Wie würde die Welt aussehen, wenn Roboter geschickte Hände hätten?

„Die eigentliche Herausforderung bei der Robotikentwicklung liegt in der Hardwaregestaltung, insbesondere in den komplexen Ingenieursproblemen von Händen und Unterarmen.“

Dieser scheinbar einfache Urteil trifft jedoch genau auf einen der zentralen Engpässe bei der Entwicklung von humanoiden Robotern – das Besitzen einer Hand, die so flexibel wie die menschliche Hand agieren kann, ist weit schwieriger als das Lehren eines Roboters zum Gehen oder Laufen.

Zwar ist es schon schwierig, einen Roboter stabil gehen zu lassen, aber um ihn in die reale Lebenswelt zu integrieren und ihm zu ermöglichen, Aufgaben wie das Servieren von Tee, das Bedienen von Werkzeugen oder das präzise Montieren auszuführen, ist die schlaue Hand ein unverzichtbarer Schlüssel. Dies ist nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch die Markgrenze, ob Roboter von der Demonstration zur praktischen Anwendung gelangen können.

Es ist erwartenswert, dass dank der Fortschritte in Material-, Sensor- und Steuerungstechnologie schlaue Hände, die Nähen, Eier greifen, Gitarren spielen und Kaffee zubereiten können, kürzlich auf der WAIC (Weltkongress für Künstliche Intelligenz) und der WRC (Weltmeisterschaft der Robotik) aufgetaucht sind und sich schnell in unser tägliches Leben einfügen.

Heute wollen wir uns die innovative Welt der schlauen Hände näher ansehen und sehen, wie diese wachsenden „Hände“ unser Leben verändern und die Grenzen der menschlichen Fähigkeiten erweitern werden.

Wie wird eine schlaue Hand „geformt“?

Die Hand ist eines der größten Vorteile, die uns die Evolution gegeben hat. Sie besteht aus 27 Knochen, 29 Gelenken sowie Hunderten von Muskeln und Bändern, die zusammenarbeiten. Sie kann sowohl feine Bewegungen wie das Ergreifen einer Nadel ausführen als auch Lasten von mehreren Kilogramm tragen.

Wenn wir erwarten, dass Roboter in unser tägliches Leben integriert werden, brauchen wir ebenfalls eine schlaue Hand. Die Füße ermöglichen es dem Roboter, zu gehen und zu springen, aber nur die Hände ermöglichen es ihm, Werkzeuge zu bedienen und besser mit der Umgebung zu interagieren. Man kann sagen, dass die schlaue Hand der „letzte Kilometer“ für die tatsächliche Umsetzung und den Dienst an Menschen von humanoiden Robotern ist. Daten zeigen, dass langfristig die schlaue Hand voraussichtlich 20 % - 30 % der Gesamtkosten eines humanoiden Roboters ausmacht und nach der Körperausführung eines der wichtigsten Hardwarekomponenten ist.

Der Kern der schlauen Hand liegt in ihrer mechanischen und strukturellen Gestaltung, die in Strukturform, Antriebsart, Übertragungsart, Sensorart und Material und andere Aspekte unterteilt werden kann. Derzeit gibt es in der Branche der schlauen Hände noch keine einheitlichen technischen Standards, und mehrere technische Routen existieren nebeneinander. Es gibt noch keine endgültige Meinung darüber, welche technische Route den größten Vorteil hat. Diese Situation des „Mehrheitenspluralismus“ zeigt sich besonders bei den drei wichtigsten Komponenten – Antriebsart, Übertragungsart und Sensoren.

Datenquelle: Shadow Robot-Website, Robotics and Computer-integrated Manufacturing, Dongwu Securities Research Institute

Antriebsart: Wie werden die „Muskeln“ trainiert?

Das Antriebssystem ist die „Muskulatur“ der schlauen Hand, vergleichbar mit dem Muskelgewebe im menschlichen Körper, das der Hand die Kraft verleiht. Es bestimmt direkt die Leistungsgrenze und das praktische Anwendungspotenzial der schlauen Hand. Derzeit sind die gängigsten Antriebsarten hauptsächlich Elektromotorantrieb, Hydraulikantrieb, Pneumatikantrieb und Antrieb durch Formgedächtnislegierungen. Unter ihnen ist der Elektromotorantrieb aufgrund seiner kombinierten Vorteile wie kleiner Größe, schneller Reaktion, einfacher Steuerung, hoher Stabilität und guter Präzision die am weitesten verbreitete Wahl in der industriellen Anwendung.

