編者按： 機(jī)器人能否真正「心靈手巧」，關(guān)鍵就在這最后一厘米——靈巧手。它集機(jī)械、傳感與 AI 技術(shù)之大成，突破了傳統(tǒng)夾爪的局限，正從工業(yè)工具進(jìn)化為更具自主性的「類人智能體」。具身智能熱潮下，靈巧手也走到了臺(tái)前。

星河頻率特別策劃靈巧手系列文章，深入這場(chǎng)關(guān)于「觸覺(jué)」、「操控」與「創(chuàng)造」的技術(shù)革命核心。我們將不僅關(guān)注精巧關(guān)節(jié)背后的硬核科技，更將探討技術(shù)狂熱之下關(guān)于「能力邊界」與「人機(jī)共生」的深層思考。

我們將與所有關(guān)注未來(lái)的同行者一起，共同探索那雙「靈巧之手」所能觸及的、人機(jī)協(xié)作的終極新邊界。

往期文章：

《靈巧手，人形機(jī)器人的「最后一厘米」》

《國(guó)產(chǎn)靈巧手跑出了個(gè)「四小龍」》

作者｜毛心如

編輯｜白雪

靈巧手圈最近出了件 drama 的事情。

特斯拉對(duì)一位原 Optimus 團(tuán)隊(duì)工程師提起訴訟，指控其竊取有關(guān)「先進(jìn)機(jī)器人手部傳感器研發(fā)」信息，并成立競(jìng)爭(zhēng)性初創(chuàng)企業(yè)。

這位工程師在離開(kāi)特斯拉 6 天后就創(chuàng)辦了機(jī)器人公司 Proception，5 個(gè)月后推出靈巧手 ProHand，有 22 個(gè)自由度，握力達(dá) 20 公斤，性能參數(shù)與特斯拉產(chǎn)品相近。

雖然是否「偷了技術(shù)」尚無(wú)定論，但是對(duì)于一個(gè)只有 9 個(gè)人的團(tuán)隊(duì)，「成立 5 個(gè)月推出靈巧手產(chǎn)品，15 個(gè)月將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品交付」，這個(gè)速度看起來(lái)還是有點(diǎn)瘋狂的。

如此迅猛的發(fā)展，也像靈巧手賽道狂飆突進(jìn)的一個(gè)縮影。作為衡量機(jī)器人作業(yè)能力上限的重要一環(huán)，隨著具身智能熱潮席卷而來(lái)，靈巧手賽道正迎來(lái)前所未有的爆發(fā)。

目前已經(jīng)有三路玩家殺進(jìn)這場(chǎng)百億規(guī)模的競(jìng)爭(zhēng)，分別是專業(yè)靈巧手廠商、機(jī)器人本體廠商以及做核心硬件可技術(shù)復(fù)用的廠商。

不僅賽道玩家日益增多，融資市場(chǎng)熱度也同樣高漲，創(chuàng)下靈巧手賽道種子輪融資紀(jì)錄的靈心巧手，最近獲得了螞蟻集團(tuán)的加碼，帕西尼感知也在 50 天內(nèi)拿下兩輪超億元融資。

盡管靈巧手熱度持續(xù)攀升，但投資界對(duì)其是否值得押注仍存分歧。

核心原因是目前靈巧手行業(yè)的技術(shù)路線未收斂，多種技術(shù)路線并存，業(yè)內(nèi)對(duì)于哪種技術(shù)路線更有優(yōu)勢(shì)尚無(wú)定論。

這種不確定性尤其體現(xiàn)在構(gòu)成靈巧手核心的三大關(guān)鍵要素——驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)方案和傳感器上，各細(xì)分領(lǐng)域均呈現(xiàn)「百家爭(zhēng)鳴」的探索局面。

驅(qū)動(dòng)方案：靈巧手的肌肉

在靈巧手構(gòu)造中，驅(qū)動(dòng)方案扮演著「核心動(dòng)力源」的角色，如同人類的肌肉組織為手部運(yùn)動(dòng)提供力量。其選擇與優(yōu)化直接決定了靈巧手的性能邊界與產(chǎn)業(yè)化可能。

