今年以来，北京、上海、广东省深圳市、浙江省、湖北省等地明确提出与人形机器人、具身智能等相关的行动规划。今年国内多次举办了人形机器人相关会议，同时多个地方都建立了人形机器人研究中心、人形机器人产业园等，通过基金注册、补助等方式助力当地机器人企业加快发展。

图：帕西尼触觉灵巧手（来源：帕西尼官网）

人形机器人的产品迭代速度也在快速提升，截至2024年6月16日，斯坦福大学、Figure AI、优必选、傅利叶智能、智元机器人、波士顿动力、宇树科技等研发的人形机器人先后亮相，产品技术更新迭代提速，有望加快人形机器人技术发展进程。芯查查一直在跟踪人形机器人的发展进程，前面也撰文介绍过人形机器人需要用到的传感器及电机的市场情况，本文将会主要介绍人形机器人需要用到的一个关键零部件——灵巧手的技术发展情况。
 

什么是灵巧手及其发展历史

人形机器人的灵巧手指的是以人手的结构和功能为模仿对象，基于人手运动学而设计的一种末端执行器。与通用性差，只能完成焊接、喷漆等特定任务的工业机器人的夹钳式、吸附式，以及专用末端执行器不同，灵巧手具备通用抓取能力，能够模仿人手来操作物体，通常具备3到5个手指，每个手指至少具有3个轴线不完全平行的自由度，还会集成力觉、触觉等多种传感器。
目前的灵巧手不管是制造成本还是产品售价都比较高，还没有进行大规模商用，主要是高校的研究所，以及一些研发机构用于科研活动，近几年有少量公司进行生产制造并销售。

灵巧手的历史可以追溯到1962年，当年的Belgrade被认为是世界上最早的灵巧手，1974年日本的电工实验室研制出了Okada灵巧手，该灵巧手具有3根手指，拇指有3个自由度，另外两个手指各有4个自由度，采用了电机驱动和肌腱传动方式，是当时灵巧手的典型代表。

20世纪80年代，灵巧手的发展取得了很多成果，产生了具备位置、力/力矩等基本传感功能的现代灵巧手。比如1983年美国斯坦福大学成功研制出JPL灵巧手，它也是3根手指，每根手指有3个自由度，采用了12个直流伺服电机作为关节驱动器，采用N+1型肌腱驱动系统传递运动和动力。还有一个比较重要的产品是麻省理工大学与犹他大学联合研制的MIT灵巧手，第一次将手指数量增加到了4根，且每根手指有4个自由度，一共有16个自由度，采用了2N型腱驱动系统。它为后续的仿人形多指灵巧手建立了一个理论基础。在80年代末期，国内一些机器人研究机构和部分高等院校也相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作。

到了20世纪90年代，随着半导体及嵌入式硬件技术的发展，多指灵巧手的研究开始向着高系统集成度及更丰富的感知能力方向发展。这个时期典型的灵巧手代表产品有DLRI灵巧手和NASA多指灵巧手，这些产品能够根据抓取操作的需要进行灵巧手构型，感知能力也更加丰富。

21世纪初，灵巧手更多采用高度集成的系统及更多的传感器，让灵巧手具有了更高的灵活性和功能性，但也带来了一些问题，比如复杂的系统导致了高额的制造成本，而且可靠性和易维护性也降低了不少。因此，近10年来，多指灵巧手设计的一个重要方向就是简化系统，提高鲁棒性。

目前已经有多家公司制造出了可以商品化的多指灵巧手产品，但售价普遍偏高。比如英国Shadow公司推出的Shadow Hand拥有24个自由度和20个可单独控制的自由度，且配备了指端触觉传感器，其单价约30万美元；哈尔滨工业大学与德国宇航中心合作开发的HIT/DLR灵巧手的单价也在90万元人民币以上；德国SCHUNK公司的SVH灵巧手单价在70万元以上。
 

