摘要：灵巧手，末端执行器的未来方向。作为机器人对外部环境的关键执行部件，手 爪类末端执行器的精度和灵活性直接影响所执行任务的可能性和完成质量。 末端手爪可分为多指夹爪和多指灵巧手，其中多指夹爪只能对操作目标进行 抓持，不能满足当前的多种类工作需要，如在复杂环境下实现

灵巧手，末端执行器的未来方向。作为机器人对外部环境的关键执行部件，手 爪类末端执行器的精度和灵活性直接影响所执行任务的可能性和完成质量。 末端手爪可分为多指夹爪和多指灵巧手，其中多指夹爪只能对操作目标进行 抓持，不能满足当前的多种类工作需要，如在复杂环境下实现拨、拧、捻、勾、 划等精细操作，因此具备更高灵活性的多指灵巧手必要性就显而易见。灵巧手 作为一种仿人手生理结构机器人，是一种拟人化并能实现智能控制的高级末 端执行机构，其机械结构的特点能够使其在抓取操作的过程中始终保持与目 标多点接触，采用适当的抓取方式和规划算法，可以对任意形状的物体施加任 意的运动和力的作用，从而实现在不更换末端执行机构的情况下，对各种复杂 形状的物体进行高精度、稳定地抓取，进而对所抓持的物体实施一定程度的精 细操作。

灵巧手历史由来已久，拟人化是核心方向。从发展历史角度看，从刚性夹爪到 拟人化突破，灵巧手的演进始终围绕“拟人化操作”需求展开，其技术迭代可 分为三个阶段：1）早期工业场景阶段（1960s-2000s），主要是气动/液压驱动 主导。1961 年，全球首台工业机械臂 Unimate 在通用汽车产线服役，其气动 夹爪仅支持开合动作，负载能力＞50kg，但自由度为零，无法适应复杂任务。 1990 年代，ABB 推出 IRB 6400 机械臂，夹爪仍依赖液压驱动，在汽车焊接场 景中表现稳定，但无法处理导线、布匹等柔性物体。2）仿生学突破阶段（2000s）， 腱绳传动技术落地推动了灵巧手技术的发展。1998 年德国宇航中心（DLR） 推出了 DLR hand I。其具有四个手指，每个手指包括 4 个关节和 3 个自由度， 每根手指都具有近 30 个传感器（包括触觉感知、 关节位置、关节转矩、速度 以及温度传感器等）。DLR-I 在手指末端关节采用了腱驱动，所有驱动及传动 装置，控制系统，传感器及通信系统均集成在灵巧手的内部， 使灵巧手系统 独立于仿人机器人/臂成为一个模块化的局部自主系统。2000 年，DLR 研制成 功了 DLR II 灵巧手。所有手指关节均采用无刷直流电机-同步带-谐波齿轮（基 关节由锥齿轮实现侧摆和俯仰）的传动方式。2012 年，德国宇航中心（DLR） 发布 DLR Hand II，通过 12 个电机驱动 19 自由度，首次实现硬币抓取等高精 度操作，负载比达到 1:10，但成本高达 5 万美金。此后，哈尔滨工业大学 2016 年研发的 HIT Hand IV，采用差动腱轮机构将电机数量压缩至 6 个，成本仅为 DLR Hand II 的一半，其也是成为首个进入工业测试的国产灵巧手。3）商业化 拐点（2022 年至今），2023 年，特斯拉 Optimus Gen-2 推出最新灵巧手方案， 其采用 6 电机直驱+腱绳差速设计，自由度 11 个，成本降至 1500 美金，首次 突破消费级市场成本阈值。

灵巧手种类多样，传动方式是核心维度。从驱动器放置位置划分，可以分为外 置式灵巧手、内置式灵巧手和驱动器混合置式灵巧手，目前内置式灵巧手是主 流方案。按照传动方式与驱动结构划分，可以分为四种，即腱绳传动、连杆传 动、齿轮传动、液压传动和混合传动（主要是特斯拉方案），其中腱绳传动方 案一直是行业的主流方案。