當(dāng)前靈巧手驅(qū)動(dòng)方案主要圍繞四大技術(shù)路線展開(kāi)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)。

其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)因具備體積小、響應(yīng)快、調(diào)控方便、穩(wěn)定性好、精度高等綜合優(yōu)勢(shì)，成為產(chǎn)業(yè)化的主流選擇。

目前市面上的靈巧手主要用到的電機(jī)有三種：直流無(wú)刷電機(jī)、無(wú)框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)。

三者在結(jié)構(gòu)完整性、核心性能側(cè)重和應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)有明顯差異。

直流無(wú)刷電機(jī)保留了完整電機(jī)結(jié)構(gòu)，性能強(qiáng)調(diào)控制精度，多用于通用工業(yè)自動(dòng)化。

無(wú)框力矩電機(jī)設(shè)計(jì)特殊，僅保留核心部件，追求高扭矩密度，適配高集成度機(jī)器人。

空心杯電機(jī)則是無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)，注重響應(yīng)速度與輕量化，能量轉(zhuǎn)換效率普遍超 85%，聚焦動(dòng)態(tài)操作場(chǎng)景。

作為精細(xì)操作的執(zhí)行器，靈巧手有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，需要更高的功率密度，因此空心杯電機(jī)是當(dāng)前靈巧手電驅(qū)方案的主要選擇。

根據(jù)換向方式的不同，空心杯電機(jī)可分為有刷空心杯電機(jī)和無(wú)刷空心杯電機(jī)，有刷電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，無(wú)刷電機(jī)定子無(wú)鐵芯。

圖為鳴志電器產(chǎn)品，左為有刷空心杯電機(jī)，右為無(wú)刷空心杯電機(jī)

有刷空心杯電機(jī)適用于對(duì)產(chǎn)品靈敏性和可靠性要求較高的行業(yè)。

無(wú)刷空心杯電機(jī)適用于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行和具有較高控制要求或可靠性要求的應(yīng)用場(chǎng)景，從發(fā)展趨勢(shì)上看，未來(lái)會(huì)偏向使用無(wú)刷空心杯電機(jī)。

目前高端空心杯電機(jī)市場(chǎng)仍由歐洲企業(yè)主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)正努力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)替代，其中鳴志電器即為代表。

通過(guò)收購(gòu)美國(guó)、瑞士的公司，鳴志電器于 2015 年開(kāi)啟空心杯電機(jī)的研發(fā)。

空心杯電機(jī)領(lǐng)域目前存在兩大核心技術(shù)壁壘，分別是繞組設(shè)計(jì)及工藝和繞線設(shè)備問(wèn)題。

繞組設(shè)計(jì)是決定電機(jī)能否小型化的同時(shí)保證效率和輸出的關(guān)鍵，主流方式有直繞形、馬鞍形和斜繞形，直繞形工藝比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外廠商多采取后兩種。

行業(yè)內(nèi)龍頭的企業(yè)像瑞士 Maxon 采用馬鞍形、德國(guó) Faulhaber 采用斜繞形，但工藝細(xì)節(jié)均被嚴(yán)格保密。

鳴志電器選擇最難的直繞式，并研發(fā)新型專利，彌補(bǔ)了該工藝原有不足。其產(chǎn)品性能對(duì)標(biāo)海外競(jìng)品，在滿足人形機(jī)器人要求下，價(jià)格至少低 1000 元。

此外，線圈繞線設(shè)備也決定了其產(chǎn)品的精度和效率。生產(chǎn)技術(shù)主要分為人工繞線、繞卷式和一次成型。目前，國(guó)內(nèi)廠商多采用繞卷式，海外則主要是一次成型。

為達(dá)成產(chǎn)品一致性、長(zhǎng)壽命和批量化生產(chǎn)，必須依賴自動(dòng)化產(chǎn)線和先進(jìn)繞線設(shè)備。

然而 Maxon、Faulhaber 的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備是自研自制的，且不對(duì)外銷售。