 图：智元机器人发布会上介绍其灵巧手特性（来源：智元机器人发布会视频）

高昂的价格是灵巧手广泛推广的一大障碍，这造成了大部分的灵巧手产品仅仅在科研实验室里用于科学研发和应用基础开发。不过，近年来，各类科研机构及企业开始从材料、加工方式、驱动器件、感知器件等多方面进行低成本化设计和制造，以研发出低成本的多指灵巧手产品。

国内灵巧手企业在降低成本方面更具优势，比如国内实现仿人五指灵巧手商业化落地的企业因时机器人的人形机器人灵巧手产品价格可以做到5万元以内；智元机器人发布的远征A1上使用的灵巧手拥有12个主动自由度和5个被动自由度，所有驱动都是内置的，并且集成了视觉和触觉的指尖传感器，但根据公开信息显示，其成本在万元以内；国内还有浙江强脑科技、思灵机器人、蓝胖子机器智能灯灵巧手企业的灵巧手价格在市场上都比较有竞争力。而且随着市场规模的扩大，成本还有望进一步降低。可以预见的是国内灵巧手企业有望凭借降本优势，在灵巧手市场占有一席之地。

灵巧手各部分技术路线

人形机器人的灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，其研究的最终目标也是期望能够像人手那样对形态各异的物体进行稳定灵活的抓取操作。而根据解剖学知识，不计算手腕在内，人手的自由度是21个，其中大拇指是5个自由度，其余四指各有4个自由度。

目前的灵巧手并没有统一的解决方案，其类型也多种多样，按照驱动方式、结构形式，以及传动机构可以分成不同的种类。
 

按照驱动方式，灵巧手可分为电机驱动式、气压/液压驱动式，以及形状记忆合金驱动式三种。其中电机驱动是当前灵巧手的主要驱动方式，形状记忆合金驱动为新型驱动方式，商业化应用较少。

电机驱动方式之所以能成为业界主流，是因为电机驱动方式体积较小、响应速度也快、稳定性、精度相对都比较高。最重要的是它的成本端是可控的，减速机+电机+控制器的方案已经在工业机器人、协作机器人等产品上得到了批量化应用，底层技术基本成熟，而且还能够实现大幅度降本。目前，电机驱动方式主要采用空心杯电机为主，空心杯电机的特点是它的体积能够做得非常小，加上它采用的是无铁芯转子结构，消除了铁芯涡流造成的电能损耗，传动效率会更高。当然，也有一些海外厂商采用微型伺服系统来做电机驱动的。

反观液压驱动方式，其特点是通过液体来进行传动，其核心部件包括了液压缸、液压阀等，它的能量密度非常高，而且爆发力和极限负载都会很大。但其最大的问题是成本太高，比如波士顿动力的Atlas机器人，根据公开资料显示其成本接近200万元，这个价格在民用市场很难被市场所接受。

气压驱动方式主要通过压缩空气的方式进行传动，但它的问题是精度比较低，体积比较大，目前市场上采用的不多。

形状记忆合金驱动是美国海军在研究中无意发现的一种比较特殊的金属材料。这种方式更适合驱动比较小型、高精度的机器人的装配作业。但是因为它无法长时间工作，而且疲劳强度相对来说比较低，所以现在还没有被大规模应用。

还有一种灵巧手的分类方式是根据其机械的传动形式。其传动系统可分为连杆传动、绳驱传动和齿轮传动三种。虽然说驱动源是影响灵巧手体积和重量的重要因素，但灵巧手的操作稳定性和灵活性指标主要取决于传动系统。
 

前面提到的三种方式，连杆传动的重复定位精度高、刚度大、抓取力强、但它的适应性比较弱、重量体积大，柔性不足，在抓取一些形状不规则的物体，或者易碎物体时，其包裹性和自适应性会比较差，因此，广泛用于工业、假肢领域。

绳驱传动主要利用腱绳加上滑轮，或软管实现传动。特点是灵活度很高，具有被动柔顺性。缺点是负载低、寿命也低；主要用于科研领域和人形机器人领域。典型的应用方案就是Shadow Hand等灵巧手落地，它具有24个关节和20个自由度，整个手的重量大概是4kg，但它能够提起5kg的物体，能够完成扭魔方、开瓶盖、滴眼药水等相对比较复杂的工作。另外，特斯拉机器人配备的灵巧手也是采用该类型传动机构。

