人形机器人行业专题报告：灵巧之“手”，解锁人形机器人黄金赛道

摘要：人形机器人优势在于通用性，而灵巧手作为机器人的末端执行器，很大程度上决定了机器人的精细操作与执行复杂任务的能力，是人形机器人替代人类工作的关键部件。从远期角度看，灵巧手预计占人形全成本比重 20%-30%，仅次于身体执行，是最重要的硬件。同时，灵巧手在精细操

灵巧手打开人形机器人应用上限

人形机器人优势在于通用性，而灵巧手作为机器人的末端执行器，很大程度上决定了机器人的精细操作与执行复杂任务的能力，是人形机器人替代人类工作的关键部件。从远期角度看，灵巧手预计占人形全成本比重 20%-30%，仅次于身体执行，是最重要的硬件。同时，灵巧手在精细操作和执行任务的同时，收集数据，训练大脑，手脑协同，加速具身智能。不同场景对灵巧手方案要求不同：如工业搬运场景，自由度要求低，但负载和握力要求高，而家庭场景反之。

手的十三种基本的功能：悬垂、托举、触摸、推压、击打、动态操作、球形掌握、球形指尖握、柱状抓握、勾拉、二指尖捏、多指尖捏、侧捏等。手的功能建立在手与上肢的皮肤、筋膜、关节、肌肉等“执行器官”完整的基础上，并实现于神经系统多层级的精密调控与信息整合处理。人手自由度共有21个（不考虑手腕关节）：前端四指每个手指有4个自由度，其中掌指关节(MCP)具有2个轴线垂直相交的转动自由度，合计16个；大拇指5个，合计21个。若加上手腕额外的3个自由度的平移和3个自由度的旋转，共计27个自由度。拇指、食指和中指占手部功能80%，拇指占手部功能60%。

从性能角度看，灵巧手需要满足几方面的性能：运动能力、负载能力、控制能力、感知能力、耐用能力、轻量化等。运动能力主要指标为自由度和运动速度，自由度越高越灵活，目前灵巧手自由度从6-24自由度均有。控制能力看中操作的精度和稳定性，感知能力看中其触觉分辨率、力觉感知等，耐用性看中抓握寿命，另外灵巧手还看中体积和质量，需要做到轻巧，同时材料选择上同样关键。

灵巧手核心为机械设计和结构设计，各家方案不一，可分为结构形式、驱动方式、传动方式、感知方式和材料等多方面。厂商灵巧手设计采用多种融合方式。驱动和传动为最核心设计，按照自由度与驱动源数量关系可以分为直驱和欠驱，绝大部分采用电机驱动（空心杯、无刷有齿槽）。传动方式种类多样，包括腱绳传动、蜗轮蜗杆、连杆、齿轮、微型丝杆等。此外触觉材料决定手部的感知能力，结构形式和使用材料影响体积、质量和寿命等。

驱动方式：以电机驱动为主

驱动执行器的数目等于其自由度数目，为直驱。驱动执行器的数目小于其自由度数目，为欠驱，欠驱会形成主动自由度和被动自由度，被动自由度即通过如机械结构（连杆、腱绳等）被动调整。直驱方案，易控制、精度高、刚性高。但由于灵巧手追求高自由度，为提高手部设计的集成度、紧凑性，同时也为降低成本，因此通过降低驱动执行器使用，形成欠驱方案，欠驱方案还具备自适应强、功耗低等优势。直驱方案最大优势在于可高精度人手所有动作，但在当前的驱动和传动方式下，存在体积重量大、成本高和发热等各种问题，因此欠驱方式近2年快速发展。

电机驱动综合性能最优，是当前灵巧手的主流驱动方案。气动系统复杂、控制延迟，液压方式存在泄漏风险且体积较大，智能材料SMS响应速度慢且寿命短，均适合用于特定领域。相较而言，电机驱动虽缺乏柔顺性，存在发热等问题，但精度、响应速度、负载等性能均较高，且技术成熟，适合广泛使用。

灵巧手电机要求体积小、扭矩密度高、精度高、寿命长、响应快：空心杯电机具备超轻量化设计，最新直径可以到3-4mm，且转速快，能量利用率在75%~90%，高功率密度，适合灵巧手使用，是目前的主流驱动电机。其次，无刷有齿槽电机具备扭矩密度高的优势，且成本低、散热好，特斯拉腱绳方案采用该电机。此外，步进电机少部分厂商少量使用，用于手指和手掌连接处；伺服性能好单体积大，在灵巧手上使用少。

