灵巧手优势、发展历程、政策与技术分析

灵巧手是人形机器人的“神经末梢”与价值高地。

1. 灵巧手：高度仿生、集成化、智能化

灵巧手是人形机器人“肢体”的关键部分。人形机器人由“大脑”“小脑” 和“肢体”构成，灵巧手作为“肢体”的关键结构，对实现机器人精细操作 意义重大。前瞻产业研究院数据显示，人形机器人中价值量排名前三的结构 或组件分别是线性执行器/旋转执行器/灵巧手，占比分别为 19.64%/19.64%/ 17.98%，而各类执行器也是驱动灵巧手的手指关节运动的核心零部件，因 此灵巧手也可以称之为人形机器人的价值高地。

灵巧手是一种以仿生学为设计基础，具备多手指、多关节结构，能够模仿人 手复杂操作能力的末端执行器。从技术结构来看，灵巧手集成了多自由度的 仿生手指、多样化的驱动系统、高效的机械传动方式、先进的感知技术、精 确的控制系统等。相较于其他类型的抓手类末端执行器，灵巧手在结构仿生 度、操作灵活性、环境适应力、感知交互力、任务执行力等方面有显著优越 性。比如，结构简单的两指夹持器难以抓持复杂物体，多指抓持手虽然在稳 定性上提升，但缺乏对目标的操作能力，而灵巧手尽管技术难度和制造成本 均较高，但在功能上更胜一筹，且更易被市场接受。

历经五十余年演进，灵巧手正向更高的仿生度、集成化和智能化的方向发 展。国外灵巧手发展历程大致可分为四个阶段。（1）1970-1980 年技术萌芽 期：1974 年，日本电工实验室研发出首款严格意义上的灵巧手 Okada，共 3 个手指、11 个自由度。（2）1980-2010 年系统集成发展期：20 世纪 80 年代， 斯坦福大学推出采用 3 指 9 自由度和 N+1 腱结构传动设计的 Stanford Hand， 为多指抓取控制提供关键参考；20 世纪 90 年代至 21 世纪初，意大利博 洛尼亚大学研发 UB Hand 系列，从 UB Hand Ⅰ 逐步升级到 2004 年 5 指15 自由度的 UB Hand Ⅰ 。（3）2010-2020 年技术深化期：2011 年，20 个 自由度的 UB Hand Ⅰ研发成功；2016 年，华盛顿大学研制出高度仿生灵巧 手，通过人造关节囊、韧带等结构复现人手特征，抓取灵活性显著提升。（4） 2020 年至今多元化与实用化探索期：2021 年，韩国研发的 ILDA 灵巧手 采用连杆驱动，具备 15 个自由度和触觉感知，且质量仅 1.1 kg，接近实用 化。国内灵巧手在 20 世纪末 21 世纪初起步，目前还处于初期阶段。早期 代表性成果如 2001 年哈工大与德国宇航中心合作研发 HIT/DLR 灵巧手， 采用齿轮连杆传动，共 4 指 12 自由度。此后，高校科研机构与企业多方发 力，不断推陈出新。比如，2022 年北京因时机器人公司研发的 5 指 6 自由 度灵巧手，以微型线性致动器驱动，可应用于假肢和服务机器人等领域。

3. 市场空间大，政策支持度高

灵巧手市场规模有望进入加速扩张阶段。根据 QYResearch 预测，2030 年全 球机器人多指灵巧手市场规模将超过 50 亿美元，2024-2030 年 CAGR 为 64.6%。对于中国市场，GGII 数据显示，2024 年机器人灵巧手销量为 0.57 万只，2024-2030 年 CAGR 达 90%，到 2030 年预计超 34 万只，其中人形 领域销量 32.5 万只。

从竞争格局看，中国正加速追赶，因时机器人、傲意科技等竞争力较强。当 前美国在灵巧手行业优势明显，而中国正在迅速积累技术经验，凭借庞大市 场和政府支持等加快市场化步伐。智研咨询数据显示，2024 年，北美/欧洲 /亚太地区的灵巧手市场规模占全球比例分别为 32.56%/25.25%/37.92%。国 外灵巧手典型企业有 Shadow Robot、Festo、SCHUNK 等；对于国内市场， GGII 从技术、规模、资本、品牌、口碑等多维度评选出了 2025 年最具竞争 力的前十名企业，包括因时机器人、傲意科技、帕西尼感知等。

