灵巧手功能与系统组成有哪些？

灵巧手由驱动系统、传动系统、感知系统三大核心系统组成。 

1. 驱动系统：电驱方案为主流，空心杯电机与无刷直流电机有望共存

电机驱动方案系人形机器人运动执行端的当前主流技术路线。其通过伺服电机实现关节高 精度控制，兼具响应速度快、功率密度高等核心优势，可显著提升机器人的动态运动性能及灵巧操作能力，目前行业主流灵巧手均采用电机驱动的方案。 当前灵巧手主流电机方案为空心杯电机和无刷直流电机，其集成减速装置、编码器、温度 传感器、热管理模块等零部件，形成机器人灵巧手的驱动系统。除空心杯电机和无刷直流电机外， 无框力矩电机具备一定应用潜力，但是当前应用无框力矩电机的灵巧手案例较少，尚未成为主流 方案。

1.1 空心杯电机：体积小、转速高、功率密度大，是灵巧手应用最多方案

空心杯电机是一种特殊结构的直流电机，其区别于传统电机的核心在于其无铁芯转子设计。

空心杯电机的核心优势在于体积小、转速高、功率密度大、响应速度快，但其线圈设计技术 难度高，绕线工艺难以实现自动化，相关绕线设备国产化程度低，因此成本也相对更高。当前空 心杯电机成本较高，未来大规模量产后价格有望降至千元以内。

1.2 直流无刷电机：体积大、成本低，有望成为降本替代路线

直流无刷电机由电动机主体（定子、转子、位置传感器）和驱动器（功率电子器件、控制单 元）组成，借助霍尔元件实现电机的连续运转，主要应用于新能源汽车、智能家居等场景。 直流无刷电机相对于空心杯电机、无框力矩电机成本较低，能够满足人形机器人降本需求， 但是体积相对较大，需要集成在机器人手臂中，常与腱绳传动方案搭配使用。

空心杯电机与直流无刷电机均为人形机器人灵巧手主流电机应用，在降本、负载能力提升、自由度提升及小型化的趋势下，这两种电机亦可搭配使用。

1.3 无框力矩电机：满足机器人高集成化需求，目前应用较少

无框力矩电机是一种无外壳、直驱型永磁伺服电机，由定子绕组、永磁体转子及编码器构成。 无框力矩电机具有低转速高扭矩的特点，能够直接驱动灵巧手运作，能够省略齿轮等传动装置。 无框力矩电机组成的传动系统中没有齿轮、皮带或者皮带轮等传动部件，能够实现更高的效 率和更轻的重量，满足人形机器人灵巧手轻量化和集成化的需求。

当前灵巧手采用无框力矩电机直驱方案的应用相对较少，当前仅有 Dexhand 和 Spacehand 等少数灵巧手采用无框力矩电机。 我们认为空心杯与直流无刷电机在未来仍会是人形机器人灵巧手的主流电机方案，无框力 矩电机得益于其优秀的功率密度和直驱设计，有望实现部分应用。

2. 减速模块：将低扭矩、高转速运动转化为高扭矩、低转速运动，减速器为 核心部件

减速模块是将电机输出的低扭矩、高转速运动转化为高扭矩、低转速运动的传动部件。常 见的减速部件包括行星减速器、谐波减速器、蜗轮蜗杆齿轮箱等，其中行星减速器和蜗轮蜗杆齿 轮箱为当前主流应用方案，微型谐波减速器技术壁垒较高，是未来的重要发展方向，但是当前发 展尚不成熟。

2.1 齿轮/蜗轮蜗杆：通过齿轮或者蜗轮蜗杆的交错轴传动实现减速，传动效率较低

齿轮/蜗轮蜗杆齿轮箱通过齿轮或者蜗轮蜗杆的交错轴传动实现大减速比、高扭矩输出和自 锁功能，搭配齿条能够将旋转运动转化为直线运动。特斯拉一代灵巧手应用蜗轮蜗杆齿轮箱方 案，蜗轮蜗杆方案优势在于体积小、传动速比高，输出扭矩大等优势，适用于两轴交错、传动比 较大、传递功率不太大或间歇工作的应用场景；但是蜗轮蜗杆之间为滑动摩擦，因此传动效率相 对低、涡轮容易磨损，并且容易引起发热。

2.2 行星减速器：灵巧手应用最多的减速器类型，具有高负载、多级扩展性特点

行星减速器（也称行星齿轮箱）是当前灵巧手应用最多的减速器类型，主要组成部分包括 太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架等，由太阳轮带动行星轮旋转完成减速，减速比由太阳轮、行 星轮和内齿圈的齿数决定。

