未来触感，灵巧手技术深度剖析

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发布时间：2024-11-26

灵巧手，作为人形机器人的特殊末端执行器，是基于人手运动学设计的一种复杂机械结构。它不仅需要模仿人手的外观和形态，更重要的是要具备人手的高自由度、结构紧凑以及灵活精巧的运动能力。真实人手具备远指关节和中指关节的屈曲/伸展运动、掌骨关节的屈曲/伸展和侧向摆动等多个自由度，而人形机器人的灵巧手则需要在这些基础上进行权衡和简化，以适应不同的应用场景。

 

人形机器人的灵巧手之所以重要，是因为它直接决定了机器人的应用场景和操作能力。无论是工业生产、医疗康复、日常生活辅助还是娱乐互动，灵巧手都能够为机器人提供更加精准、高效的操作手段，从而提升机器人的实用价值和用户体验。

 

 

灵巧手的性能和成本受其三大核心组件—驱动、传动和传感装置的共同影响。首先，驱动系统为手部提供必要的动力和旋转力，确保其具备足够的操作能力；

 

其次，传动系统负责将动力传递到手指，精确控制其运动轨迹；最后，传感系统则负责监测和响应手部与环境的互动，提供反馈信息以优化抓取动作。

 

灵巧手研制难点可分为“灵巧”和“作业”两部分，灵巧性难题是由于灵巧手关节自由度分布、关节数量要求较高，作业能力难题则由于灵巧手需要具备更强的操作负载能力、力位精度与可靠性。

 

灵巧手需从实际应用场景出发进行结构设计，在追求性能最优化的同时要考虑到成本效益，实现两者之间的合理折中。对于人形机器人的灵巧手，其设计必须考虑到人体工程学的尺寸要求，同时还要兼顾空间限制和重量等实际应用中的实用性因素。

 

灵巧手技术路线选择

技术路线1：空心杯电机

 

特点：具有轻量高效、高转速和长寿命的特点，适合需要高精度和快速响应的场合，但单独空心杯电机扭矩相对较低，需要搭配行星齿轮减速器以降低输出轴的速度并增加扭矩。

 

应用：因时机器人灵巧手内部装有6个小型伺服驱动器，集成无刷电机、行星减速机、直线导轨、绝对位置检测传感器和力传感器。特斯拉Optimus单手6个无刷空心杯电机模组，由空心杯电机+行星减速箱+编码器+驱动器+传感器构成。

技术路线2：无框力矩电机

特点：具有低转速大扭矩的特点，能直接耦合（无背隙），可以直接驱动负载，不需要皮带、齿轮等传动装置，其应用于灵巧手相比空心杯电机模组可节省传动部件，具备一定成本优势。

应用：Dexhand和Spacehand灵巧手都采用Robodrive ILM 25无框力矩电机，该电机与传动比为100:1的谐波减速器HFUC 8结合，组成圆柱体（长约17.5mm，重约46g），提供2.4Nm的连续扭矩，峰值可达9Nm。

技术路线3：无刷有齿槽电机

特点：无刷电机减少了机械接触和磨损，寿命更长且维护成本较低；有齿槽磁能更集中，相比空心杯电机模组转速更低可以节省齿轮箱，性价比优势较突出。

应用：DLR/HIT Hand II手指基关节模组使用了Maxon的无刷有齿槽电机和谐波减速器。出于人形机器人降本需求，搭载无刷有齿槽电机的灵巧手商业化进度可能更快。

灵巧手驱动电机

灵巧手使用的一般指的是空心杯电机+多级行星减速箱组成的模组，一双特斯拉灵巧手需要12个无刷空心杯电机模组。

空心杯电机是一种特殊的直流电机，在结构上突破了传统直流电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，其电枢绕组为空心杯线圈，形似水杯，因此被称为“空心杯电机”。空心杯电机具有高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，需要搭配行星减速箱使用，一般会集成2-3级的行星减速箱。

空心杯关节是直流永磁伺服微特电机的一类，从原理上来说属于旋转关节的范畴，具有新颖的转子结构、独特的线圈制造工艺和较小的尺寸。空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机定子无铁芯。

关键词： 未来触感，灵巧手技术深度剖析

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