主流厂商以海外为主，国内亦有成熟产品。从目前主要的灵巧手厂商看， SCHUNK、Shadow Robot、Clone Robotics 等都是较为知名的品牌，如英国 Shadow Robot 公司推出的 Shadow dexterous hand，德国 SCHUNK 的 SF5H hand，德国 FESTO 的柔性多指灵巧手 Bionic Soft Hand 都是目前市面上已经 较为成熟的商品化多指灵巧手产品。除去这些专业的灵巧手厂商，海外包括特 斯拉、波士顿动力等均有自己的灵巧手产品推出。对国内而言，因时机器人的 RH56BF3 仿人型多指灵巧手是较为代表性的多指灵巧手产品，此外腾讯 RoboticsX 实验室、智元机器人、帕西尼，包括国内的部分电机传动公司，如 兆威机电等均推出自己的灵巧手方案，产品方案和技术也逐步向成熟。

特斯拉灵巧手方案持续迭代，降本是核心。2022 年 10 月，特斯拉发布原型机， 其展示的灵巧手方案为六空心杯电机驱动方式，5 个手指拥有 11 个自由度， 拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动，传动方案为电 机+涡轮蜗杆+绳驱的方案，在空心杯关节之后引入了一级蜗轮蜗杆，一方面是 针对线传动做旋转方向的转换，另一方面是利用蜗轮蜗杆的自锁特性去提升 灵巧手的负载能力。但是，该种方案从成本和传动效率、运动延迟度等各方面 均存在不足，因此，Optimus 在此后多个版本的方案中对灵巧手进行整体升级， 在降本为核心的路径中，驱动系统整体重构，2024 年 10 月展示的灵巧手看， 整体细节更加简洁，动作更加灵活，目前的灵巧手方案是电机通过行星滚柱丝 杠驱动腱绳，同时自由度提升到 22 个，驱动装置前移至小臂。

2.1. 驱动方式：空心杯电机具备优势

驱动方式：电机位置决定灵巧手驱动方案的设计。驱动结构主要是指灵巧手模 组的驱动源，目前大部分人形机器人均采用电驱模式，因此灵巧手的驱动源主 要依靠电机。驱动器，即电机的放置位置，直接影响到灵巧手的方案设计，同 时，灵巧手的自由度多少也会反过来影响驱动器安装位置。早期的多指灵巧手 都是属于驱动器外置式多指灵巧手，且自由度不够高，随着电子元器件的发展， 机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式方式，但是目前的机器人多指灵巧 手研制中，发现完全的驱动内置式多指灵巧手很难做到整个手指的全部驱动， 逐步有混合式多指灵巧手的出现。

电机的重量和成本是灵巧手降本关键。理论上看，外置电机在前臂能使整个手 掌和手指释放更多的空间并且重量更轻，但是从近几年的灵巧手方案，以及电 机小型化微型化的发展方向来看，集成电机于手掌或手腕处并非难事。从成本 端看，灵巧手的成本结构主要围绕驱动、传动与传感三大模块展开。根据特斯 拉 Optimus 灵巧手方案，包括电机在内的驱动系统占灵巧手整体成本约一半， 因此电机的重量和成本是灵巧手轻量化和降本的关键。

空心杯电机优点明显，适配人形机器人灵巧手的特殊需求。空心杯电动机属于 微型直流永磁伺服电动机，与传统电机的不同之处在于，空心杯电机结构为转 子无铁芯，转子无铁芯的结构设计一是可以降低电机质量，二是可以降低电机 的机械损耗，便于延长电机寿命，从根本上杜绝了因铁芯而产生的铁耗，提升 效率。作为高效率的能量转换装置，空心杯电机优点明显：1）节能性：能量 转换效率高，其最大效率一般在 70%以上；2）控制特性：起动、制动迅速， 响应极快，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）运行 稳定且十分可靠，转速波动很小，能够容易的控制在 2%以内；4）重量轻，体 积小：空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比， 其重量、体积减轻超过三分之一。由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可 逾越的技术障碍，其在军事、各类工业产品、工业机器人、仿生义肢等广泛应 用。对于人形机器人而言，空心杯电机各种特点都符合人形机器人需要，随着 人形机器人未来放量，空心杯电机有望迎来需求爆发。

无刷齿槽电机成本优势明显，技术进步背景下空心杯电机可能非必选项。参考 鸣志电器和 Maxon 的各类产品价格对比，可以发现，无刷直流电机的成本更 低，约为空心杯的 50%甚至更低，同时，在现有技术下，无刷电机虽然体积略 大，但是在最大效率和扭矩上都能做到和空心杯电机的性能的明显收敛。因此 选择空心杯还是普通电机似乎差距不算很大。并且，对于手部而言，其特点更 多体现在能方便走线，但中空走线同时意味着更长的横径和更大的体积，且价 格也较一般电机更贵，因此对于需要更多电机的灵巧手而言，空心杯电机可能 是非必选项。