政策密集出台，支持人形机器人及灵巧手技术攻关。国家层面，2021 年， “十四五” 机器人产业发展规划率先强调研制智能灵巧作业末端执行器； 后续工信部等多部门联合出台人形机器人创新发展指导意见、关于推动未 来产业创新发展的实施意见等，进一步部署 “机器肢”等关键技术。地方 层面，各地政府纷纷响应，出台人形机器人相关行动方案，提出推动产学研 合作、加强建模和控制技术攻关等措施。最新出台的深圳市具身智能机器人 技术创新与产业发展行动计划则指出了仿生多指灵巧手的发展方向，即轻 量化、高载荷、高灵活性、具备精细操作能力。

4. 灵巧手技术解构：“机械—感知—控制”一体化协同

4.1. 按自由度分为全驱动和欠驱动

自由度是一个系统可以独立运动的方向数。对于人手而言，自由度与手指关节相对应。一根手指通常有三个关节，即远端指节关节（DIP）、近端指节关 节（PIP）和掌指关节（MCP），对应 4 个自由度；大拇指更复杂，有 5 个自 由度；手腕的旋转和移动还有 6 个自由度。因此，人手共计 27 个自由度。 灵巧手的自由度与人手的自由度类似，而驱动源则是提供动力以执行动作 的组件或系统，决定了灵巧手能够独立控制的关节数量。

按自由度和驱动源相对数量，灵巧手可分为全驱动和欠驱动两类。如果灵 巧手的每一个自由度都有对应的驱动源，则称之为全驱动；如果部分自由度 共用同一个驱动源，或者某些自由度没有直接的驱动源而是通过机械结构 实现联动，则称之为欠驱动。全驱动的设计可以实现更高的灵活性和精确度， 更类似人手，但成本和技术难度也会相应增加，体积也会更大；而欠驱动设 计则结构更加简洁，质量较轻，但是会牺牲精细控制的能力和适应性。目前， 灵巧手的一大方向即为设计以较少自由度实现高自由度功能的新型结构， 达到轻量化和高性能兼具的目的。

4.2. 驱动方式：电机驱动最常见

按驱动方式，灵巧手可分为电机驱动、气动驱动、液压驱动和功能材料驱动 等。电机驱动以直流电机、交流电器、步进电机、伺服电机等各种电机当作 动力输出机构，其中伺服电机广泛用于机器人关节，可以通过反馈系统精确 控制位置和速度。气动驱动是指通过系统内部的气道充压产生动力，利用空 气的可压缩性和流动性来传递能量，从而实现关节的运动。液压驱动指通过 动力元件推动液体，在缸体内产生压力差，从而驱动机器人运动。功能材料 驱动指利用新型材料驱动关节，比如常见的形状记忆合金（SMA），可以在 外部电场作用下，电流产生的焦耳热使温度超过其临界温度，引发马氏体向 奥氏体的结晶相变，从而产生收缩力，使弹性体发生弯曲变形。中国科大研 究团队以 SMA 为人工肌肉驱动，集成 23 组传感单元和 38 组阵列式 SMA 驱动器，设计了一种 19 主动自由度轻质仿生假肢灵巧手，同时具备舒适性、 高自由度和精确性。

电机驱动在灵巧手中应用最为普遍。上述四种常见的驱动方式各有优劣，相 比之下，电机驱动更适合灵巧手的任务要求，在实际设计中的应用也更为广 泛。与气动驱动相比，电机驱动输出力矩稳定、控制精度更高，可以实现更 精细的动作；与液压驱动相比，电机驱动不使用液压油，更加清洁环保，且 体积较小，系统集成性好；与形状记忆合金驱动相比，电机驱动可重复性好、 响应速度快，不需要精确控制形状变化的过程。尽管电机驱动也存在成本较 高、内置布局复杂的缺点，但综合来看仍是比较适合的驱动方式。