而齿轮传动精度很高，但结构复杂、易发生故障、成本也相对比较高，主要应用于工业机器人。比如说德国宇航局跟哈工大合作的灵巧手采用的就是此类传动机构。

从传感器方面来看，灵巧手采用的传感器主要分为内部传感器和外部传感器两种。内部传感器主要反馈灵巧手的姿态信息，分为运动传感器和力/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，对灵巧手的灵活、稳定抓取至关重要。外部传感器包括接近传感器、触觉传感器和摄像头等，主要感知目标物体的位置、受力等信息，这些信息对于提高灵巧手的操作成功率较为关键。目前比较受关注的有阵列式触觉传感器，或者电子皮肤。

未来，多感知能力融合是灵巧手的发展方向。一方面，同时获取多种信息有助于灵巧手对于物体的精准识别，提高操作精细度和智能化水平；另一方面，多种传感方式搭配可弥补传动方案缺陷，比如绳驱方案具有力度和重定位精度较差的缺陷，可通过角度传感器测量累计弯曲角度，补偿电缆因为摩擦引起的非线性变化，从而增强对腱绳张力控制的精确度。

最后，根据驱动器所在的位置，可将灵巧手的结构形式分为驱动器外置、驱动器内置和驱动器混合置三种。其实，这也是灵巧手结构的演变路线，早期灵巧手通常将电机外置，导致整体体积较大，后来逐渐将电机内置，比如特斯拉的Optimus，提升了灵巧手的互换性和可维护性，减小了维护成本，但对电机尺寸要求较高，且关节灵活性下降。因此，出现了驱动器混合置结构，能够在保证高自由度的同时控制体积大小。不过，混合置结构仍存在外置结构的缺陷，未来，随着微驱动、微传动器件技术提升，灵巧手的结构将向着模块化、微机电集成化方向发展。

灵巧手市场格局与参与者

灵巧手市场的参与者主要有两类，即机器人企业和研究机构。中国灵巧手行业的起步较晚，参与者数量不多，国际参与者的数量比较多，而且经过60多年的发展，国际参与者积累了比较强的技术优势和产业链资源，因此他们的竞争力更强。

灵巧手的技术壁垒是比较高的，一些先进的灵巧手价格很贵，比如说Shadow的灵巧手换算成人民币单价在220万元左右。因此，大部分的灵巧手都是在科研领域，主要的商用场景是假肢。
 

 图：灵巧手的参与者（来源：头豹研究院）不过最近几年，随着人形机器人的快速发展，灵巧手在人形机器人领域的商用化有望逐步加速。根据目前的公开信息，人形机器人的灵巧手参与企业中，国际企业主要有Shadow、SCHUNK、M.G.Catalano，及特斯拉等，国内企业有因时机器人、上海硅步、帕西尼、思灵机器人、腾讯等。

市场规模方面，人形机器人产业爆发必将带来灵巧手的增长，根据多家机构对人形机器人销量的预测，可以推测出人形机器人的灵巧手销量到2028年有望增长到138万只，如果按照2万元单价估算，灵巧手市场规模到2028年将达276亿元。

结语

目前人形机器人的灵巧手解决方案并没有定型，大家都在按照自己的思路在设计，有业内人士认为未来的灵巧手应该具有一定的智能，主控只需要发送一个任务指令就行，具体的任务分解与执行策略可以让灵巧手自己完成。至于未来灵巧手将会如何演变，还需要看市场需求，现在讨论哪一种灵巧手方案会成为市场选择还为时尚早，未来也可能是多种方案并存状况。

但不论如何变化，灵巧手需要用到的各种零部件其实是差不多的，比如空心杯电机、齿轮箱、编码器、驱动器、传感器等等。未来，我们可以关注这些基础零部件的技术发展。