一、什么是灵巧手?为什么它如此重要?

灵巧手是一种模仿人手结构和功能设计的机器人末端执行器。与传统的二指或三指夹爪相比,灵巧手具有更高的自由度和灵活性,能够完成抓、握、捏、拧、旋转等复杂动作。
灵巧手的重要性体现在三个方面

  1. 功能实现的关键:灵巧手占人形机器人整机成本的14-18%,工程量可能占到整机开发工程的一半,直接决定机器人的操作能力。


  2. 高泛化能力:与传统工业夹爪只能执行特定任务不同,灵巧手能够适应多变的工作场景,实现多任务迁移。


  3. 人机交互的桥梁:灵巧手集成了丰富的传感器,是机器人与物理环境交互的重要接口。


二、灵巧手三大核心解析

1. 驱动:提供动力的“心脏”

驱动部分主要负责为灵巧手提供动力,目前主流采用的方案还是电机驱动。
主流方案一:空心杯电机
空心杯电机采用无铁芯转子设计,消除了传统电机因铁芯形成涡流而造成的电能损耗。其主要优势包括:
a、体积小、功率密度高
b、响应速度快、运行平稳
c、效率高、能量损耗小
目前兆威机电、特斯拉Optimus等主流灵巧手产品均采用空心杯电机作为驱动方案。
主流方案二:直流无刷电机
直流无刷电机通过电子换向替代传统机械换向,具有:

  • a、性价比高


  • b、功率高、耐用性强


  • c、适合低速高功率场景

在特斯拉Optimus Gen3中,开始采用空心杯电机与直流无刷电机混用的方案,将驱动电机从手掌转移至小臂,降低了对空间的要求。

2. 传动:动力传递的“神经网络”

传动将驱动的动力传递到手指关节,实现精确的运动控制。
减速模块:目前主要采用行星减速器,未来可能向微型谐波减速器过渡。行星减速器具有结构简单、成本低、承载能力强的优点,而谐波减速器则更加紧凑、精度更高。
线性传动模块:主要采用丝杠方案,包括滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。滚珠丝杠的综合性价比更高,而行星滚柱丝杠价格较高,但是承载能力更强。
末端传动模块:主要有腱绳传动和连杆传动两种方案。
腱绳传动类似人体肌腱,通过柔性绳索传递动力:

  • 优点:节省空间、柔韧性好、适合高自由度设计


  • 缺点:长期使用易拉伸变形,影响精度



连杆传动通过刚性构件连接实现运动传递:

  • 优点:刚度大、负载能力强、结构稳定


  • 缺点:体积大、重量高、抗冲击能力弱

目前国内产品多采用连杆传动,而海外产品更倾向于腱绳传动。未来可能会出现混合传动方案,兼顾仿生性能和负载能力。

3. 感知:与环境交互的“感官”

感知使灵巧手能够感知自身状态和外部环境,是实现精细操作的基础。
位置传感器:主要采用编码器,检测灵巧手的位置和运动状态。光电编码器精度高,磁电编码器抗干扰能力强。
力/力矩传感器:实时测量关节扭矩,提供动态力反馈。从一维到六维力传感器,维度越高,提供的力觉信息越全面。
触觉传感器:模仿人类触觉功能,感知接触力、压力分布等信息。主要技术路线包括:

  • 压阻式:灵敏度高、成本低


  • 电容式:响应速度快、受温度影响小


  • 磁电式:能测量多种触觉信息,但成本高


  • 视触觉:融合光学成像与触觉感知,输出图像化触觉信息

柔性电子皮肤是触觉传感的未来发展趋势,可以贴覆在灵巧手表面,实现全覆盖感知,精准感知压力、温度等环境信息。

三、灵巧手技术路线:仿人vs特化

1. 仿人路线:主流选择

仿人路线以人手的结构、运动方式和感知能力为模仿对象,特点是:

  • a.自由度接近人手(通常15-22个自由度)


  • b.采用腱绳传动模拟人手肌腱


  • c.配备丰富的触觉传感器


  • d.向柔性电子皮肤方向发展

代表产品:兆威机电ZW HAND、宇树科技Dex5等。

2. 特化路线:创新突破

特化路线以强化特定性能为导向,突破传统灵巧手的局限。例如:

  • a.中国科大团队的触手形执行器,模仿章鱼触手,实现高适应性抓取


  • b.加州大学团队的卷尺形执行器,具备轻量化、柔性特点

这些创新方案拓宽了灵巧手的应用边界,为特殊场景提供了新的解决方案。

四、应用场景与技术要求

1. 工业场景:精度与可靠性并重

工业场景对灵巧手的要求是长时间运行、高精度、高可靠性。技术特点是:

  • a.可能采用直流无刷电机替代空心杯电机以降低成本


  • b.倾向使用连杆传动方案,保证控制精度


  • c.对触觉传感要求相对较低

2. 特殊场景:强化感知与防护

应急救援、巡检防爆等特殊场景要求:

  • a.强化感知功能,实时精准获取环境数据


  • b.特化防护性能,应对极端环境


  • c.可能采用特化路线的灵巧手设计

3. 消费场景:灵活性与交互性优先

养老、家政等消费场景更注重:

  • a.高灵活性和泛用性(空心杯电机+腱绳传动)


  • b.丰富的触觉感知(柔性电子皮肤)


  • c.拟人化的交互体验

五、行业发展趋势与机遇

1. 技术趋势


  • 自由度提升:从目前的6-20个自由度向人手的27个自由度发展


  • 传感器用量增加:从单一触点到全手阵列式感知


  • 成本下降:国产化推动价格从数万元向万元以内下探

2. 市场前景

特殊场景有望率先落地,工业场景随着柔性制造需求增长空间广阔,消费场景是长期发展方向。据预测,2030年全球机器人多指灵巧手市场规模将超过50亿美元,2024-2030年复合增长率达64.6%。

3. 入行建议

对于希望转入灵巧手行业的新人,建议:

  1. 夯实基础:掌握机械设计、电机控制、传感器技术等基础知识


  2. 关注主流方案:深入了解空心杯电机、腱绳传动等成熟方案


  3. 学习创新技术:关注柔性电子皮肤、特化设计等前沿方向


  4. 实践为先:通过开源项目或实验平台积累实际经验


结语

最近,国产灵巧手价格已经降至4000以内了,这个价格对于灵巧手的普及帮助很大,随着技术进步和交付数量的提升,价格还会进一步下降。
灵巧手作为机器人领域的核心技术,正处在快速发展和创新的阶段。从驱动、传动到感知,从仿人到特化,技术路线多样且各有优势。随着材料、工艺和算法的进步,灵巧手的性能将不断提升,成本持续下降,应用场景也更加广泛。
对于转入这一领域的新人来说,掌握三大核心的技术原理,了解不同应用场景的需求特点,关注行业最新技术动态,将有助于在这一充满机遇的领域找到自己的定位。灵巧手技术不仅是机器人发展的重要方向,也是推动智能制造、改善人类生活品质的关键技术,值得投入学习与研究。

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作者 ab, 808