2025年机器人灵巧手行业专题报告：人形机器人行业“好用”的关键——特斯拉Optimus22自由度灵巧手方案解析

灵巧手是机器人最重要的末端执行器

灵巧手是机器人一种复杂的末端执行器，其需求来源于柔性制造

末端执行器决定机器人的工作性能。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为 重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。机器人的末端执行器主要分为工业机械手和仿人多指灵巧手。传统 的工业机械手大多是针对特定的工作任务、特定被夹持零件而设计的，可以有效地执行简单的重复性任务。工业机械手自由度少，结构简单， 易于控制，但是灵活性低，没有配置传感器，无法进行精确的位置控制和力控制，通用性差。 机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器。相比于工业机械手，灵巧手具有以下优点：1）仿人多指灵巧手通常具有多根手指， 每根手指都具有多个关节和多个自由度，具有很高的灵活性；2）仿人多指灵巧手配置了必要的传感器，可以精确控制灵巧手的操作；3）灵 巧手的每根手指都可以看作是一个微小的连杆机器人，这种微小的外形尺寸使得灵巧手具有很高的操作精度；4）仿人多指灵巧手通常都通 用性强，可以对目标物体实施多种仿人操作，对类人工作环境的适用性强，可以实现在未知和非结构环境中对不同形状的物体进行抓取。

灵巧手可按照自由度数量、传动方式、驱动方式进行分类

根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类： 全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制，在某种程度上能够 像人手一样完成全部的动作指令甚至要求更高的灵巧动作。但是，全驱动也意味着需要更多的驱动器，会使手掌体积变大、安装困难、 操作复杂。 欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分则进行耦合随动。欠驱动手硬件集成度高，整体系统简洁高效、体 积小、质量轻，便于进行动力学分析。但是，欠驱动机械手的高集成性一定程度上也是牺牲高自由度性能的结果，存在功能性不足，尤 其是对于精度要求比较高的手指精巧控制无法胜任。

驱动器外置腱驱动灵巧手兼具灵活性、小体积与可靠性

驱动器外置腱驱动灵巧手主要运作原理如下： 电机和滚珠/滚柱丝杠外置于手臂中，电机通过减速箱带动滚珠丝杠，电机轴 的转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，拉动手指绕关节轴旋转。由于手腕的俯仰和侧摆运动会扭动腱绳 的位置和形状，为了消除手腕运动对腱绳的影响，在腱绳外面套上硬质弹簧， 类似自行车刹车线的原理。当手腕运动时，硬质弹簧能保证腱绳中的张力不受 影响。但弹簧的引入又增大了腱绳受到的摩擦力，为了减小腱绳与弹簧之间的 摩擦力，在腱绳和弹簧之间套入Teflon管，既能提高传动效率，又解决了腱绳 与弹簧之间的长时间摩擦带来的磨损问题。

特斯拉下一代灵巧手三大核心变化均指向丝杠 价值量上升

特斯拉Optimus一代灵巧手专利解析

手和手指布局：灵巧手设计模仿 人手，包括手掌区域和五个手指， 每个手指具有近侧构件和远侧构 件，能够围绕相应关节枢轴旋转。

腱绳布线：使用腱绳而非传统齿轮 或连杆系统来驱动手指运动，腱绳 的布线设计允许更自由的手指运动 和更高效的力传递。

驱动装置：本专利灵巧手采用 空心杯电机作为驱动装置，这 种电机以其体积小、重量轻、 响应速度快的特点，非常适合 用于需要精密控制的场合。

传动装置：传动装置采用绳驱 结合蜗轮蜗杆的方式，既保证 了传动的平顺性，也确保了足 够的力量传递及自锁性能。

特斯拉下一代灵巧手迎来重大更新

我们推测，特斯拉下一代灵巧手方案是N自由度、N腱 绳、N执行器方案。根据10月10日特斯拉在发布会上的 演示视频，特斯拉新一代灵巧手采用腱绳驱动的传动 方式，肌腱的一端固定在指尖(骨骼)中，另一端连接 到执行器(肌肉)。目前Opimus灵巧手自由度为22个， 已与人手处于相当水平。我们推测，特斯拉手部执行 器数量在17/22个。

特斯拉OptimusGen3灵巧手有三大变化，三大变化均指向丝杠用量提升： 驱动器外置带来自由度提升：驱动器后置集成在手臂上可以放入更多 的驱动器，直接增加灵巧手的自由度； 采用丝杠替代蜗杆：二者均能改变运动方向，采用丝杠能有效提升灵 巧手的精度和载荷能力，提高传动效率； 采用腱绳替代扭力弹簧：上一代机器人手指伸展主要依靠扭力弹簧复 原，但现在采用一根单独的腱绳完成伸展，灵活性进一步提高。

特斯拉下一代灵巧手已装机

11月28日，特斯拉Optimus发布视频， 22个自由度灵巧手已装机，并用最新的灵巧手接住网球。 整体硬件动作协调流畅十分类人。接网球手部孤立动作，抓握同时，Optimus整个上肢乃至头部随之摆动保持平衡，整体动作丝滑流畅。我 们认为，机器人替人主要分两步走，首先要求是硬件性能能支撑机器人做出类似人类的动作，其次是机器人依靠自己的“大脑”去独立做出 行为举止。现在看来，特斯拉第一步已经初步满足，第二步我们看好特斯拉在ai方面包括端到端模型深厚积累。 手部体积于前代大致相同。驱动器后置带来的结果是，整体手部体积于二代相近。所有驱动器连同前臂线性执行器一起封装在内部，结构紧 凑外形和谐。