2.2. 传动方式：腱绳是主流方案，各厂商均有创新

根据第一章的分类情况，灵巧手的传动方式主要为腱绳传动、连杆传动、齿轮 /蜗轮蜗杆传动、液压传动等几种，其中腱绳方案在当前是主流设计方案。从 传动层级角度去看，灵巧手的传动系统需将电机动力逐级传递至关节再到指 尖，形成多关节协同运动，其核心分为三级，即一级传动、二级传动和三级传 动。整体看，一级传动和二级传动是关键。

一级传动：行星减速器/行星齿轮箱或是主流方案。对于一级传动而言，因为 减速器的作用不仅是在其中起到的增扭的效果，更重要是精度控制。从性能对 比来看，谐波的精度最高，其他减速器的精度一般在 1 弧分以上，且多级减速 器的精度会逐步减弱。另外，从传动效率看，谐波和行星要比蜗轮蜗杆的效率 更高。但是由于谐波减速器价格偏贵，因此在国内大部分的厂商选型中，行星 减速器是主流方案，而对于灵巧手而言行星齿轮箱是更具性价比的方案。

二级&三级传动：腱绳方案是主流，特斯拉选用微型丝杠+腱绳。很多时候二 级传动和三级传动并没有明显区分，部分厂商会同时使用二级+三级传动，有 的厂商则单独使用二级或三级传动。整体看，主要的传动方式包括肌腱驱动、 齿轮驱动、连杆驱动、流体（液压和气动）、丝杠驱动等等。不同的驱动方式 重量、尺寸、传动距离、刚度、传动精度、传动效率均有不同，所能实现的传 动比也有较大差别，通常，由多种传动方式组成的混合驱动系统可以互补彼此 的局限性。以特斯拉为例，其一代灵巧手为蜗轮蜗杆方式，二代灵巧手做了较 大改动，一级传动为行星齿轮箱，二级&三级传动为腱绳驱动，而在特斯拉展 示的最新一代灵巧手的产品中，其展示了一种驱动器外置的三级传动方案可 能性，该方案在一级传动中采取行星齿轮箱，二级传动中采取传动精度更高的 丝杠作为线性运动的零部件，三级传动依然选择了腱绳的方案。此外，智元在 其灵巧手的方案中采用连杆方案作为二&三级传动方式，整体看，各种方案均 能满足各家机器人要求，但以腱绳为主的混合驱动方式后续可能将成为主流。

传感器是自动化检测技术和智能控制系统的重要部件。传感器是能够把特定的 信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 广义上的传感器一般由信号检出器件与信号处理器件两部分组成，从而转化感 知到的模拟信号并使之以电信号的形式显示。传感器一般由敏感元件、转换元 件和基本电路组成。敏感元件感受被测量的状态，转换元件将相应的被测量转 换成电参量，而基本电路将电参量接入电路并转换成电量。传感器的核心部分 是转换元件，其决定了传感器的工作原理。

3.1. 触觉传感：技术壁垒高，特斯拉选用压阻式传感方案

灵巧手的传感器主要包括内部传感器和外部传感器两类。内部传感器主要反 馈灵巧手的姿态信息，包括运动传感器和力/力矩传感器，可提供灵巧手的关 节角度信息、位置信息和动态信息，决定灵巧手稳定能力。外部传感器包括接 近觉传感器和触觉传感器，主要感知目标物体的位置、受力等信息，其中触觉 传感器是灵巧手完成各项功能的关键。以 DLR/HIT Hand II 为例，其包含了 六维力传感器、位置传感器、一维/二维力矩传感器、触觉传感器等。 六维力矩传感器可助力手部获得更高精度，内外传感的适当搭配可弥补传动 方案的缺陷。若如果力的方向和作用点固定，则可选用一维力传感器；若力的 方向随机变化，但作用点保持不变且与传感器的标定参考点重合，则可选用三 维力传感器；若力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，则应选用六维力 传感器进行测量。高精度的六维力矩传感器能够解耦各方向力和力矩间的干 扰，使力的测量更为精准，并能利用力矩信息来推算获取受力部件的姿态，监 测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。整体看，内外传感的 适当搭配可弥补传动方案的缺陷。

