多指灵巧手：多指多关节结构，最普遍的结构为 3-5 个手指，且各手指均具有 3 个关节， 手指关节的运动副都采用转动副。多指灵巧手以人手的结构和功能作为模仿对象，其研 究的最终目标是能够像人手一样对生产、生活乃至自然界中的各种物体进行稳定并且灵 活的抓持和操作。机器人多指灵巧手的研究始于 20 世纪 70 年代，一共经历了 20 世纪 70 年代—20 世纪 90 年代、20 世纪 90 年代—2010 年和 2010 年至今三个阶段。

1）20 世纪 70 年代—20 世纪 90 年代是机器人多指灵巧手领域研究的初始阶段，在这一 阶段中的三个典型代表分别是日本的 Okada 灵巧手、美国的 Stanford/JPL 灵巧手和 Utah/MIT 灵巧手。这三种灵巧手的研究为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。

2）20 世纪 90 年代—2010 年，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究进入了快速 发展阶段。这一阶段的多指灵巧手具备更高的系统集成度和更丰富的感知能力。例如美 国国家航空宇航局研制的用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手 Robonaut hand，腱 绳张力传感器的加入使其运动控制更加准确；德国宇航中心先后研制成功的 DLR-I 和 DLR-Ⅱ灵巧手共集成 25 个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、 位置传感器和温度传感器等，使得灵巧手在灵活性和感知能力方面都有显著提升；日本 岐阜大学研制出 Gifu hand，其突出特点在于分布式的触觉传感器，这提升了灵巧手对外 界物体整体的触觉感知，进而大幅提高了手抓持和操作的成功率。

3）2010 年至今，朝着简化系统、提高鲁棒性的方向发展。由于高度系统集成的灵巧手 在具有灵活性和功能性优势的同时因复杂的系统而产生高额制造成本，系统的可靠性和 易维护性也有所降低，因此多指灵巧手设计将简化系统、提高鲁棒性作为进一步发展的 一个重要方向。欠驱动手能够通过合理的结构设计，以少于手指关节自由度的驱动器控 制手的运动，以此降低整只手的系统复杂度，提高可靠性。自适应灵巧手就是一种有效 的欠驱动实现方式，它通过对操作对象的自主适用性包络实现抓取。典型例子是立命馆 大学设计的 Ritsumeikan Hand，它通过耦合走线实现了 2 个驱动器对 15 个关节的驱动。 此外，HERI Hand、SPRING hand、Columbia hand、耶鲁大学的欠驱动手等也都采用了 适应性欠驱动的结构设计，实现了稳定的抓取。

目前市场上已出现来自多家公司的机器人多指灵巧手产品，其中 Shadow dexterous hand 已实现商品化。例如英国 Shadow Robot 公司推出的先进仿人型机器人手 Shadow dexterous hand，其拥有 24 个自由度和 20 个可单独控制的自由度，可配备指端触觉传 感器，是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一。此外，德国 SCHUNK 的 SF5H hand、德 国 FESTO 的柔性多指灵巧手 Bionic Soft Hand 和北京因时机器人科技有限公司的 RH56BF3 仿人型多指灵巧手也都是较具有代表性的多指灵巧手产品。值得注意的是，这 些多指灵巧手产品也并非完美，目前它们仍然不能实现与人手相当的自由灵活程度和操 作能力，且价格较昂贵，推广应用难度大，因此灵巧手可能会成为未来机器人领域需要 重点突破的方向之一。

1.2灵巧手传动方式:绳驱 VS 连杆

常见的灵巧手传动方式有腿绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动，其中腿绳传动是目前应用最广泛的方案。

(1)连杆传动:早期的多指灵巧手的手指内多采用连杆等传动机构，多个连杆串并联混合的使用形式较为常见。手指的运动和动力由刚性连杆传递，能够抓取大型的物体且结构设计紧凑，可以完成包络抓取，然后，连杆传动在远距离的控制上就比较困难，容易发生弹射，抓取的空间较小，同时尺寸和质量大，运动不灵活等问题难以解决，因此更灵活、更省空间的腿绳传动方案应运而生。

(2)腌绳传动: 腿绳传动是目前灵巧手研究中应用最为广泛的一种传动方式，如目前量产的 Shadows Hand 即采用了这一传动方式。腿绳在一定程度上模拟了人手的肌腿结构，腿绳传动使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负裁和惯量，提升了抓取的速度，灵活性大大提升。同时腿绳适用于空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合，较连杆等传动方式更节省空间。然而腿绳传动也有其应用难点，包括负裁能力较弱，预紧力变化大，负载越大效率越低等。

