2025年灵巧手行业专题报告：从运动学原理出发，灵巧手如何“动起来”？

一 、驱动+传动：灵巧手“动起来”所需核心零部件及对应方案

灵巧手如何“动起来”：驱动和传动零部件的选择？

从驱动方式来看，主要有电机驱动、液压驱动、气压驱动等，目前主流驱动方式为电机驱动。我们认为，通常情况下，电机需要搭配减速器组成电机模组以实现减速功能，模组如何连接后续的传动零件又存在多种可选方案。从传动方式来看，电机和减速器组成模组、实现减速后，可以搭配丝杆、丝杠、连杆、腱绳、齿轮传动组、同步带+同步轮等多种传动件。

概念1 - 直驱/欠驱：如何定义“自由度”？

直驱-主动自由度：一般一个执行器对应一个主动自由度；欠驱-被动自由度：通过驱动器和手指模块耦合作用实现的被动驱动。 以HRI HAND为例，可以更好地理解主动直驱和欠驱。该灵巧手共有15个自由度，6个主动自由度（大拇指2个+四指各1个）。 单根手指自由度拆解：单根手指由两个4-bar link（可看作连杆A和连杆B）和三个指关节（MCP，metacarpophalangeal；PIP，proximal interphalangeal；DIP，distal interphalangeal）构成，手指根部由线性电机驱动，电机连接MCP，为1个主动驱动；指模块不是电机直接驱动，因此是被驱动式；所以，整根手指共3个自度（指根部1个主动自由度+指关节2个被动自由度）。

概念2 - 手势：灵巧手如何实现“抓取”动作？

根据生物手的抓取动作，可以将手势分为力量型和精确型两类；1）力量型用来抓握体积较大或相对重量较大的物体，需要五指各关节同时弯曲，使物体被握在手指与手掌之间，不需要非常精确的位置控制；2）精确型用来捏合体积较小或重量相对较小的物体，依靠指拇指与食指或者拇指与食指和中指之间配合实现侧捏、夹持等精细动作。 其中，拇指：需要力量+稳健性，需要实现动作：弯曲伸展+内伸外展+内旋外旋；食指：使用频率高，需要力量+灵敏性，需要实现动作：弯曲伸展+侧摆。

驱动模块选配：电机/空心杯电机+？

驱动模块有多种选配方案，通常以电机为核心驱动器，配以减速器作为驱动模块，再搭配下一环节的传动连接件，本处举例星动纪元和因时机器人的各一种可选方案，传动连接件分别为齿轮输出件和丝杠，分别实现手部旋转运动和直线运动。我们认为减速器是灵巧手不可缺少的核心零部件之一，因此，下文将以行星减速器作为引入，通过各代表公司的案例分析，介绍灵巧手在驱动模块+传动零部件的几种选配方案。

行星减速器级数变化及影响结果

在灵巧手的应用中，需要考虑的指标有：1）减速比；2）尺寸：包括长度和直径；3）传输功率，分别对应实现功能/目的为：1）电机减速-灵巧手精度控制；2）减少驱动结构在灵巧手空间中的占比，使灵巧手更仿生；3）提高输出的力或力矩，实现灵巧手的负载功能。 减速箱的减速比可根据机器人的用途(用途决定机器人类型)来确定。当适配操作重量较轻物体的机器人时(例如抓握茶杯、鸡蛋、苹果)，可采用低减速比，例如减速比可采用低于50。当机器人是用于操作重量较大物体的机器人时(例如搬重物的工业机器人)，可采用高减速比，例如减速比可采用高于200。

1 应用案例 - 星动纪元：电机+减速箱+齿轮直驱

星动纪元灵巧手采用关节模组模块化的方案，通过“拼装”模块，组成手指，并通过每个模组单独的驱动功能，实现手指间的配合和灵巧手动作的完成。 模组可以包括电机+减速箱+齿轮直驱，其中，单手指的（优选）核心结构框架可以为：（空心杯）电机51+（行星）减速器52+齿轮输出组件。其中，齿轮输出组件包括相互啮合的小锥齿轮531和大锥齿轮532，以及输出件533。此外，方案还可以包括输出支撑架535和角度传感器536，角度传感器536接线并套在输出轴534上，以辅助检测大锥齿轮532的转动角度，以便精确控制电机转速。其余配件包括电机安装板54、模组左侧外壳561和模组右侧外壳562等。

