人形机器人灵巧手技术路线分析

电驱+复合传动+带力和触觉传感为主导方向。

1. 自由度数量：有自由度提升趋势

人手共有 24 个自由度。据《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，人手 24 个自由度包含拇指 5 个自由度，其余 4 指各 4 个自由度，另外还有腕的外展、腕的弯曲和手掌的弧度 3 个自由度。

若机器人的灵巧手驱动源数量等于自由度，为全驱动；若驱动源数量小于自由度，为欠驱动。全驱动方案每个指关节 都有驱动器，功能接近人手，可实现更高的精度；而欠驱动虽然集成度更高，但功能性不足，对于精度要求比较高的 手指精巧控制无法胜任。

自由度越多，设计难度越大，难题之一是如何安置众多驱动器，让灵巧手的尺寸接近人手。目前已知自由度最多的是 Shadow Hand，自由度达到 24 个。特斯拉人形机器人第一代单手拥有 6 个自由度，第二代 11 个自由度，整体向自由 度更高发展。2014 年起，已有至少 4 款灵巧手做到了 21 个自由度，传动方式上，韧带、腱绳和齿轮连杆均有采用。

2.驱动方式：电驱为主流技术方向

灵巧手主要的驱动方式包含 4 种：电机驱动、液压驱动、气压驱动和形状记忆合金驱动。 电机驱动兼备精度和经济性。电机驱动方式中，电机经减速器控制转矩和转速后通过其他传动装置将旋转运动转化为 手指的弯曲运动。驱动系统主要由电机、减速器组成。优势在于体积小、响应快、调控方便、稳定性好、精度高、输 出力矩稳定等。后文将对主流手部电机空心杯电机和无刷有齿槽电机进行详细拆解。 液压驱动适用于大力抓取，但体积过于庞大。液压驱动方式中，不可压缩的液体将被压入封闭系统，进而推动活塞移 动，使手指产生力量和运动。驱动系统一般由液动机、伺服阀、油泵和油箱组成，常被用于工业机械手中，适合大型 抓取作业。人手的重量较低，但可以实现单手吊环等大力输出动作，液压实现大力抓取的可能性最大，但系统庞大， 小型化和便捷性技术有待突破。 气压和形状记忆合金驱动重复定位精度较低。气压驱动方式中，将对空气进行压缩，空气的压力会推动活塞或膜片移 动，进而转换成机器人手的运动。气压因为难以实现精确的位置控制，常用在简单的抓持手，不能实现多关节的灵活 运动。 形状记忆合金驱动经过变形后加热到一定温度，可以恢复到之前的形状而产生力驱动灵巧手的运动，但无法长时间工 作，并且疲劳强度较低。

综合对比可知，电机驱动是最适合灵巧手批量生产使用的方式。主要因为随着电机设计、加工技术以及电子技术等的 进步，能够为灵巧手提供体积小、出力大的微型电机，其次因为电能的获取、存储容易，为电机提供了应用的基础。 可能采用的电机包括空心杯电机、无刷有齿槽电机等。 空心杯电机方案能效高，适合电池供电且长时间运行的灵巧手。空心杯电动机采用无铁芯转子，消除了由于铁芯形成 涡流而造成的电能损耗，因此效率更高，转动惯量小，易于控制。根据《空心杯微型电机及线圈的研究进展》，空心杯 电机主要具备以下特点：（1）节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在 65%以上，部分产品可达到 90%以上 （铁芯电动机一般不超过 75%）。（2）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，根据《空心杯微型电机及线圈的研究进 展》，机械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以上）。（3）波动特性： 运行稳定性十分可靠，转速的波动很小。作为微型电动机，空心杯电机的转速波动能够容易的控制在 2%以内。因此空 心杯电机特别适合电池供电同时又要求长时间运行的应用场合，例如仿生手、人形机器人和手持电动工具等。

空心杯电机主要难点在于绕组设计、动平衡设计及资金投入。因此新进入者的技术积累较浅，难以达到机器人领域的 高效率等要求。 （1）绕组设计：绕组需要保证线圈的高密度以及排列的一致性，从而使得产品具备高功率和扭矩密度。绕组的形态 具备多样性，不同形态的绕组会直接影响生产的良率，但多数技术都被外资企业申请专利，进一步加大国内企业突破 的难度。 （2）动平衡的设计：转子动平衡是电机生产制造过程中极其重要的一个工序，直接关系到电机的噪声、振动指标性 能是否达标。转子动平衡差异的原因是不同企业使用了不同的磁性材料，导致转子的质量分布不均一。 （3）资金投入：电机的自动化生产线中设备价格较高，绕组设备单台价格百万以上，且需要设备厂商定制化开发，对 空心杯电机厂商的资金要求较高。