Drei gängige Elektromotoren für schlaue Hände:

Hohlwellenmotor: Er hat ein ultraleichtes Design, der neueste Durchmesser kann 3 - 4 mm betragen, und er hat eine hohe Drehzahl. Die Energieeffizienz liegt im Allgemeinen zwischen 75 % und 90 %. Er kann die Anforderungen der schlauen Hand an hohe Leistungsdichte und schnelle Dynamik besser erfüllen und ist derzeit die Hauptwahl für den Elektromotorantrieb von schlauen Händen.

DC-Bürstenloser Motor: Er behält die komplette Motorstruktur bei und legt den Schwerpunkt auf die Steuerpräzision. Er wird hauptsächlich in der allgemeinen industriellen Automatisierung verwendet.

Raumsparender Momentmotor: Er hat ein spezielles Design und behält nur die Kernkomponenten bei. Er strebt eine hohe Drehmomentdichte an und ist für hochintegrierte Roboter geeignet.

Übertragungsart: Wie werden die „Sehnen und Knochen“ verbunden?

Das Übertragungssystem ist die „Sehnen und Knochen“ der schlauen Hand. Es ist nicht nur für die Kraftübertragung verantwortlich, sondern spielt auch eine tragende Rolle für die Struktur. Mit der Entwicklung der schlauen Hand in Richtung hoher Belastbarkeit und Präzision durchläuft die Übertragungstechnologie einen Paradigmenwechsel von einem einfachen Modus zu einem komplexen System. Die Übertragungslösungen für schlaue Hände umfassen Stangenübertragung, Seilübertragung, Zahnrad/Spindelübertragung usw. Derzeit ist die am weitesten verbreitete Art die Seilübertragungslösung und die komplexe Übertragungslösung von „Seil +“.

Tatsächlich verwendeten die frühen mehrfingrigen schlauen Hände meist die Stangenübertragungslösung. Diese Lösung verwendet mehrere Stangenstrukturen in Reihen- und Parallelschaltung. Der Motor wird über ein Getriebe abgebremst, und dann wird die Kraft über die Stangenstruktur auf die Finger übertragen. Der Vorteil ist die hohe Steifigkeit, die Möglichkeit, große Gegenstände zu greifen und die kompakte Strukturgestaltung. Der Nachteil ist die sehr komplexe Übertragungsstruktur, das geringe Maß an Anthropomorphismus und die mangelnde Flexibilität.

Um flexibler und platzsparender zu sein, wurde die Seilübertragungslösung entwickelt. Sie simuliert in gewissem Maße die Sehnenstruktur der menschlichen Hand, verbessert die Greifgeschwindigkeit und kann auch die flexible Steuerung der menschlichen Hand simulieren. Sie ist geeignet für Übertragungssituationen mit wenig Platz und einer großen Anzahl von Freiheitsgraden.

Lingxinqiaoshou ist das einzige chinesische Unternehmen, das in der Lage ist, sowohl schlaue Hände mit Stangenstruktur als auch mit Seilstruktur kommerziell in Serie zu produzieren. Seine Forschungsversion Linker Hand verwendet die Lösung von „Seil + Stange“, hat 42 Freiheitsgrade, und jeder Finger kann unabhängig 9 Freiheitsgrade an Bewegungskontrolle realisieren. Es ist auch mit einem vollständigen Antriebssystem mit 360 - Grad - freier Drehung ausgestattet. Es kann nicht nur schwierige Bewegungen wie das Drehen eines Stifts und das Wenden von Walnüssen ausführen, sondern auch eine Tragfähigkeit von 5 kg, die die Grenzen der menschlichen Finger übertrifft.

Sensoren: Woher kommt das „Tastgefühl“?

Die Sensoren sind die „Haut“ und das „Nervensystem“ der schlauen Hand. Sie verleihen dem Roboter nicht nur die Fähigkeit, die Umgebung zu erfassen, sondern bieten auch die entscheidenden Informationen für seine feinen Operationen.

