貨。這三款型號主要運用場景是小人形機器人(1m高度)、中型人形機器人(1.4m高度)、全尺寸人形(1.8m高度),同樣也適合小四足(15kg重)、中型號四足(30kg重)和工業級四足機器人(60kg重)等。因克斯智能電池采用最新的三元鋰21700圓柱電池,能量密度高達300Wh/kg。具備六大保護功能:過充保護、過放保護、三級過流保護、10us低延時短路保護、過溫保護以及支持容性負載的預放保護。有效保護電池,避免損壞,支持485、CAN通訊、具備無線模塊,實現高速回傳電池電壓、電流、溫度等狀態信息。
對于跨界推出智能電池,因克斯團隊稱,其主要考慮的是用于提高機器人的整體用電安全性。由于目前產業界缺乏一定整合,開發者外購電池方案往往很難滿足產品的一體化設計需求,因此,因克斯嘗試將關節模組,通信模塊、智能電池三者合并為一個完整的機器人動力解決方案,以此降低機器人的硬件制造門檻。此舉也有望縮短開發者研發周期,專注于整機設計和落地場景,并更好解決企業量產化問題,為人形機器人整機以及具身智能企業實現產品落地提速。
關于輕量化諧波關節模組,因克斯推出的也是三款,分別是EC-A3814-H14-107、EC-A5013-H17-100、EC-A6013-H20-100。三款產品主要性能如下。
三款模組的性能非常強悍,相比于普遍用于協作機器人場景的諧波模組,因克斯的產品重量輕了將近1/2,更加適用在C端場景使用。推出這三款性能階梯的產品,因克斯團隊主要考慮的是把場景聚焦在人形機器人的手臂,咖啡、奶茶機器人等對關節模組重量比較看重的場景,這三款產品可以通過不同的組合實現2~5kg的機械臂設計,能滿足絕大多數針對C端場景的機器人需求。
(EC-A3814-H14-107、EC-A5013-H17-100、EC-A6013-H20-100圖)
同時因克斯稱,也會在近期推出中空版本的行星關節模組,將進一步利于機器人的走線和外觀設計。
▍關于企業
因克斯智能科技有限公司自2022年成立以來,一直以專注品質,追求極致為理念,堅定看好人形機器人和具身智能賽道,與客戶共同成長。
目前公司月產能為4000個關節,已經初步建設完整的生產流程體系,保證產品的品質,到今年年底,計劃實現月產能1萬臺關節,并且與客戶一起搭建更加完善的供應鏈體系。
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