传动零部件选择：丝杠

标准式行星滚柱丝杠的结构形式，其主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成。其中，各部分及功能分别为： 一般情况下，丝杠为主动件，螺母为输出构件（实现直线运动的载体）。 滚柱：通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定；滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象；内齿圈：固定在螺母两端并与滚柱两端的直齿轮啮合。 标准式行星滚柱丝杠能够实现较大行程，适用于环境恶劣、高负载、高速等场合，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域。

行星滚柱丝杠分类

反向式：没有内齿圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，且螺母作为主动件，其长度比标准式的大得多。一般情况下，反向式行星滚柱丝杠的螺母为主动件，丝杠为输出构件，滚柱、丝杠之间无相对轴向位移，其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，其最大的优势在于可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，形成结构紧凑的一体式机电作动器。

循环式：相比于标准式，其去掉内齿圈，增加凸轮环结构，其功能类似于滚珠丝杠的返回器，目的是为了让滚柱在螺母内旋转一周后回到初始位置，另外其滚柱上无螺纹、齿轮结构，为环槽状，环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，其安装在具有凹槽结构的保持架上。循环式行星滚柱丝杠的结构特点增加参与啮合的螺纹数量，因此具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。

差动式：与标准式相比，其去掉内齿圈，滚柱上也没有齿轮段。其滚柱、螺母均为环槽结构，且滚柱的环槽分为多段，其中小中径段与螺母啮合，大中径段与丝杠啮合。差动式行星滚柱丝杠的结构特点使其可以获得更小的导程，适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合。

轴承环式：其滚柱与循环式相同，为环槽结构，相比于标准式，其螺母上去掉内齿圈，增加壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件。轴承环式行星滚柱丝杠上的推力圆柱滚子轴承大大提高其承载能力，同时也减小各构件间的磨损，增大传动效率，其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。但其存在着结构复杂、径向尺寸大、制造成本高等缺点。

传动零部件选择：腱绳

灵巧手采用腱传动的优点在于驱动器的位置相对灵活，可以选择掌内电机+腱绳或手腕电机+腱绳的方案。

应用案例 - Shadow hand：手腕电机+减速器+腱绳，手腕+手掌

以Shadow hand的一种专利腱绳方案为例。 我们认为，从线轴520开始至线轴560为环形闭合的腱绳传动模块结构，570为被动自由度的手指模块结构； 电机-齿轮-腱绳的传导路径为：实现手指模块向580A方向移动：电机旋转，带动齿轮旋转，激活腱绳A沿着+A方向转动-带动线轴520转动-带动指尖末端即部件570向580A的方向旋转； 实现手指模块向580B方向移动：电机旋转，带动齿轮旋转，激活腱绳B沿着+A方向转动-带动线轴520转动-带动指尖末端即部件570向580B的方向旋转。

另一种腱绳缠绕方式及传动示例

由于灵巧手绕绳有多种方案，本处我们引入另一种绕绳原理，如下图所示。其中，T1、T2、T3、T4为指尖、指中、指根和基座；R1、R2圆代表手指的DIP关节和PIP关节；L1为DIP关节和PIP关节耦合的传动绳，L2、L3为灵巧手手指的屈伸传动绳。L1始于T1绑绳处，绕R1、R2后绑于T3绑绳处，L2、L3分别绑于T2、T3绑绳处；腱绳L1可以分为5段，其中t1、t2与R1、R2相切，t3同时与R1、R2相切。K为DIP关节圆心到T1绑绳处的距离，RR1为DIP关节圆半径。当腱绳L2段缠绕收缩时，手指三维图如图（c）所示，其传动原理如图（d）所示，腱绳L1长度不变且保持拉紧状态，当指中T2受到腱绳L2的拉力并转动θ3时，腱绳L1绕R1、R2的β1与β2段相对滑动。

报告节选：

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