根据驱动器的位置，电机驱动可分为内置驱动、外置驱动与混合置驱动。内 置驱动指灵巧手的电机和减速器等部件均位于手指内部，这种方式操作性 强、各关节刚性好、集成度高。例如，DLR-HIT Hand Ⅰ就是典型的内置式 灵巧手，由 5 个相同的手指和 1 个手掌组成，有 15 个自由度。外置驱动则 是把电机放在灵巧手外部，比如手臂部位，再通过某种传动方式将动力传递 到手指关节，便于灵巧手的外观设计，且驱动器选型更自由。比如，Robonaut Hand 2 通过腱绳传动方式和“N+1”规则优化肌腱数量，将电机封装在前 臂内，减少手部体积；整手有 14 个自由度，手掌有 12 个，手腕有 2 个；被 应用于国际空间站。混合置驱动则是将一部分驱动器放在手臂，一部分内置 在手内，不仅保证驱动力，减小灵巧手本体的体积，也能便于传感器直接测 量力矩。

空心杯电机体积小、效率高，十分适用于灵巧手。空心杯电机是一种特殊的 永磁伺服电机，采用无铁芯转子，彻底消除传统电机因铁芯形成涡流导致的 电能损耗，集合了转矩波动低、运行稳定、效率高、动态相应好的优势，与 体积小、精度高的灵巧手十分适配。空心杯电机分为两类，有刷型空心杯电 机直接通过电刷换向实现旋转，而无刷型空心杯电机利用霍尔元件检测位 置达到闭环控制。对体积、效率、寿命等要求相对更高的灵巧手来说，无刷 型电机更加合适。

4.3. 传动结构：从动力传递到精准操控的核心枢纽

灵巧手的传动方式有齿轮或蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、连杆传动、腱绳传动 等。具体而言，可分为三级结构。一是电机与减速器等结合形成齿轮减速机 及皮带，负责降速和提高输出扭矩；二是丝杠，实现直线运动；三是采用连 杆或腱绳等将驱动器和关节末端连接起来，从而使关节运动。 减速机的功能在于降低转速和提高输出扭矩。减速机是一种集成了驱动电 机和减速器等的机械传动装置，工作原理是通过小齿轮带动大齿轮的方式 把驱动电机的高转速转化为低转速，并提高输出扭矩，传动比可以理解为大 小齿轮的齿数比。DLR-HIT Hand Ⅰ是典型的采用齿轮传动的灵巧手，所有 的电气和驱动系统均内置在手指中，采用了同步带齿形带与谐波减速器组 合的方式，能够减小手指宽度，保证平稳性和精确性，有效降噪。

精密减速器包括行星减速器、谐波减速器、RV 减速器、蜗轮蜗杆减速器等， 其中谐波减速器和行星减速器目前在灵巧手方面的应用较广。 （1）行星减速器主要由太阳齿轮、行星齿轮、内齿轮环和行星架等组成， 依靠太阳齿轮与电机相连，行星齿轮围绕太阳齿轮转动，再利用行星架输出 扭矩，优点在于体积小、效率高、承载强，但单级结构减速比小、精度低， 故往往应用于低精度的旋转关节。 （2）谐波减速器主要由波形发生器、柔轮和刚轮组成，通过波形发生器的 弹性变形波使柔轮和刚轮相互作用，实现减速，具有结构紧凑、高减速比、 零齿隙、高扭矩密度的优点，但承载力弱、寿命短、成本高，适用于机器人 手部等对灵活度要求高的部位。

（3）RV 减速器一般由行星齿轮减速器和摆线针轮减速器的两级减速装置 构成，依靠正齿轮变速和差动齿轮变速的复合传动原理，具有传动比多样、 精度高、稳定性强、寿命长的优点，但体积大、工艺复杂、成本较高。一般 用于工业机器人，而非人形机器人。 （4）蜗轮蜗杆减速器利用主动件蜗杆的螺旋齿带动从动件蜗轮旋转，传统 蜗轮蜗杆传动采用齿顶啮合方式，接触范围小，精度低，而环面包络的设计 能够实现多齿同时啮合，具有传动比大、运行平稳、寿命长、噪音低的优点， 适合应用于机器人小型关节，但效率较低，可能有能量损耗。

