2025-06-18 人形机器人“灵巧手”技术与产业链发展现状

出品：机器人新材料

人形机器人灵巧手是最具价值量的部件，灵巧手的性能和成本由驱动、传动和传感三大核心组件共同决定。真实人手单手自由度约21个，而机器人灵巧手常根据应用场景对功能进行简化设计以平衡成本与自由度。特斯拉Optimus第一代灵巧手只有11个自由度；最新发布的第二代灵巧手已将手部自由度提升至22个。

为了实现更高自由度和灵活性，业界灵巧手方案正不断迭代：Unitree Dex5手拥有20个自由度（16个主动+4个被动）并配备94个触点，允许丝滑反向驱动和精准力控，展现出强大的操作能力。灵巧手通常按照关节设计与传动方式可分为刚性关节型、柔性关节型和软体关节型。研制难点也集中在驱动/传动机构、传感器以及控制算法等方面。在驱动与传动的配比上，需要在结构紧凑和承载能力之间权衡。

腱绳传动结构自由度高、可实现自适应抓取，但刚度相对较低

连杆（链）传动刚性好、效率高，但在空间利用上受限

齿轮传动精度高但体积较大

谐波减速器体积小、传动比大、精度高，常用于高精度的关节传动

行星减速器效率高、寿命长，但精度略逊，适合手部一般关节

在工程实践中，特斯拉首代灵巧手采用“空心杯电机+行星减速+编码器+金属腱绳+蜗轮蜗杆”的方案，兼顾了高扭矩和自锁功能。最新方案则将驱动器置于前臂，通过丝杠+腱绳实现手部运动，以换向增力并保持高自由度。

主要驱动电机技术路线

目前灵巧手的电机驱动方案多样，主流方案包括空心杯电机、无框力矩电机和有齿槽无刷电机等。空心杯电机结构紧凑、重量轻、效率高，但单机扭矩较低，常需配合行星齿轮箱提升输出，目前Maxon、Faulhaber等是空心杯电机领域的头部供应商。无框力矩电机（无铁芯电机）没有齿隙，可直接驱动负载，适合追求高响应和高精度的场景。有齿槽无刷电机的输出转速较低，可以在一定程度上减小减速器体积。

在减速器方案上，谐波减速器和行星减速器最为常见。谐波减速器因体积小、精度高，通常用于机器人高自由度手腕和肩部关节；行星减速器则具备高传动效率和长寿命，但其精度相对略低。

此外，一体化螺杆（丝杠）与腱绳驱动逐渐成为趋势：如特斯拉第二代手部采用了前臂丝杠与腱绳结合的方案，既实现了动力方向的转换，又保持了系统的高刚度和自锁性。

传感器形态与布局

灵巧手的感知能力是实现精细操作的前提。常见的内部传感包括位置传感器、角度/弯曲传感器和张力传感器，用于反馈手部各部件的状态；外部传感则主要涉及力觉和触觉。六维力/力矩传感器（国内企业安培龙研制的产品）能够测量手部在三维空间的受力状态，是工业机器人常用的精密测力元件。触觉传感一般部署在指尖或手掌表面，通过高密度的压力传感器阵列采集接触力分布。

图片来源：安培龙

近来已有产品在指尖安装几十至上百个灵敏触点：Unitree Dex5灵巧手单手配备94个触点，用以捕捉物体表面接触信息。电子皮肤（柔性触觉传感器）是触觉系统的一种扩展形态，可覆盖整只手掌或手背，模拟人类皮肤的触觉机理。福莱新材等企业正致力于第二代高集成电子皮肤研发，用于增强机器人对接触的柔性反馈。综合来看，未来灵巧手多模态传感（视觉、力觉、触觉）将深度融合，只有解决视觉与触觉协同感知，机器人才能像人手一样灵巧高效。

最新技术与产业动态

近年来，人形机器人灵巧手技术迭代加速，多家国内外企业推出新方案并展开合作。特斯拉发布的第二代Optimus灵巧手将手部自由度提升到22个（五指各4自由度，腕部2自由度），并采用前臂集成驱动与丝杠+腱绳传动结构；驱动单元数量预计增至20个以上，性能指标大幅超越第一代。兆威机电于2024年11月推出了全球首款指关节内置驱动灵巧手——整手拥有17个主动执行单元（17自由度），单指具备≥3个执行单元，所有关键组件（电机、减速器、控制器等）均实现自主研发。

2025年初，兆威又在CES展上展示了最新灵巧手样机（17–20自由度）和“灵巧手+”生态理念。鸣志电器凭借收购技术储备，目前已实现空心杯和有齿槽电机的批量化生产。无刷空心杯电机销量在2023年增长超过80%，截至2024年11月，已与20余家国内外人形机器人厂商（包括头部企业）达成合作。Maxon在SPS 2024自动化展会推出了仿人机器人HOPE原型机（双臂各采用4台EC-i 40电机和6台EC90扁平电机驱动），并发布多款新品：集成了电机、齿轮箱与控制器的高效一体化关节模块“High Efficiency Joint 90”以及新型“Strain Wave”谐波轴减速器。

图片来源：MAXON

Unitree Dex5（20自由度+94触点）、Figure AI第二代Dex灵巧手（16自由度、可抓25公斤重物）以及1X Tech家庭机器人NEO（20自由度）等产品相继发布，展现出灵巧手的高自由度与高集成趋势。

工程挑战与国产替代机遇

灵巧手开发面临成本、精度和集成难点。一方面，高自由度需要大量微型电机与传动模块，导致系统成本和重量增加。另一方面，元器件如谐波减速器和微型电机要求极高的加工精度和可靠性，一旦误差偏差即影响抓握精度。特斯拉第二代灵巧手虽然自由度高，但目前承载能力和传动精度仍存在局限，手部尚未集成传感器。此外，多传感器数据的融合与实时控制也是挑战所在，需要更高性能的MCU和算法支持。

在产业链布局方面，全球灵巧手领域正出现多点开花的局面。国外方面有特斯拉、Harmonic Drive、Maxon、Faulhaber等龙头企业；国内则以兆威机电、鸣志电器等为代表的微型传动头部企业积极布局灵巧手关键部件。兆威机电是国产微型减速器与电机的领军者，灵巧手产品已经达到行业标杆水平；鸣志电器作为空心杯电机的隐形冠军，成本优势明显。同时，国产谐波减速器（同川科技）、六维力传感器（安培龙）、3D视觉（奥比中光）等企业也加快技术攻关，力争纳入人形机器人供应链。未来，随着国产电机、减速器和柔性传感等技术逐步突破，灵巧手关键部件国产化替代空间巨大，有望形成更加完善的自主供应体系。