空心杯关节属于直流永磁伺服微特电机，突破传统直流电机的的结构形式，采用无铁芯转子结构设计。空心杯电机分有刷和无刷两种。有刷空心杯采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。无刷空心杯采用电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷空心杯电机更适合用于灵巧手：无刷空心杯采用电子换向，具有效率高，转矩波动小，使用寿命高，结构精巧，维护方便，易保养的特点。其寿命可达10000h+，好于有刷1000-3000h。

传动：行星减速器+滚珠丝杆是主流

传动系统是将电机的运动转化为手指关节运动的机构，要求微型化、高扭矩密度、长寿命、抗冲击力强。常见的传动方式包括丝杆、齿轮、连杆、腱绳、蜗轮蜗杆等。其中齿轮用于旋转运动；丝杆、蜗轮蜗杆用于直线运动；连杆和腱绳为用于联动。各类传动方式各有优缺点，综合性能是齿轮+丝杆商业化进度更快，产业方向是混合传动、AI驱动设计（根据灵巧手实际操作，实时动态补偿控制）。

齿轮传动包括行星减速器、谐波减速器、斜齿轮、直齿轮。目前行星性价比高，生产厂商众多，应用更广泛。谐波减速器较行星减速器，具备高减速比、高精度、体积小的优点，适合用于高精度灵巧手，但目前微型谐波价格高，单个1k元以上，小尺寸制造难度大；行星减速器具备高扭矩容量，更适合用于高负载灵巧手，且寿命时间长，部分厂商开发出10万h寿命产品，直径可小至4mm，常用的为6-10mm。直齿轮、斜齿轮精度较低，适合用于低端领域，灵巧手使用较少。

丝杆传动优势在于精度高、自锁性和较高负载，主要分为滚珠丝杆、滚柱丝杆和滑动丝杆。滚珠丝杆精度高、结构紧凑、速度快，直径4-6mm，大规模量产后售价50-300元/个，在高精度灵巧手中更适合使用。滚柱丝杆优势在于负载能力极高，但目前微型化较难，最小5.5mm，且价格贵，尚未大规模使用。滑动丝杆精度低、传动效率低，但是成本低，适合用于低端领域。

机械方案总结：混合方案或为趋势

驱动方案看，若电机需集成于手内部，基本选用空心杯，部分用步进电机；腱绳方案，电机可集成于手臂，空间大，可选无刷有齿槽电机。传动方案看，齿轮满足运动减速和扭矩放大，丝杆/蜗轮蜗杆负责运动方向变化，可形成直驱方案。连杆和腱绳是用于连接驱动与关节，用于增加自由度。

短期，空心杯电机+行星减速器+滚珠丝杆+连杆方案，自由度、承载力、成本等可满足当前工业场景需求，最先放量。中长期趋势是高自由度+负载力，因此机械设计可用融合方案，如近掌关节采用刚性更高的减速器+ 丝杆、手指末端关节采用腱绳等。

触觉传感器：多维感知、高集成度、高延展是趋势

人类实际的触觉感知，来自四种机械感受器的皮肤输入，包括迈斯纳小体、帕西尼亚小体、默克尔椎间盘、鲁菲尼小体，其将机械能转为电脉冲，统称为低阈值（高灵敏度）。四种感受器分布于皮肤的浅深层，测量频率低高不同，其中鲁菲尼小体负责动觉/本体感觉，对切向力感知明显。人类手部触觉可感知力觉、温觉、痛觉等多维度感知，且手部灵敏度极高，女性指尖法向压力阈值为0.019g，同时拉伸率高，手腕处皮肤拉伸率超20%，且是三维全向柔性。

触觉是电子皮肤的功能之一：电子皮肤是集合“触觉+仿生性+延展性” 的类人类皮肤，仍需长期技术进步。而人形机器人触觉触感器，是电子皮肤性能之一，更倾向于感知物理变化（力、温度等）。触觉传感器多技术路线布局，追求极致性能，实现真正灵巧手：两类型，一是基于Mems技术集成的触觉传感器，包括压阻式、电容式、光电式、电磁式，其中压阻式技术成熟，目前应用最广；二是视触觉传感器，随着算法及数据模拟，未来潜力巨大。触觉传感器追求，高灵敏度（多维力感知）、高集成度（单位面积列阵单元多）、高延展性、成本低，以便获取物体信息，提升灵巧手抓取的力和力矩的控制效果。

