灵巧手分类、驱动方案、传动方式与技术选择分析

无刷无齿槽可以作为灵巧手电机的驱动方案。

1.灵巧手分类：外形、驱动方式和传动方式

灵巧手是机器人的手部末端执行器，通常有多种分类方式。 从外形来看，可以直观地将其分为抓夹和仿生人手。抓取式通常为2指或3指，可以进行简单的开合动作，完成简单任务如抓取等；仿生式灵巧手外形更贴近人类手部，目标则是实现类人手的复杂任务。 从驱动方式来看，主要有电机驱动、液压/气压驱动和人工肌肉驱动。 从传动方式来看，控制弯曲运动的方式来分类，可以分为齿轮、连杆传动和腱传动3种。 一款灵巧手可以根据不同分类进行搭配和定义，适配不同的公司技术和应用场景。如Shadow Hand公司的主要产品采用【仿生】+【人工肌肉】+【腱传动】的方案，德国 SCHUNK 公司的气动平行爪夹持器采用【抓夹】+【气压驱动】+【连杆】的方案。

2.驱动方式：电机驱动是仿生灵巧手的主流驱动方式

电机驱动方案是目前人形仿生灵巧手的主要选择，根据设计和应用场景，存在不同放置部位和数量的方案。大致可分为外置手腕电机、手指根部电机和手指关节内置电机。手指根部电机和手指关节电机通常以微型空心杯电机为主。 电机在灵巧手上的应用方案种类很多，下面结合传动方案举例： 案例一：以shadow hands为例，手腕驱动外置+手指关节内置电机+腱传动：将传动机构和大部分的电气系统置于前臂处（大力矩电机），手指关节采用内置微型电机和腱绳传动，优点：可以实现单根手指的自驱动，自由度高；缺点：需搭载电机的数量较多，成本较高，如ShadowHand是搭载20个电机+腱传动方案。

案例二：手指根部电机+连杆/齿轮传动：优点：结构较为简单，利用连杆传动的欠驱动结构减少电机数量，如HRI hand 单手需要6个电机，四指均由根部1个电机+两个四连杆+三个关节构成，指模块不需要电机驱动。 电机驱动+连杆传动过程：电机牵引MCP->MCP 和 PIP 关节连接到四杆连杆A->PIP 和 DIP 关节连接到四杆连杆B->PIP 和DIP 关节通过与MCP关节连接的电机进行操作。

空心杯电机是灵巧手的优选电机方案，是一种无铁芯转子结构的直流电机，与传统直流电机相比，省去铁芯支撑结构，其转子或定子由空心杯状的线圈绕组、连接板和主轴共同组成，其结构紧凑、效率高、灵敏度高、运行稳定，关键零部件为空心杯线圈。空心杯电机又可以分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。 灵巧手手掌可以选用无刷无齿槽电机的方案，外径可以达到10mm。该方案改善了传统无刷有槽电机将绕组绕在定子铁芯上的结构，改为绕组外堆叠定子铁芯片，从而避免了齿槽转矩的产生。转子在360°内运行平稳，没有顿挫感，整圈的输出扭矩也更平滑，噪音更低，提升了系统输出的稳定性。

3.传动方式：不同方案的比较

灵巧手传动方式可以主要分为连杆传动、腱绳传动和齿轮传动三种。连杆具有刚度好、负载强、制造简单、成本低的优势，缺点是自重重、抗冲击能力弱；腱绳是柔性传动，容易实现更多自由度，重量轻，缺点是易磨损+更换的高成本、精确度较低且目前生产成本较高；齿轮传动方案下，齿轮可以配合直驱传动，实现主动关节均在本位且全部解耦，同时实现关节反驱，提高抗冲击力，缺点是自重较重（星动纪元的纯齿轮准直驱灵巧手重量达1.1kg）。 腱传动设计下，电机和驱动器被放置到灵巧手外部（如手腕处），有利于实现远距离传动和减少灵巧手体积。 腱驱动方案又可分为N、N+1、2N三种，如，N+1方案中，腱绳数目比关节数目多1，自由度为3的食指和中指，需要4根腱绳来实现对关节的完全控制，减少了电机驱动数目。