Die Sensoren, die von der schlauen Hand verwendet werden, können in zwei große Kategorien unterteilt werden: interne und externe Sensoren. Interne Sensoren werden hauptsächlich verwendet, um den Zustand der Hand selbst zu überwachen. Beispielsweise können Bewegungs- und Kraftsensoren in Echtzeit die Gelenkwinkel, die Position und die Bewegungsdynamik erfassen, um die Stabilität und Präzision der Bewegungen sicherzustellen. Externe Sensoren umfassen Näherungssensoren und Tastsensoren, die verwendet werden, um die Position, die Form und die Belastung des Zielobjekts zu erkennen, damit die schlaue Hand komplexe Aufgaben wie Greifen und Bedienen adaptiv ausführen kann. Beide Arten von Sensoren arbeiten zusammen und bilden die Grundlage für die Interaktion der schlauen Hand mit der physischen Welt.

Derzeit sind Tastsensoren zur Standardausstattung der schlauen Hand geworden, aber die technische Umsetzung hat verschiedene Schwerpunkte. Beispielsweise hat die Pacini DexH13 innovativ die mehrdimensionale Tast- und AI-Bildverarbeitungstechnologie kombiniert und 1.140 ITPU-Tastsensoren installiert, um die Erfassungsgenauigkeit in komplexen Szenarien zu verbessern. Die schlaue Hand von Zhiyuan hat Tastsensoren und Bildsensoren auf der Grundlage von MEMS integriert und kann die Form, das Material und sogar die Temperatur von Gegenständen erfassen.

Bildquelle: Screenshot aus dem Video-Kanal von Zhiyuan Robot

Drei Arten von Spielern, drei Lösungsansätze

Obwohl die technischen Routen der schlauen Hand noch nicht eindeutig definiert sind, wird der Markt immer lebhafter. Daten des Zhongshang Industrial Research Institute zeigen, dass der weltweite Markt für schlaue Hände von Robotern 2024 1,7 Milliarden US-Dollar betrug und bis 2030 voraussichtlich über 3 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Angesichts des Milliardenmarktes strömen immer mehr Spieler wie Pilze nach einem Regen ein und suchen nach geeigneten Anwendungsfeldern gemäß ihren technischen Stärken und Marktrichtungen. Diese Spieler können grob in drei Kategorien unterteilt werden:

Die erste Kategorie ist die „Eigenentwicklung der Roboterhauptgeräte“, d. h. die Hersteller von Roboterhauptgeräten in der unteren Wertschöpfungskette erweitern ihre Aktivitäten nach oben. Repräsentative Unternehmen sind Unitree, Zhiyuan, Magic Atom, Xingdong Jiyuan, Ubtech, Fourier, Zhongqing, Lingchu Intelligence usw. Diese Spieler konzentrieren sich hauptsächlich auf die Entwicklung von humanoiden Roboterhauptgeräten und entwickeln die schlaue Hand gleichzeitig als Kernkomponente des Gesamtsystems. Sie legen mehr Wert auf die tiefe Kopplung der schlauen Hand mit ihren eigenen Robotern in Bezug auf die Bewegungssteuerung und die Sensorfusion, um eine effizientere und präzisere Kooperation zu erreichen.

Beispielsweise kann die XHAND1 von Xingdong Jiyuan auf ihren Q5- und L7-Robotern mehrere Aufgaben erfüllen. Im April dieses Jahres hat Unitree Technology die Unitree Dex5 vorgestellt. Die einzelne Hand hat 20 Freiheitsgrade, unterstützt eine weiche und geschmeidige Rückwärtsantrieb und ist mit 94 empfindlichen Kontaktpunkten ausgestattet. Aus den Demonstrationen von Unitree kann man sehen, dass der humanoide Roboter H1 mit der Dex5 in der Lage ist, hochpräzise Bewegungen wie Karten spielen, Würfel drehen und Bücher blättern auszuführen.