鳴志電器選擇「迂回戰(zhàn)術(shù)」，先引進(jìn)日本設(shè)備積累工藝數(shù)據(jù)，再逐步自研，目前其采用半自動(dòng)生產(chǎn)方式，正在追趕國(guó)外萬(wàn)分之五的返工率。

目前鳴志電器的空心杯電機(jī)價(jià)格在 1200-2300 元之間，較瑞士 Maxon 約 4000 元的價(jià)格已呈現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)研，大規(guī)模量產(chǎn)后價(jià)格有望降至千元以內(nèi)。

傳動(dòng)方案：靈巧手的韌帶和骨骼

傳動(dòng)系統(tǒng)在靈巧手中承擔(dān)著動(dòng)力傳遞與結(jié)構(gòu)支撐的雙重功能，就像人體的韌帶連接骨骼并傳遞肌肉力量。

隨著靈巧手向高承載、高精度方向發(fā)展，傳動(dòng)技術(shù)正經(jīng)歷從單一模式向復(fù)合系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)移。

當(dāng)前有四種主流傳動(dòng)方案，分別是剛性連桿傳動(dòng)、電機(jī)直驅(qū)傳動(dòng)、人工肌肉傳動(dòng)以及腱繩傳動(dòng)。

四種方案最核心的區(qū)別就在于如何平衡且最大化實(shí)現(xiàn)靈巧手「成本-系統(tǒng)參數(shù)-穩(wěn)定性」的不可能三角，當(dāng)下最主流的方式是腱繩傳動(dòng)方案以及「腱繩+」的復(fù)合傳動(dòng)方案。

事實(shí)上，早期的多指靈巧手大多采用連桿傳動(dòng)方案，為了能更好地平衡「不可能三角」，讓傳動(dòng)方案做到更靈活、更省空間，腱繩傳動(dòng)方案應(yīng)運(yùn)而生。

其驅(qū)動(dòng)裝置多會(huì)置于小臂或者胸腔等部分，主要通過(guò)腱繩和滑輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，在一定程度上是對(duì)人手肌腱結(jié)構(gòu)的模擬。

由于像電機(jī)、減速器等驅(qū)動(dòng)裝置不再置于掌內(nèi)，腱繩傳動(dòng)方案在結(jié)構(gòu)上解決了「不可能三角」，而且在理論上腱繩傳動(dòng)的負(fù)載和自由度的上限也都更高。

像英國(guó)的 Shadow Robot 公司推出的 Shadow 靈巧手，采用的就是腱繩傳動(dòng)方案，這是目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的成熟靈巧手產(chǎn)品之一，也是世界上最先進(jìn)的五指機(jī)械手之一。

其靈巧手擁有 24 個(gè)關(guān)節(jié)和 20 個(gè)可單獨(dú)控制的自由度，基于人手的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可以做出與人手類似的動(dòng)作，在力的輸出和靈敏度上，都跟人手很類同。

為了彌補(bǔ)腱繩傳動(dòng)方案在剛性與負(fù)載能力、精度上的不足，「腱繩+」的復(fù)合傳動(dòng)方案也逐漸被各大廠商應(yīng)用起來(lái)。

例如特斯拉 Optimus 的第三代靈巧手用的就是「腱繩+直接傳動(dòng)」的方案，國(guó)內(nèi)像靈心巧手采用的是「腱繩+連桿傳動(dòng)」的方案。

Optimus 的第三代靈巧手采用「行星齒輪箱+行星滾柱絲杠+腱繩」三級(jí)傳動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)高精度與柔性力控的兼容。其 22 個(gè)自由度的密度接近人手，讓 Optimus 在原有屈曲、伸展動(dòng)作基礎(chǔ)上，還能做出外展、內(nèi)收等精細(xì)動(dòng)作。

這種剛性與柔性傳動(dòng)結(jié)合的混合方案，優(yōu)化了負(fù)載與靈活性的平衡，提升了 Optimus 在抓取不規(guī)則物體、執(zhí)行復(fù)雜裝配任務(wù)時(shí)的作業(yè)效率，使其實(shí)現(xiàn)接網(wǎng)球等動(dòng)態(tài)抓取和疊襯衫等復(fù)雜操作。