4.各公司灵巧手技术选择如何？

灵巧手产品：整机厂自研+灵巧手单品类供应商为主

应用于人形的灵巧手以【仿真】人手为主，其现代化定义要求必须具有至少3根手指、9个独立自由度、丰富的传感器系统以及执行操作任务的能力。

Optimus灵巧手专利：特斯拉灵巧手零部件拆解

通过特斯拉公开的灵巧手专利文件，特斯拉灵巧手采用手掌内置电机+减速器，单个电机+减速器驱动对应单根手指；单根手指的208、206和210共设置2个耦合关节。

Optimus灵巧手专利：腱绳布线创新点

该专利提供一种创新型的腱绳布线方法。此外，在腱绳到达远端第二指关节504时，该端腱绳末端未固定而是浮动在504中，提供了一定的移动盈余，避免了腱绳的断裂或压痕。 优点：1）抓握时可以施加更大的力；2）产生更均衡的关节扭矩+易于微调扭矩，替代微调变速箱，减少零件数量并降低零件复杂性；3）降低腱绳的损坏：腱绳在远端指尖处有移动的盈余，可以一定程度避免腱绳的断裂或压痕。

优必选灵巧手专利：直线驱动件+弹性件+连杆实现抓握动作

优必选的灵巧手手指专利采用直线驱动件+连杆的方案，直线驱动件放置在第一指节近手掌端，通过弹性件实现两个指节的依次位移，使两个指节均能抓握待取物，提高手指与待取物之间的贴合度，降低滑脱风险。 抓握物品的传动顺序为：直线驱动件210启动->驱动件输出轴212延长->第一弹性件410驱动指节200向掌心内移动，同时第二指节300相对200保持不变->200接触物体->输出轴继续延长->300向内弯曲移动->实现手指握持姿势。

银河通用：基于类“嵌套”的驱动器+连杆结构，提高抓握能力

银河通用发布一种灵巧手的专利，采用刚性组件驱动+连杆传动的方案，刚性驱动组件内置手掌。该专利中描述的设计的目的是提高手掌的弯曲程度，进而降低手掌与手指机构配合抓握物体的难度。 该手指主要分为121驱动器、122连杆和123指节三部分，其中驱动器位置高于连杆高于前端指节，三部分形成类似于半嵌套的结构，当驱动器启动时，前端连杆和指节的部分可以更大角度地向下弯折，从而提高手掌的弯曲程度。

星动纪元：垂直叠放关节模组以增加偏摆自由度

星动纪元提供一种增加机械手指偏摆度的方法，即机械手指绕指根部左右摇动的能力。手指的偏摆自由度可以通过第一关节模组输出轴异面垂直（可理解为叠放）于第二关节模组的输出轴的方式实现。这一技术有利于将偏摆度应用到大拇指上，从而实现更高的仿真效果。 实现偏摆度的结构为：以右图所示的食指为例，第一关节模组31的输出件(5334a等)与连杆62使用销钉连接(铰接)->连杆62与食指第二关节模组32的末端(例如末端连接件563)使用销钉连接(铰接)->食指第二关节模组32的末端563放入手背骨架14食指转轴处->食指第一关节模组31的输出轴异面垂直于食指第二关节模组32的输出轴->实现食指3的偏摆，使之具有偏摆自由度。

因时机器人：关节内置微型电机+并联，分别控制指节和指尖的方案

因时机器人的一种灵巧手方案同样采用了单根手指装配包括指关节内置微型电机在内至少两个电机，两个电机各控制一个伸缩杆，实现了多个主动自由度，并采用电机并联的方式，替代了普通的串联，降低了设计与装配的复杂度。 单根手指的连接顺序为： 1）电机部分连接路径：机架1->第一球轴承2->第一直线电机4->第一伸缩杆6；机架1->第二球轴承3->第二直线电机5->第二伸缩杆7，两个直线电机平行排布； 2）手指部分连接路径：第一直线电机4-第一伸缩杆6与驱动杆10在B绞接，驱动杆10与连杆12在H绞接，连杆12与指尖单元15在F绞接；第二直线电机-第二伸缩杆7与摆杆11在D绞接，摆杆11的另一端与指节单元在C绞接。 由此，第一直线电机4是指尖单元15的驱动设备，第二直线电机5是指节单元14的驱动设备。直线电机5运动、电机4不动，可以实现机械手指指节屈伸（图指节弯曲）；电机5不动、电机4运动，可以实现手指指尖屈伸（图指尖弯曲）；电机5、4同时运动，是前述两种动作的复合，可以实现机械手指自伸展到指尖和指节均触碰物体的屈曲状态（图触碰物体）。