灵巧手驱动结构类型、放置方式、方案及电机选择分析

电驱方案为主流，空心杯电机及无刷有齿槽电机或为主要选择。

1.驱动结构：可分为全驱动/欠驱动结构，欠驱动方案应用更广泛

根据自由度、驱动源数量的关系，灵巧手驱动结构可分为全驱动及欠驱动：

全驱动灵巧手的驱动源数量等于自由度，操作更精巧，但体积、重量、成 本存在劣势：全驱动灵巧手的所有关节均单独配置驱动器，每个手指关节 均能独立控制，整手具备更强的精细操作能力。但全驱动结构下，驱动器 等硬件零部件用量更大，整手成本更高、结构复杂、体积更大。

欠驱动灵巧手的驱动源数量少于自由度，在牺牲控制精度的情况下实现更 优的体积、重量、成本，应用更为广泛：欠驱动灵巧手存在部分不配置驱 动器的关节（多位于手指末端），进行耦合随动。该结构下驱动器少，结构 简单下体积相应较小，成本也较低，且抓取包络性好。但对应的，欠驱动 灵巧手的控制精度也较低。

2. 放置方式：外置、混合置或为短期优解

按照驱动系统安装位置的差异，可分为：外置、内置、混合置。在现有电机技 术下，内置方案下执行器数量增长往往对应着灵巧手本体重量及体积的增加， 因此我们认为短期来看外置、混合置或为较优解，但未来随着驱动/传动系统出 现新技术变革，内置亦有广阔发展空间。

外置是早期主要方案，但存在难控制、难维护等问题：外置方案下，驱动 系统安装于灵巧手外部，需要用腱绳连接驱动源与手指末端，可将灵巧手 本体做小，采用体积、力矩更大的电机，但传感器难以直接测量手部状 态，非模块化设计也导致后期维护困难。

内置随技术发展而逐步应用，但在自由度提升趋势下，可能会导致手部体 积、重量的提升：即驱动系统安装于灵巧手内部，解决了外置存在的系列 问题，但手部体积、重量有所提升。

混合置结合内置、外置方案的优点，但仍需采用腱绳传动：驱动系统在本 体及前臂均有安装，此模式下能够结合内置、外置的优势，在提升手指输出扭矩的同时减少本体体积，但由于部分执行器距离关节的位置较远，仍 需采用腱绳传动。

3. 方案选型：电机驱动更契合灵巧手的需求，为当前主流方案

电机驱动是当前时点最优方案，应用最为广泛：电机驱动通过电机产生力/ 力矩，直接或通过传动机构将力传导至关节促其运动。在电气化率提高背 景下，电能获取及储存相对容易且电-力的转化技术相对成熟，电机具有输 出力矩稳定、精度较高、响应迅速、体积较小等优势，是当前时点的最优 驱动方案，包括特斯拉、Figure、智元等在内的主流主机厂均采用电机驱 动方案。针对人形机器人第一性原理，电机未来或朝着减重、提功率密度 等方向发展。

气压驱动在精度、稳定性、体积存在一定劣势：气压驱动通过压缩空气产 生的压强差作为动力源，兼具低成本、操作简易、响应迅速、柔性强等优 势，但气压受温度、海拔等因素影响，因此精度、稳定性相对受限，且该 方案下的大体积架构不利于远期集成化发展。

液压驱动输出力矩大，但同样在精度、体积等方面受限：液压驱动通过液 体介质的静压力作为动力源实现驱动，输出力矩大。但其在体积、稳定 性、液体泄漏/后期维护等方面存在劣势。 

形状记忆合金驱动是新兴技术路线，在灵巧手应用相对较少：该方案通过 变化温度来对形状记忆合金的形状、机械性能形成影响，其中镍钛记忆合 金材料应用最广泛。其兼具位移大、功率重量比高、方向灵活度高等特 点，但在成本、寿命等方面受限，更适用于高速/高精度/小负载的装配场 景。

4.电机选择：可选方案包括直流无刷电机、空心杯电机及无框力矩电机

用于灵巧手的电机方案主要包括直流无刷电机、空心杯电机及无框力矩电机。

直流无刷电机使用寿命、成本更优，但响应速度慢、体积大，适用于高功 率密度、高负载的场景：其转子结构更稳固，因此在稳定性、寿命更具优 势，但其转动惯量较高，因此响应速度慢于空心杯电机。

空心杯电机的核心优势在响应迅速、能量转换效率高，但成本、输出扭矩 存在劣势，适用于快响应、空间/能耗要求高的场景，是当前机器人电驱方 案的主要选择：是微型伺服直流电机的一种，其最大特点是采用无铁芯转 子，消除铁芯形成涡流而产生的电能损耗影响，同时重量、转动惯量显著 更小，在响应速度、功率体积比、运行精度、效率等方面具备优势，能量 转换效率普遍超 85%。但在输出扭矩等方面较其他两种方案存在劣势，所 以常需要行星齿轮箱以提升扭矩，同时其杯型绕组成型工艺复杂，产品良 率、成本存在劣势。

无框力矩电机：其可直接耦合，无需齿轮等传动装置即可驱动负载，具有 低转速、大扭矩的优势，较空心杯电机具有一定成本优势。