以柔性材料为基础的触觉传感器种类多样，压阻式传感是主要方案。触觉传感 器的核心任务是模拟人类皮肤的感知能力，其技术路线围绕“灵敏度”与“多 功能”展开，因此在材料的选择上，触觉传感器偏好于具有柔软、低模量、易 变形等属性的柔性材料，因此其具有良好的柔韧性、延展性，可自由弯曲或者 折叠，结构形式灵活多样，且在弯曲和伸展的形态下仍能表现出良好的导电性 和响应性。目前主流技术路线与原理包括压阻式传感器、电容式传感器、压电 式传感器和摩擦电式传感器等。其中压阻式传感器结构简单、成本低，是较为 常见的触觉传感器。

触觉传感器是为了解决执行目标在物理空间的移动问题，包括抓取，移动 和递交，完成这个动作包含了灵巧手的感知、控制和计算。在感知层面，自 适应触觉感知需要探测多维变量，包括接触觉、压觉、滑觉、温湿觉、力矩 觉。通过这些，去识别人体和目标物体，接近觉/位置判断，材质识别/纹理 识别等等，然后给目标物体施加一个压力或者三维力去完成物体的抓取动 作。在移动过程中，当目标物体的质量，重心和形态变化时，需动态调整机 械手的抓取力度和方向，需要实时感知摩擦力。当目标物体发生滑动时，需 要快速识别并实时调整姿态，增大压力。在递交物品时，目标物体由动态到 静态，需要感知静摩擦力的实时变化。对于触觉传感器硬件来说，这一系列 动作的完成，边缘端需要具备快速处理能力，实时完成从感知到执行的计算， 确保系统在各种场景下的即时响应。因此，触觉传感器的核心在于从感知到 执行的动态反应速度，只有快速的动态响应，才能有效实现自然互动和精确 操作。同时，触觉系统需要依赖复合模型与逻辑推理来实现复杂环境下的精 准感知与决策，从而应对多样化的触觉反馈需求。 精度、成本和动态响应要求下的稳定性是核心技术壁垒，特斯拉方案目前选取 压阻式传感器。从技术难度和商业化角度看，触觉传感器的精度决定了灵巧手 商业化的上限，目前主要的几个技术壁垒或者说难点在于：1）精度与成本的 矛盾，例如，医疗级需求的手术机器人需检测 0.01N 级别的力（相当于一根头 发丝的重量），但现有方案成本高达 200 美元/cm²，而工业级的场景如，物流 分拣场景可接受 1N 精度，但要求触觉传感器的成本小于 50 美元/cm²。2）多 模态感知的集成挑战，这包括了材料兼容性问题，如温度、湿度、压力传感器需集成在柔性基底上，同时信号串扰问题也是一大因素。3）动态响应与耐久 性，延迟问题和疲劳寿命仍是难点。从特斯拉发布的方案看，出于成本考虑， 其目前所用的应该还是压阻式传感方案。

3.2. 电子皮肤：触觉感知的终极形态

电子皮肤（E-skin）是柔性传感器的重要应用，触觉感知的终极形态。皮肤是 最重要的人体器官之一，具有延展性、自愈性、高机械韧性等特征，可以对各 种形状和纹理、温度变化以及接触压力等进行感知，而模仿人类皮肤的特征以 及具备相似感知功能的设备通常被称为电子皮肤。与人类皮肤相似，电子皮肤 具有柔韧、舒适、安全等特点，被视为未来电子技术的新兴发展方向，在人形 机器人触觉方案中得到较多关注。

电子皮肤一般由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。当感受到外界 压力时，活性功能层将应变、湿度、温度等信号转换为可探测的电信号，并在 功能层两侧的电极层完成接收和传输，最终传递至目标区域，从而实现“触觉” 传输。柔性基材能够承载电子皮肤，并确保其与生物皮肤等材料的相容性，优 良的柔性材料能够给传感器提供高灵敏度、宽传感范围、高动态响应和高重复 性。

为实现或超越人体皮肤的感知能力，目前的电子皮肤已经向多模式复合方向发 展。已有的一种智能集成的多层纳米纤维结构仿生多功能柔性传感器可同时检 测压力、湿度和温度信号，该电子皮肤由四部分组成：第一层为压力感应层； 第二层为温度传感层；第三层用于湿度检测；第四层采用摩擦电采集系统收集 生物力学能量，并为温度和湿度传感提供能量。温度传感层以多壁碳纳米管和 PEDOT:PSS 作为导电材料，湿度传感层则以酸化碳纳米管为导电材料。