相对于谐波减速器，行星减速器结构更加简单，具有高负载、多级扩展性特点。当前灵巧手 内行星减速器通常和电机集成为驱动系统。

2.3 微型谐波减速器：高精度减速方案，但是微型谐波技术尚不成熟

谐波减速器由柔轮、刚轮和波发生器组成，通过波发生器迫使柔轮产生形变，利用柔轮和刚 轮的齿数差形成错齿啮合传动，将高速低扭矩旋转运动转化为低速高扭矩旋转运动。谐波减速器 生产制造难点在于柔轮材料配方以及热处理工艺，人形机器人零部件供应商需要维持生产一致性 的同时面临较高的降本压力。 应用于灵巧手中的微型谐波减速器直径需要降至 20mm 以下，对于生产厂商的工艺精度、材 料加工等方面要求较高，当前哈默纳科微型谐波减速器技术较为成熟，在灵巧手内已有应用。

综上所述，灵巧手减速器主要包括三类：行星减速器、谐波减速器和蜗轮蜗杆齿轮箱，我 们认为未来蜗轮蜗杆齿轮箱方案占比将会逐渐减少，行星减速器将成为应用最广泛的的减速方 案，微型谐波方案当前暂不成熟，短期内不会大量应用于灵巧手内。 行星减速器：结构简单成本较低，易于设计和制造，并且负载相对较高，可靠性相对较高，但是劣势在于减速比较小，通常需要多级减速，占用体积较大； 谐波减速器：微型谐波方案具有更高的减速比，结构更加紧凑，精度更高，但是目前微型谐 波减速器的制造难度较高，成本相对较高，目前仅有哈默纳科等少数厂商具备成熟的生产制造能 力； 蜗轮蜗杆齿轮箱：蜗轮蜗杆齿轮箱通过齿轮螺旋啮合实现大速比传动，结构简单、零件少、 成本低，有自锁性、运动平稳，但传动效率低、发热严重、零部件磨损快、寿命低、精度不如谐 波减速器。

3. 线性传动：丝杠方案为核心，具有高负载、高精度和高刚性等优势

丝杠是机械设备中将旋转、直线运动相互转换的传动部件。按照结构不同，丝杠可分为行 星滚柱丝杠、滚珠丝杠和梯形丝杠，其中微型滚珠丝杠在灵巧手内应用较多，未来行星滚柱丝杠 亦有望逐渐增多应用。 行星滚柱丝杠：行星滚柱丝杠将行星减速器与丝杠的原理融合，在主螺纹丝杠的周围，行星 式地布置了 6-12 个螺纹滚柱，由传统滚珠丝杠式的点接触变换成了精度与承载力更高的线/面接 触。 滚珠丝杠：由螺母、螺纹丝杠、滚珠构成。工作过程中由电机带动丝杠部分旋转，通过在螺 母内部滚道的滚珠带动螺母部分直线运动，从而完成高效率的直线传动。 丝杠具有强大的承载力、优异的精度保持性和刚性等优势，能够提供较大的推力和高负载能 力，适应人形机器人执行复杂任务时对精细控制和稳定性的需求。但早期有成本高昂、有量产能 力的供应商少、配套控制算法不成熟等问题，限制丝杠在机器人领域的应用。

当前国内上市公司正积极开发灵巧手丝杠，相对于滚珠丝杠，行星滚柱丝杠加工难度更高， 缩小体积难度更大。 除丝杠外，蜗轮/蜗杆+齿条也可以将旋转运动转化为线性运动，是丝杠方案以外的另一线性 传动方案。蜗轮蜗杆齿轮箱搭配丝杠方案往往过于笨重，因此需搭配齿条实现线性传动。

4. 末端传动：末端传动部件连接指尖，主流方案为腱绳与连杆

4.1 腱绳方案：类似人体肌腱，具有高柔性、易蠕变、易磨损特点

腱绳的功能类似于人体的肌腱，通过柔性的绳索传递动力，驱动手指关节实现精细运动。 当前主要应用的腱绳类型包括钢丝绳和高分子绳，钢丝绳强度和刚性相对较高，蠕变特性弱，但 是刚度太强不易折弯，柔韧性和耐磨性不如高分子材料。目前主流的腱绳方案应用高分子材料如 UHMWPE，其强度高密度低，具有耐磨抗蠕变等功能，寿命较金属腱绳更长。 灵巧手电机外置方案常需搭配腱绳。电机内置驱动方案的集成度高、控制精度高，但手指 体积较大，且电机的体积限制不能获得较大的驱动力；腱绳驱动方案将电机和传动装置后置于手 臂内，减小了手指的体积和重量，留出足够的空间用于安装指尖六维力/力矩传感器和关节角位 置传感器。腱绳的劣势在于蠕变和磨损问题，需要定期保养和更换。