无刷有齿槽电机方案是降本的一种可行方式。手指部位可使用的电机可按有无齿槽区分为无刷有齿槽电机和无刷无齿 槽电机： 1）有齿槽：无刷直流电机大多采用有齿槽设计，即线圈绕制在定子上的齿槽中； 2）无齿槽：空心杯属于无齿槽电机；在无齿槽电机中，定子上没有齿槽结构，线圈单独绕制成型，直接固定在定子表 面或内部。

由于空心杯电机具备小直径、扭矩波动小等特点，机器人当前仍以空心杯电机为主导。无刷有齿槽电机功率较空心杯 电机更大，同时大直径导致其短期仅能安装在大拇指（空间容忍度更高）。相比于空心杯电机，无刷有齿槽电机有齿 槽力矩，导致速度和扭矩都有更大的波动，有铁芯之后无法做高速运转；空心杯电机可以做到高速、小直径，主要通 过手掌结构来起承载重量，从这个角度看，无刷直流电机的功率更大，可以放在大拇指上，但是短期不会放在其他手 指上，因为手指要更小更轻巧。 电机未来发展方向是围绕降本增效，主要通过缩小体积、减轻重量的方式实现，如谐波磁场电机、一体化技术电机。 1）谐波磁场电机：通过改变电机内部设计结构，实现缩小体积、增大功率密度；2）一体化技术电机：通过集成减速 器等产品，实现缩小体积、增大功率密度。

3. 传动方式：布局丝杠正成为手部传动的发展趋势

传动方式主要包含腱绳、丝杠、齿轮、连杆等。早期灵巧手曾经采用齿轮、连杆等传动机构，然而因为尺寸和质量大、 运动不灵活等问题逐渐被淘汰。模仿动物肌腱传动方式的腱绳传动目前广泛被灵巧手采用，根据各公司 2024 年中报， 上市公司正集中研发手部丝杠，布局丝杠正成为传动的发展趋势。 腱绳传动，使用线绳模拟人手的肌腱结构，可以使得大型的驱动器远离执行机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓 取的速度，排布灵活，因此适合空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合。 连杆传动，使用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩。手指的运动和动力由刚性连杆传递，能够抓取大型的物 体且结构设计紧凑，可以完成包络抓取。缺点是难以远距离控制，容易发生弹射，且抓取空间较小。

齿轮/蜗轮蜗杆传动，通过齿轮或者蜗轮蜗杆将驱动器的旋转运动转换成直线运动，拉动驱动器和手指间的弹簧来驱 动手指产生动作。

滚珠丝杠传动，根据《空间五指灵巧手控制系统设计_韩运峥》，电机和滚珠丝杠外置于手臂中，电机通过减速器带动 滚珠丝杠，电机轴的旋转运动被转化为丝杠螺母的平移运动，丝杠螺母拉动腱绳，腱绳另一端连接到手指指骨上，拉 动手指关节绕关节轴旋转，形成手指弯曲运动。据特斯拉公开资料，特斯拉后续将驱动装置安装在手臂而非手指里面。

灵巧手的传动装置一般可以分为三级：（1）第一级：位于电机侧，主要为减速器，起到的作用是精度调节；（2）第二 级：最重要，负责动作执行；（3）第三级：连接驱动器和关节末端，主要是腱绳和连杆。从市场案例看，一级传动以 皮带为主，二级传动主要采用丝杠或者锥齿轮，三级传动基本都会采用腱绳和连杆。 综合对比看，各种方案各有所长，但由于工厂中的劳动场景需要有较高的承载力，而丝杠是承载力最高的传动方案， 因此有可能在工厂场景中成为主流。

4. 传感器：特斯拉手部传感器数量有增加态势

总体手部上可使用的传感器包含力、位移、触觉、角位移、视觉、压力、力矩、位置、霍尔和温度传感器等。其中， 触觉、视觉和温度传感器属于外部感知，力、位移、角位移和力矩属于内部感知。

据《机器人灵巧手：建模、规划与仿真》，用于灵巧手的传感器主要有位置和触觉传感器，测量关节位置是实现手指运 动控制所必需的基本要求，实际中经常用霍尔元件、电位计和光学传感器来测量位置。而触觉传感器主要用于反馈接 触信息，一般包含力传感器和接触传感器两种。其他的传感器可以针对特殊任务需要而增加，如接近觉、视觉、加速 度和振动等。

具体使用案例上，根据特斯拉 GEN2 发布会，特斯拉机器人上确定搭载了触觉传感器。对于其他的方案，总体还有多 种传感器可以选择，如 DLR/HITHand 官网显示，其使用了关节力矩传感器、关节绝对位置传感器、电机霍尔传感器、 触觉传感器和温度传感器。

5. 方案选择：性能与成本的综合博弈

受经济成本和技术制约影响，目前看最适合灵巧手采用的方案是：驱动采用电机，传动采用腱绳或丝杠（可搭配其他 传动件），传感器采用内部加外部传感器（力、触觉传感器是高频使用的）。