MEMS压阻式触觉传感器技术最成熟，目前应用最广，预计短期是机器人触觉传感器最先放量技术。其原理和应变片类似，但不同的是其敏感元件为半导体（单晶硅），当受到外力挤压时，相应电阻率产生变化，从而测量压力值。其采用MEMS技术排列密集，集成度高，体积小，技术成熟，成本低。制造精度不同，价格从几十至上千不等，进口产品单点售价近千元。 MEMS压阻式触觉传感器仍需提升灵敏度、增加软性。目前压阻式的触觉传感器主流是一维传感器，只能测试法向力，测试灵敏度不足（有效阈值0.1N左右），而三维传感器存在力解耦精度不足；同时，单晶硅和pcb 板缺乏柔性，适合列阵式布局，不适合应用于大面积柔性应用，适合在指尖应用。

视触觉传感器本质是视觉+深度学习的数据大模型，建立视觉到触觉信息的映射，该技术理论性能上限高、且材料成本低：该技术方案，第一步是使用高精度相机拍摄可变柔性材料的形变（Gelsight是用凝胶材料），当受力时，网格形状发生形变，MEMS技术集成的微型双目相机记录该形变，再基于已训练好的深度学习大模型，映射出物体的深度信息和运动趋势。该技术，理论上能够测量各种方向及不同分布位置的力信息，适用性广，在切向摩擦力与滑移等特性上的测量上限也更高，精确度高；同时该方案原材料成本可控，包括凝胶头、微型双目相机（Facebook预测生产1000 张的digit每件成本为15美元）。

手脑协同：相互促进，加速具身智能

从硬件层看，灵巧手的触觉传感器、关节力控和编码器可将数据反馈至大脑；大脑通过小脑运控模块控制灵巧手。从算法层面看，灵巧手通过触觉预训练构建物体物性库，提高视觉模型材质识别准确度，通过反馈抓握数据，促进强化学习，且通过运动链自监督，反向优化大脑运动规划模块。而大脑通过物体定位、任务拆解、运动轨迹规划、实时调整来控制灵巧手。并通过真实采集数据和仿真数据，扩大模型训练数据集。最后手脑协同，快速迭代，加速具身智能。如小脑的精密装配数据，可优化大脑的微控制模块；不同物体抓握反馈数据，用于强化学习训练大脑；手部形态自适应，加速大脑的发展具身智能。

灵巧手集成商产品对比：技术多样化

当前阶段考虑实用性，技术方案为6个主动自由度的电机+丝杆+连杆方案，整体成本可控，承载力高，可满足当前机器人操作需要。而操作精密场景，则自由度需提升，厂商逐步引入混合传动方案，但实际重量、负载、使用寿命、控制精度、成本等尚需改进。

本体商：手脑协同，全栈自研

Musk曾透露灵巧手占整机开发的60%，且特斯拉每次展示都重视灵巧手的操作功能。 2022年10月特斯拉展示第一代灵巧手，2023年11月第二代灵巧手，延续空心杯+蜗轮蜗杆的技术路线，自由度11个，增加触觉传感器，可拿鸡蛋等。2024年11月特斯拉发布第三代灵巧手，采用无刷有齿槽电机+腱绳方案，电机集成于手臂，自由度提升至22个。由于腱绳方案存在蠕变问题、维护成本高、寿命短，预计特斯拉灵巧手仍将继续迭代。

Figure AI于2022年末创立，总部位于加利福尼亚，2023年3月发布人形机器人Figure 01，2024年8月发布 Figure 02。Figure02 搭载第四代灵巧双手拥有16个自由度，可抓取25kg物体，公司已经展示Figure02在家庭场景收纳、工业场景分拣任务等。 FigureAI类似Tesla采用全栈自研方式，从软件到硬件自主研发。灵巧手为Figure自行设计，方案采用空心杯电机+行星减速器+连杆方案，其中驱动模组与国内兆威机电合作，预计单手主动自由度为6个。

灵巧手集成商：方案各异，国内厂商崛起

Shadow在灵巧手领域有20多年的研究历史，其标准版灵巧手采用20个直流无刷伺服Maxon电机（电机集成手臂）+腱绳方案（高分子聚丙烯Dyneema SK75），具备24个自由度（4个欠驱），包括手腕2个。并且食指和拇指分别使用一个17*3点阵的三维触觉电磁式传感器。Shadow提供整体解决方案，包括开源的机器人操作系统ROS，同时提供影子手套和远程操作系统。总体看Shadow灵巧手优势在于自由度高，但重量大，手+臂重量4.3kg，承载低，单手承载4kg，同时腱绳方案需校准维护。目前Shadow手价格超过100万元，目前主要用于科研场景。