丝杠模组将旋转运动转换为直线运动，滚动丝杠精度更高。丝杠模组是一 种直线运动执行元件，通常由螺母和螺杆/丝杠组成，螺杆旋转带动螺母将 旋转运动转换成直线运动。常见的丝杠有基于滑动摩擦原理的梯形丝杠（滑 动丝杠）和基于滚动摩擦原理的滚动丝杠两类，而滚动丝杠又包括滚珠丝杠 和行星滚柱丝杠。人形机器人的关节对精度要求较高，精度越高，定位和重 复定位能力越精确。相比于梯形丝杠，滚动丝杠精度更高，也更适用。其中， 行星滚柱丝杠是一种较为新型的高端传动元件，既能大负载、高加速度运行， 又可以降低精度损失，延长设备的使用寿命。

连杆传动方式刚度高、负载强，但柔性不足。连杆传动通过刚性连杆传递动 力，常见使用方式为多个连杆串并联混合，一个典型的例子为韩国的 ILDA 灵巧手。一个手指共有 3 个自由度，掌指关节（MCP）为并联结构设计，具 备 2 自由度，而近端指节关节（PIP）为串联设计，具备 1 个自由度，并且 带动远端指节关节（DIP）联动。三个电机通过滚珠丝杠产生线性位移，经 连杆机构转化为手指的 3 自由度运动，实现高精度抓取与操作。总体来看， 连杆传动具有结构紧凑、刚度好、负载能力强、容易实现精度的优点，但柔 性不足、抗冲击性差、远距离控制困难。

腱绳传动柔性高、排布灵活，但精度低、响应慢。腱绳可以模拟人手的肌腱， 用电机带动腱进而使手指运动，可以使驱动器外置，远离执行机构，节省末 端空间，为兼顾完全控制和减少驱动器数，一种常见方式是采取“N+1”的 方案，即用比手指自由度多一根的腱绳控制手指。腱绳传动具有柔性高、排 布灵活、可驱动较多自由度的优势，但也存在精度低、响应慢的局限性。特 斯拉的 Optimus Gen3 灵巧手、英国 Shadow Robot 的灵巧手均采用了这种传 动方式。

4.4. 感知技术：力矩和触觉传感器是重点

灵巧手的感知方式可分为运动感知和力感知两类。运动感知包括对灵巧手 姿势、工作空间和操作对象运动学的理解，包括构型感知（位置传感器、弯 曲传感器）、距离感知（接近觉传感器）、物体或手的重建与姿势估计（视觉 传感器、触觉传感器）等。力感知在灵巧手与环境的互动中发挥作用，包括 交互力感知（电子皮肤、腕部力传感器）、指尖接触力感知与滑动感知（触 觉传感器）等。

六维力传感器可测量力和力矩，具备高精度和强抗干扰特性。六维力传感器可以同时测量坐标系中的三力和三矩，通常以应变片为敏感元件，在外力 作用下的形变导致电阻值变化，对力进行测量。这种传感器能沿 6 轴控制， 具备高精度和强抗干扰的优点，在人形机器人上主要用于手腕、手部、脚踝 和足底等。

触觉传感器能使灵巧手获取物体的形状、纹理、硬度等信息，实现精准抓 取、操作和稳定控制。触觉传感器主要包括四种。一是电容式传感器，基于 电容效应通过电容值或电容变化感知接触和压力，具备高灵敏度、高精度、 对低频信号响应快的优点，但对高频信号响应慢，容易受到环境影响。二是 压电式传感器，利用压电效应将压力转化为电荷或电压信号，对动态信号响 应快、能承受高压、耐久性高，但灵敏度较低，同样易受环境影响。三是压 阻式传感器，基于压阻效应，通过电阻值或电阻变化感知压力，其灵敏度高、 适合大面积测量，但响应速度慢、不适用高频信号测量。四是视触觉传感器， 由相机成像系统、照明结构和接触凝胶层组成，通过相机捕捉接触过程中凝 胶层的微小变形，生成触觉图像，结合计算机视觉技术分析提取触觉特征； 能够融合高分辨率与多模态，具备高实时性和广泛适用性，但结构复杂、制 造成本高。