4.2 连杆方案：刚性传动方案，加工简单成本低，但是体积大重量高，抗冲击能力弱

连杆传动通过刚性构件（即连杆）以低副（转动副、移动副等）连接实现运动传递。连杆传动 方案为刚性结构，因此具有高负载、高传动刚度、高稳定性等优势，同时连杆多为标准金属件， 加工难度较低，成本较低，耐用性高；但是多杆串联的结构体积大、重量大，刚性结构的抗冲击 能力弱，末端惯性问题和长运动链会影响手指定位精度。我们认为面向高精度操作需求的灵巧 手会偏向于采用腱绳方案，例如手术机器人，而对于负载要求较高的应用场景会采用连杆方案。

5.传感器：包括位置传感器、力/力矩传感器、触觉传感器

灵巧手的传感器主要分为位置传感器、力/力矩传感器、触觉传感器。 力矩传感器：用于测量旋转或非旋转机械部件所受扭转力矩的装置，将扭力的物理变化转换 为精确电信号。 位置传感器：检测物体位置或位移，并将其转换为可用电信号的装置，用于反映物体是否到 达特定位置或运动状态。 触觉传感器：模仿人类触觉功能的传感器，用于感知物体接触、压力、滑移等多维物理信息， 实现机器人对外界环境的触觉反馈。

5.1 力/力矩传感器：应用于灵巧手内部，为灵巧手提供动态力反馈

力/力矩传感器原理是利用应变片的形变产生的电阻变化，将力/扭力的物理变化转化为电信 号。力矩传感器实时测量每个关节的扭矩，为灵巧手提供动态力反馈，通过算法为腱绳/齿轮/ 连杆等传动系统提供误差修正，弥补其传控缺陷。 从感知维度角度区分，力传感器可分为一维到六维传感器，六维传感器是维度最高的力觉传 感器，能够同时测量三维空间中的三个正交方向力（Fx、Fy、Fz）和绕这三个轴的旋转力矩（Mx、 My、Mz），从而完整描述物体在空间中的受力状态，给出最全面的力觉信息。

力传感器的核心为弹性体与应变片，应变片的设计与制造能力是传感器制造企业的重要竞 争力来源。应变片的设计能力及制造工艺直接决定了传感器的测量精度、长期稳定性和环境适应 性，在工业自动化、机器人精密操控及医疗设备力反馈等高端应用中已成为企业突破技术壁垒、 抢占市场份额的核心竞争力。

5.2 位置传感器：用于检测灵巧手的位置、位移或运动状态，编码器应用较多

位置传感器是工业自动化和智能设备中的核心组件，用于精确检测物体的位置、位移或运动 状态，并将物理位置信息转换为电信号，实现系统的闭环控制与反馈，机器人位置传感器应用最 多的类型是编码器。

编码器是测量电机位移、角度的高精度传感器，可分为光编码器和磁编码器。磁编码器成本 较光编码器更低，但磁编码器的精度低于光编码器，初期考虑精度和成本，初期灵巧手编码器可 能会同时应用光编码器和磁编码器。

5.3 触觉传感器：主流路线包括 MEMS 和柔性传感器，柔性传感器为未来发展趋势

触觉传感器技术路线可以分为 MEMS 和柔性传感器（电子皮肤），当前 Optimus 采用的技术 路线为阵列式 MEMS 传感器。 MEMS（微机电）技术等新兴技术正逐渐应用于机器人触觉传感器。大部分常用的触觉传感器 均有所应用 MEMS 技术，这种传感器具有高空间分辨率，但是更容易损坏，难以在机器人上实现灵活应用。

柔性传感器是电子皮肤的组成单元，其应用是人形机器人触觉传感器的重要发展方向。柔 性材料是与刚性材料相对应的概念，具有柔软、低模量、易变形等属性，柔性传感器是指采用柔 性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可以自由弯曲和折叠。 电子皮肤能够采集力信息以外的信息，同时模拟生物皮肤的复杂属性与功能。根据敏感元件 感应原理，电子皮肤的转换机制可分为：电容型, 电阻型, 压电型, 摩擦电型, 这些传感器通常 由两层柔性电极和中间的功能软材料构成。

MEMS 传感器与柔性传感器两种技术路线对比：柔性传感器具有出色的适应性和柔韧性，MEMS 传感器具有小型化、低功耗、高精度等优势。 柔性传感技术与 MEMS 技术适合的应用场景不同，我们认为柔性传感器具有较大发展空间。 柔性传感器更适合于需要高度柔韧和可穿戴性的场合，而 MEMS 传感器则在需要精确数据和多功 能性的高端应用中更为理想。在实际应用中能够将两种传感技术结合，弥补各自的不足。