采用腱绳传动的代表性产品：

（1）Shadow 灵巧手：全手 24 个关节，由 20 个腱绳驱动及 4 个欠驱动控制。Shadow 灵巧手是英国 Shadow Robot 公司推出的先进仿人机器手，也是目前已实现量产的成熟 灵巧手产品之一。Shadow 灵巧手无论是从力的输出还是灵敏度上，都可以与人手相媲 美。标准版本的五指灵巧手，拥有 24 个关节（包括腕部），并拥有 20 个可单独控制的 自由度，完全基于人手的运动方式进行设计开发，可以使其做出与人手类似的动作。 Shadow 灵巧手还具备 129 个内置传感器，可以对环境进行触觉感应。当操作者带上触 觉手套，操控灵巧手进行动作时，手套能够将灵巧手受到的力反馈回来，让操作者能够 轻易地掌握力的大小、方向和距离。为了驱动众多关节，Shadow Hand 采用了线绳驱动形式，其中 20 个关节由直流电机驱动、腱绳传动，4 个关节为欠驱动，驱动器放置在下方的基座上。

（2）DLR/HIT Hand II：共 15 个自由度，5 个手指完全相同，中间关节和末端关节 通过钢丝机构耦合运动。德国宇航中心（DLR）与哈尔滨工业大学（HIT）于 2007 年研 制成功了 5 指机器人灵巧手 DLR/HIT II，它是具有多种感知功能的、集成的 5 指灵巧手。 为实现手指的模块化设计，DLR/HIT II 的 5 个手指完全相同，每个手指有 3 个自由度、 4 个关节，末端的两个关节通过钢丝机构耦合运动。所有的驱动器、电路板、通信控制 等均集成在手指内部。DLR/HIT II 的手指由集成于第一个指节内的盘式电动机驱动，通 过 2.1:1 减速比的齿形同步与 100:1 减速比的谐波减速器相连，谐波减速器的柔轮固定， 刚轮带动中间关节转动。中间关节和末端关节采用钢丝机构实现精确的 1:1 耦合运动， 并具有钢丝预紧机构。其电机的连线有 8 根，包括 3 根钢丝驱动线、3 根霍尔信号线和 2 根霍尔的电源线。

（3）Hasy（Hand Arm System）手-臂联合系统：大量采用滑轮与腱绳机构。2010 年 DLR 研制 Hasy（HandArmSystem）手-臂联合系统。它由 5 个手指构成，除无名指具 有 3 个自由度以外，其他手指均具有 4 个自由度，加上腕部的 2 个自由度，总共具有 21 个自由度，多达 103 个滑轮和腱绳机构。Hasy 手是第一个采用仿生学关节进行手指设计 的多指灵巧手，手指关节的运动模仿人手进行面接触滑动而不是单纯的转动。Hasy 灵巧 手的驱动器及其控制系统均置于前臂。

（4）手术机器人：达芬奇手术机械臂采用线绳驱动。直觉外科的达芬奇是全球领先的手术机器人系列，其配套器械多采用线绳驱动，可以实现多自由度与高精度的活动。达芬奇手术机器人采用了线绳+滑轮的结构，其线绳为特殊钢缆材料，具有优异的断裂强度和超长的循环寿命。

腱绳的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵巧手的性能具有较大影响，同时 与电机的连接采用减速器或丝杠也会直接影响腱绳的工作方式（拉伸或弯曲），因此腱绳 需配合驱动方案进行选型。从数量看，根据 N+1 理论，一个 N 自由度的腱绳驱动的灵 巧手，可以最少完全由 N+1 根腱绳控制。因此对于三个自由度的食指而言，可以由四根 腱绳控制而实现全驱动，同理拇指则需要五根腱绳。但对于欠驱动系统而言，腱绳的使 用数量将低于全驱动系统。同时，腱绳一般需要额外的张紧装置，一般使用复位弹簧等。 灵巧手腱绳要求较高，通常需满足以下条件：

(1)高强度与耐久性。灵巧手作为机器人末端执行器，需要具备较强的承载能力，而睫绳的强度会直接影响灵巧手的承载能力。同时灵巧手在日常使用中频繁仲曲，腿绳应具备优异的耐久性。

(2)抗蠕变。蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，许多材料(如金属、塑料、岩石和冰)在一定条件下都表现出蠕变的性质，灵巧手腿绳发生较大蠕变则会影响其预紧与精度，甚至腿绳在蠕变过程中可能发生不同形式的断裂。因此，灵巧手腿绳应在长期工作中具有较低的蠕变

(3)较小的折弯半径。折弯半径是指线绳在弯曲过程中，弯曲部分的半径大小。以钢丝绳为例，钢丝绳折弯半径的大小取决弯曲时施加的力和钢丝绳的直径。常见的钢丝绳折弯半径为钢丝绳直径的 6-10 倍。如果弯曲半径太小，会使钢丝绳过度弯曲，导致强度降低甚至折断。灵巧手关节空间受限，供腿绳走线的滑轮半径小，这需要腿绳具备较小的折弯半径。