现有的多维电子皮肤除常规的压力/应变、温度感知外，还可实现对微弱气体、 pH 及葡萄糖等刺激的感知。

电子皮肤大规模量产仍有几大技术难度亟需突破。 1）制造工艺有待简化。为满足电子皮肤可弯曲性和延展性的需要，电子皮肤的电路大多采用蛇形几何结构，并使用转印技术将电路组装到弹性基底上，缺 点是该工艺设计繁琐，且通常需要专门的洁净室，成本很高。电子打印技术（3D 打印和喷墨打印等）有望简化相应的制造流程，并具有成本低廉、可扩展生产 等优势，但在柔性基材上印刷仍然存在技术性挑战，有待进一步优化。 2）多功能检测能力有待提升。目前多功能电子皮肤设备的应用规模有限，尤 其是集成物理和化学信号的检测功能。为了实现对生物皮肤的高度模仿，同时 获取各种形式的数据在先进水平的电子皮肤应用中十分重要，并能根据不同形 式的信息得到更加准确的分析结果。 3）有待集成更多智能模块。目前的电子皮肤只具备初级信号处理能力，在面 对大数据和复杂算法时通常需要借助外部设备帮助。若传感器内能够集成计算 能力更强的小型化智能模块，则有望消除对外部刚性设备的依赖，提升电子皮 肤柔性水平，并实现高精度的分析和控制。 4）柔性集成芯片有待进一步发展。在集成度较低的水平下，现有电子皮肤需 依赖刚性集成芯片以实现复杂动作，因此牺牲柔性和拉伸性，并且刚柔结合部 位因材料杨氏模量差别较大，会导致器件整体的抗疲劳性下降，工作状态不稳 定。因此，混合电子皮肤的刚柔结合策略亟待优化，以及柔性集成芯片的研发 以期实现多功能的全柔性电子皮肤。

兆威机电：公司的微型传动、微型驱动系统产品，凭借其高精度运动控制、 高扭矩输出和紧凑体积等特性，与机器人领域的运动控制需求高度契合。 基于公司在微型传动、微型驱动行业积累的丰富经验和技术优势，公司紧 跟客户需求，开发了一系列包括空心杯电机、行星减速箱、高扭矩有刷直 流电机等产品。同时，公司切入灵巧手赛道，推出了其最新研发成果—— 手指集成驱动的高可靠灵巧手。参数和技术上看，该灵巧手产品具备兆威 独创的单关节驱动技术，速度控制和位置控制精确均较好。

鸣志电器：公司是全球领先的电机及驱动系统制造商，公司的无刷电机、 无刷无齿槽电机、无框电机、配套驱动与控制系统、精密直线传动系统及 配套减速机产品在机器人中可以广泛适用。公司海外子公司美国 Lin、美 国 AMP 和瑞士 T Motion 在欧洲、北美地区市场，尤其在医疗仪器和实 验室设备、半导体设备、移动服务机器人等运动控制自动化尖端技术应用 领域占有重要市场份额。

捷昌驱动：公司主要从事线性驱动系统的研发、生产和销售业务，生产的 线性驱动系统相关产品可应用于医疗康护、智慧办公、智能家居、工业自 动化、汽车零部件、机器人零部件等领域。在机器人产业布局方面，公司 的线性驱动技术在机器人线性关节和灵巧手的领域有着深度的应用。 2024 年 12 月，公司与浙江灵巧智能科技有限公司共同出资设立浙江灵捷 机器人零部件有限公司，该公司主要从事机器人灵巧手、关节模组及驱动 器等核心零部件的研发生产制造销售等相关业务，包括关节模组、空心杯 电机、微传动部件及电机驱动器等关键零部件。

曼恩斯特：公司是涂布模头行业龙头，核心产品锂电池涂布模头成功打破 了国外厂商在国内的垄断地位，实现了进口替代。在机器人产业布局方面， 2024 年 12 月，公司的子公司深圳蓝方技术与宇树科技在杭州举行了战略合作签约仪式，双方将围绕机器人本体软硬件技术、机器人产业落地等领 域开展合作。蓝方科技在机器人领域聚焦于开发微型直线电缸及灵巧手 等产品。目前，灵巧手及微型直线电缸已完成初代产品开发并处于内部测 试阶段，在不断进行技术优化及版本迭代同时，正积极拓展下游应用客户。

鼎智科技：公司专注于医疗及工业自动化用线性执行器、编码器、驱控器 及其组件为基础的精密运动控制系列产品。空心杯电机是公司重点发展 的核心产品。目前，公司空心杯电机已基本成熟，处于中小批量供货阶段。 公司自研空心杯电机绕线设备，可实现空心杯电机全自动批量生产。

来源：未来智库