4.5. 控制算法：多模态大模型的应用是趋势

控制算法是实现灵巧手精确控制和智能化操作的关键。目前，灵巧手主流 控制算法为强化学习，随着近年来多模态大模型（MLLM）的兴起，设计者 将其应用于灵巧手的任务导向控制，进行多样化抓取。MLLM 能同时处理 图像、文本、语言等多数据类型，实现深层语义理解与跨模态推理，综合能 力强，能帮助灵巧手实现端到端的动作控制。 星动纪元 ERA-42 大模型是世界首个五指灵巧手具身大模型。2024 年 12 月，星动纪元发布 ERA-42 大模型，是国内首个真正意义上的端到端原生机 器人大模型，比肩 Figure AI Helix 模型的端到端技术结构，也是世界上首个 真正的五指灵巧手具身大模型。该模型具备如下几个优势：（1）基于 ERA42 的星动 XHAND1 能完成 100 种以上复杂灵巧操作；（2）融合世界模型， 既能理解物理世界与预测未来，又具备更强的泛化能力和自适应性；（3）模 型规模与任务成功率成正比，初步体现类似大语言模型的“Scaling 效应”。

4.6. 灵巧手的技术仍在不断迭代升级

当前，灵巧手仍在结构设计和智能感知与操作上面临一些技术难点。在结 构设计方面，由于要在有限体积内兼顾高结构强度与多模态感知，需要综合考虑驱动系统与传感器布局并保障结构稳定，涉及多学科交叉；同时，灵巧 手的材料要适应复杂极端条件并兼具轻量化、低成本特性，有待进一步研发 新型材料；平衡结构通用性和操作效率也是一大挑战。在智能感知与操作层 面，多模态数据需要融合异构信息，但感知精度和数据格式上的差异给高效 融合造成困难；此外，通用操作策略的生成和长时间操作任务的执行也是需 要解决的问题。 对比国内外各灵巧手产品的技术特征，可以发现存在以下几个发展趋势。 （1）轻量化：大部分灵巧手重量都在 1.5kg 以下，雷赛智能的 DH116 仅有 490g，傲意科技的 ROHand 也仅约 545g。 （2）高仿生与高自由度：从手指个数看，除了帕西尼科技的 DexH13 Gen2 是 4 根手指外，主流是与人手一致的 5 根。从自由度看，灵巧手的关节数 和主动自由度都在提高。比如，特斯拉的 Optimus Gen3 相较于 Gen2 由 11 个提升到 22 个，主动自由度由 6 提升到 13-17。 （3）电机驱动为主：灵巧手产品的驱动方式基本上采用电机驱动，且很多 采用空心杯电机，比如特斯拉的 Optimus Gen3、宇树科技的 Dex5-1、星动 纪元的星动 XHAND1 等。 （4）腱绳和连杆传动居多，直驱和复合传动为新方向：灵巧智能 DexHand 021 量产版、灵心巧手 Linker Hand L30 的腱驱版均采用了腱绳传动，而因 时机器人的 RH56BFX、RH57BFX、RH56DFTP 均采用连杆传动。一些灵巧 手新品也在追求仅采用电机和减速器的全直驱结构，比如兆威机电 17 个主 动自由度的仿生灵巧手、灵心巧手 21 个主动自由度的 Linker Hand L30 直 驱版。特斯拉新一代 Optimus 的灵巧手则采用了齿轮箱+丝杠+腱绳的复合 传动方式。 （5）多模态感知：触觉传感器一般为灵巧手标配，还和整合力觉、视觉等 传感器，并且能够与 AI 技术结合，全方位提升灵巧手感知能力。 （6）国内外比较：从发展历程看，国外灵巧手研究起步较早，市场体系相 对成熟，而我国从 20 世纪末 21 世纪初才开始进行，处于追赶过程。从自 由度看，国内主流产品的主动自由度以 6 自由度以及其他较低自由度为主， 与人手自由度和国外主流产品自由度相比均有差距；不过，国内厂商的技术 水平提升较快，目前灵心巧手最新发布的 Linker Hand 钛金板的科研版本最 高能达到 42 个自由度，已成为全球自由度最高的灵巧手。从传动机构看， 国内产品还是以单一传动方式为主，而特斯拉已在探索复合传动方式。从控 制算法看，星动纪元发布的 ERA-42 大模型在各方面性能上已经能比肩 Figure AI 的 Helix 模型。从价格上看，英国的 Shadow Hand 单价约 150 万 元，而国内产品价格大约在 10 万元以内，Linker Hand O7 仅 8800 元，国内 供应链相对完善，成本优势明显。