灵巧手关键零部件解析

空心杯电机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性

微型电机是由定子、转子(由铁芯转子和绕组构成)、电枢绕组、电刷、换向器等部件组成。空心杯电机的转子是直接采用导线绕制而成， 线圈通过连接板与换向器、主轴连接在一起；从结构上看，其是由外框架、沿外围分布的驱动线圈、中间的空心转子以及附加的传感器组成。 空心杯电机属于直流永磁的伺服控制电机，也可以将其归类为微特电机。空心杯电机在结构上突破传统电机的转子结构形式，采用了无 铁芯转子，这种新颖的转子结构彻底消除了因铁芯形成涡流而造成的电能损耗；同时，空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少转子 自身的机械能损耗。由于转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法 达到的控制和拖动特性。作为高效率的能量转换装置，在很多领域代表了电动机的发展方向。

根据换向方式可划分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机

空心杯电机可分为有刷和无刷电机：有刷电机的转子无铁芯，无刷电机(又称无刷无齿槽电机)的定子无铁芯。主要的区别有：(1)有刷空心 杯电机利用碳刷(或者金属电刷)和换向器的配合来完成换向，而无刷空心杯电机的线圈导线直接连接到控制器，通过处理连接板上的霍尔反馈 的位置信号完成换向；(2)有刷空心杯电机的线圈、换向器和连接板在外壳和永磁体中间旋转，共同组成转子；而无刷空心杯电机的线圈是固 定的，永磁铁作为转子在中间旋转。 相比于有刷空心杯电机，无刷空心杯电机的性能更优，其具备转速上限更高、重量更小、功率体积比更大的优点，但是价格偏高。

空心杯电机市场的主要厂商

全球空心杯电机市场集中度较高，较为知名的企业包括Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor及Nidec CopalCorporation等，这些企业在空心杯电机的设计、制造以及技术创新方面处于领先地位。 目前，空心杯电机市场主要由海外企业占据主导地位，但国内也有一些电机厂商已经能够提供或正在布局高性能空心杯电机以应对未来需 求巨大的蓝海市场，如鸣志电器、伟创电气、江苏雷利、拓邦股份等。

行星减速器介绍

行星减速器的结构主要包括中心太阳轮、行星齿轮、内齿圈。工作时中心太阳轮驱动内部受力旋转，带动行星齿轮在内齿圈轨道内进行旋转， 依赖齿轮之间的啮合来实现转速的减小，行星架作为输出轴，将减速后的运动传递给负载。实现输入进来的高转速通过齿轮件传动后将速度 降低再输出的效果，主要作用就是将电机的高速低扭转换为低速高扭。 行星减速器可以实现更高的减速比和扭矩输出。通过多个行星齿轮级的串联，每一级都能降低转速并增加扭矩。减速比的大小由几级减速比 的乘积决定。

丝杠可以有效提升灵巧手的载荷和抗冲击性

蜗轮蜗杆和丝杠均能够改变运动方向，但适用于不同场景。蜗轮蜗杆适合需要高减速比和自锁性的场景，特别是在灵巧手中用于关节固定或 稳定负载的位置控制。滚珠丝杠本质是线性传动装置，通常不具备高减速比功能，其机械减速能力取决于螺距（导程）。滚珠丝杠更适合需 要高精度和高效率的传动任务，比如快速且精确地调整关节位置或实现复杂抓取动作。

滚柱丝杠和滚珠丝杠比较优势在于精度、载荷、寿命等多方面

滚珠丝杠螺母组件包含多个滚珠轴承，能够处理中等负载的滚珠轴承有最小尺寸要求。与相似尺寸和导程的滚柱丝杠相比，滚珠轴承的半径 需要更粗糙的螺距，导致接触点更少。加上较小的接触半径和允许轴承互相接触的设计，限制了滚珠丝杠的DLR（ Dynamic Load Rating ）， 导致较低的力和较短的使用寿命。相比于传统的滚珠丝杠传动，行星滚柱丝杠传动呈现多副(螺纹副和齿轮副)、多体(多个零件参与啮合传递 运动和动力)、多点(螺纹副多点接触)的啮合特征，故在相同丝杠直径下，行星滚柱丝杠比滚珠丝杠的承载能力提高6倍，相同负载下节省1/3 空间，寿命提高14倍，工作环境温度范围提高2倍。 在实际应用中，滚柱相对于螺母无轴向运动，丝杠转速可达6000r/min，螺母直线速度可达2m/s。采用行星滚柱丝杠作为传动机构的EMA 与采用滚珠丝杠的EMA相比相同推力下重量减少30%，相同重量下推力提升50%。而且，行星滚柱丝杠可采用微小导程(螺距可达0.3mm)， 不仅更便于控制传动精度和提升动态频响，而且由于更多接触点同时参与传力，能够实现重载条件下的超高精密传动。

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编辑：火腿肠