(4)抗腐蚀。灵巧手会可能面临各种恶劣的工作环境，如潮湿、酸性、碱性环境等灵巧手腿绳需要具备较强的抗腐蚀性能，才能应对复杂的工作环境。

(5)良好的柔韧性。柔灵巧手内部腿绳若采用滑轮或减速器与电机连接，则是拉仲+弯曲的工作方式，腿绳就具备良好的柔韧性，以便于精确控制手指的运动。

院绳材料的选择对于腌传动性能至关重要，钢丝绳是较优选择，要求一种线绳材料具备前述全部性能是很困难的，所以选择线绳时应按其使用条件，尽可能满足必要性能。目前灵巧手或手术机器人线绳多采用钢丝绳材料，钢丝绳没有内摩擦，且与滑动表面的摩擦系数较小，同时强度高，可提供较大承载力，是腿绳材料较优选择，DLR Hasy hand的腿绳材料就选择了钢丝绳。

钢丝绳有多种材质可供选择，较为常见的材质有碳素钢丝绳、不锈钢丝绳、镀锌钢丝绳、 合金钢丝绳等。

1）碳素钢丝绳：由于其良好的弹性和高强度，碳素钢丝绳广泛用于起 重、牵引、挂载等重载领域，是一种经济实惠、使用寿命长的选择；

2）不锈钢丝绳： 采用不锈钢制造而成，具有优异的耐腐蚀性和高温耐磨性，在食品加工、海洋开发等领 域具有广泛应用；

3）镀锌钢丝绳：在制造过程中镀锌处理，具有良好的防腐蚀能力和 耐磨性，在航空、冶金等领域应用广泛；

4）合金钢丝绳：采用合金钢制造而成，提供极高的抗拉强度和优异的耐磨性能，在建筑、桥梁、矿山开采等领域得到广泛应用。

从结构上看，钢丝绳通常用多股绞合形成线缆，以达到更优的性能。以全球领域的 Sava （Carl Stahl Sava Industries）为例，其不锈钢线缆已有 50 多年的历史，Sava 为美国宇 航局生产不锈钢电缆，用于太阳能电池阵列和航天飞机。此外，Sava 将这种可靠的钢丝 绳材料用于治疗心房颤动的复杂医疗器械，以及内窥镜设备等一系列医疗设备。Sava 提 供了全系列的高性能钢丝绳结构，用户可根据其不用应用场景进行选型。

灵巧手需要传动部件高度集成化，腱绳与其他传动装置组成一体化设计。受限于灵巧手 空间结构，其内部传动方案需要做到高度集成，采用一体化设计可优化手指内部空间结 构，减小体积。以 DLR/HIT II 灵巧手为例，其手指为模块化设计，由两个相对独立的部 分组成：2 自由度的基关节和 1 自由度、2 个关节的手指单元。

1）基关节：两套传动系 统相同，共同驱动差动机构的两个主动齿轮。当基关节俯仰运动时，两套驱动系统同向 运动；当基关节侧摆运动时，两套驱动系统反向运动。这意味着关节及指尖的运动和输 出力是由两套驱动系统、两个电动机共同合成、承担的，在相同的指尖输出力条件下， 更有利于采用小电动机。

2）手指单元：它由集成于第一个指节内的盘式电动机驱动， 通过 2.1:1 减速比的齿形同步带与谐波减速器相连，谐波减速器的柔轮固定，刚轮带动 中间关节转动。中间关节和末端关节不是独立控制的，而是采用钢丝机构实现精确的 1:1 耦合运动，并具有钢丝预紧机构。

特斯拉预计也采用腱绳传动一体化设计。从特斯拉 AI DAY 公布的细节来看，Optimus 灵巧手使用较为经典的六电机驱动方式，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。从 AI DAY 公布的版本来看，其传动采用蜗轮蜗杆+腱绳机构一体化设计，蜗轮蜗杆机构可实现自锁降低能耗，手指采用线绳的传动可实现形态美观及自适应 性。由于特斯拉 Optimus 尚处于开发阶段，其灵巧手传动方案后续可能会进行改进，如 采用减速器替代蜗轮蜗杆等。但由于灵巧手需要仿生人类手掌大小，因此预测特斯拉灵巧手腱绳、减速器/蜗轮蜗杆将保持一体化设计，将腱绳末端直接固定在减速器或蜗轮蜗杆上，以实现更好的空间性能。

腱绳是机器人增量环节，高性能腱绳具备稀缺性，有望开启十亿级增量市场。机器人灵 巧手腱绳与手术机器人在使用工况上类似，手术机器人线驱动线绳是一种特殊的钨钢丝 材料，据产业调研，手术机器人钨钢丝每根价格在几百元。灵巧手腱绳长度稍短，因此 我们假设灵巧手单根腱绳价格在 60 元左右。同时从特斯拉灵巧手结构看，单手共 6 个 自由度，预计其中 5 个手指的弯曲自由度均采用线驱动，大拇指的侧摆自由度推测是电 机加减速器直驱，因此预计双手有 10 个自由度采用线驱动。由于线驱动通常主动绳、 连动绳搭配使用，因此预计特斯拉灵巧手单指手指使用 2 根腱绳。根据以上假设，我们 测算单台机器人腱绳价值量约为 1200 元，100 万台人形机器人销量假设下，灵巧手腱 绳市场空间达 12 亿元。

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