Die zweite Kategorie ist die „Neue Kraft in der Nischenbranche“. Diese Spieler konzentrieren sich auf die Entwicklung und Produktion von schlauen Handprodukten und bringen in Bezug auf die spezifischen Marktbedürfnisse maßgeschneiderte Produkte auf den Markt. Sie legen Wert auf die technische Innovation und die Anpassung an die Anwendungsfelder. Repräsentative Unternehmen sind Lingxinqiaoshou, Lingqiao Intelligence, Zhongke Guiji usw. Diese spezialisierten Hersteller haben mehrere Branchenführende Produkte entwickelt, und einige Unternehmen haben in bestimmten Nischenmärkten technische Barrieren und Wettbewerbsfähigkeit aufgebaut.

Beispielsweise konzentriert sich die Version mit hohem Freiheitsgrad der Linker Hand-Serie von Lingxinqiaoshou auf das Forschungs- und Bildungsfeld und bietet Hochschulen und Forschungsinstituten fortschrittliche Forschungswerkzeuge für die Forschung in Bereichen wie Roboterbewegungssteuerung und Sensoralgorithmen. Die Version mit niedrigem Freiheitsgrad wird in leichten Bereichen wie Kosmetik und Gesundheitsfürsorge eingesetzt.

Die dritte Kategorie von Spielern ist die „Quer-Einsteiger“, d. h. die Hersteller von Komponenten in der oberen Wertschöpfungskette erweitern ihre Aktivitäten nach unten. Sie nutzen ihre technische Expertise und Produktionskapazität in den Kernkomponentenbereichen, um in den Markt für schlaue Hände einzusteigen und Herstellern von Roboterhauptgeräten kostengünstige schlaue Handprodukte oder Kernmodule anzubieten. Repräsentative Unternehmen sind Zhaowei Machinery & Electronics, RoboSense, Leadshine Technology usw.

Beispielsweise hat der Marktführer in der Laserscannerbranche, RoboSense, bereits 2024 seine erste Generation von schlauen Händen vorgestellt und Anfang 2025 die zweite Generation, die Papert2.0, offiziell auf den Markt gebracht. Leadshine Technology, das in Bereichen wie Schrittmotoren und Servomotoren starke technische Fähigkeiten hat, hat durch die Kombination von Motortechnologie und schlaue Handgestaltung schlaue Handprodukte für Anwendungen wie industrielles Greifen und Transport entwickelt.

Der anhaltende Wettbewerb zwischen alten und neuen Spielern treibt ständig die technische Iteration der schlauen Handbranche voran und beschleunigt den Prozess der Industrialisierung der schlauen Hand. Insgesamt gibt es einige deutliche Trends:

Zunächst steigt die Anzahl der Freiheitsgrade kontinuierlich an. „So ähnlich wie möglich der menschlichen Hand“ ist seit langem das Ziel der Entwicklung der schlauen Hand. Früher hatten schlaue Hände normalerweise etwa 6 Freiheitsgrade. Gegenwärtig haben die gängigen Produkte im Allgemeinen 12 - 20 Freiheitsgrade und nähern sich immer mehr der Anzahl der Freiheitsgrade der menschlichen Hand. Selbst die Forschungsversion Linker Hand L30 von Lingxinqiaoshou ist mit 42 Freiheitsgraden ausgestattet, weit mehr als die echte menschliche Hand. Aber die Erhöhung der Freiheitsgrade bedeutet auch eine größere Schwierigkeit in der Steuerung. Unternehmen streben nicht mehr nur nach der Anzahl, sondern legen zunehmend Wert auf die effektive Verteilung und die koordinierte Steuerung der Freiheitsgrade, damit jeder Finger sowohl unabhängig bewegen als auch gut zusammenarbeiten kann.

Zweitens ist die Leichtbauweise und Miniaturisierung zu den Hauptinnovationrichtungen der chinesischen Unternehmen geworden. Frühere internationale Produkte von schlauen Händen, wie die Shadow Dexterous Hand (Standardversion), waren fast doppelt so groß wie die Hand eines erwachsenen Mannes und eigneten sich eher für schwere Roboterarme. Mit der Popularität von humanoiden Robotern wird es immer wichtiger, schlaue Hände mit geringem Gewicht und hoher Flexibilität zu haben. Unternehmen haben auch kontinuierlich gezielte Fortschritte erzielt. Beispielsweise haben die Dex5 - 1P von Unitree, die Linker Hand O6 von Lingxinqiaoshou,