靈心巧手是國(guó)內(nèi)唯一一家有能力同時(shí)商業(yè)化量產(chǎn)連桿結(jié)構(gòu)和腱繩結(jié)構(gòu)靈巧手的公司，其科研版 Linker Hand 采用的就是「腱繩+連桿」方案，自由度達(dá) 42 個(gè)。

連桿結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)基礎(chǔ)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，確保穩(wěn)定性和負(fù)載能力，而腱繩結(jié)構(gòu)用于指尖和指間關(guān)節(jié)，提升靈活性和擬人性。

其每根手指都能獨(dú)立實(shí)現(xiàn) 9 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制，并配備 360 度自由旋轉(zhuǎn)的全驅(qū)設(shè)計(jì)。不僅能完成轉(zhuǎn)筆、盤核桃等高難度動(dòng)作，還有超越人類手指極限的 5kg 負(fù)載能力。

值得一提的是，電機(jī)直驅(qū)和連桿傳動(dòng)依托成熟的供應(yīng)鏈以及工業(yè)領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)依然擁有高性能和可靠性，選擇哪種傳動(dòng)方案取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景。

驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方案為靈巧手搭建了內(nèi)在架構(gòu)，而要實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的精細(xì)感知與操作，則離不開(kāi)傳感器，如同人類皮膚與神經(jīng)系統(tǒng)的協(xié)同作用。

傳感器：靈巧手的皮膚和神經(jīng)系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)是靈巧手實(shí)現(xiàn)智能操作的基礎(chǔ)，如同人體的皮膚感知觸覺(jué)、溫度、壓力，神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信號(hào)并作出反應(yīng)。

靈巧手的傳感器主要包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩類。

內(nèi)部傳感器主要反饋靈巧手的姿態(tài)信息，包括運(yùn)動(dòng)傳感器和力傳感器，可提供靈巧手的關(guān)節(jié)角度信息、位置信息和動(dòng)態(tài)信息，決定靈巧手穩(wěn)定能力。

外部傳感器包括接近傳感器和觸覺(jué)傳感器，主要感知目標(biāo)物體的位置、受力等信息。

力傳感器用于精準(zhǔn)捕捉旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上的扭轉(zhuǎn)力矩，并將這些物理量轉(zhuǎn)化為可被系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)，為機(jī)器人力覺(jué)反饋提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

在機(jī)器人關(guān)節(jié)部位，力傳感器承擔(dān)著力覺(jué)感知與量化的核心任務(wù)，其中六維力傳感器憑借其最高維度的力覺(jué)解析能力，成為技術(shù)制高點(diǎn)與價(jià)值標(biāo)桿。

工信部在 2024 年的《關(guān)于推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)的實(shí)施意見(jiàn)》中，將六維力傳感器列為未來(lái)制造和智能傳感的關(guān)鍵技術(shù)。

從技術(shù)維度來(lái)看，不同力傳感器具有差異化應(yīng)用場(chǎng)景，六維力傳感器突破了一維和三維傳感器的局限性，可同步解析三維空間內(nèi)任意方向、任意作用點(diǎn)的力/力矩復(fù)合信息，這種全維度感知能力使其成為復(fù)雜交互場(chǎng)景的首選方案。

國(guó)內(nèi)六維力傳感器的代表廠商坤維科技，其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于小尺寸大量程、抗過(guò)載能力強(qiáng)、扭矩量程大以及可定制更高精度。

該傳感器已應(yīng)用于特斯拉 Optimus 的手腕處，使其能精確感知和調(diào)整交互力，完成搬運(yùn)、裝配等復(fù)雜任務(wù)，顯著提升了任務(wù)質(zhì)量和效率。

目前，國(guó)產(chǎn)六維力傳感器已從「實(shí)驗(yàn)室追趕」進(jìn)入「產(chǎn)業(yè)化替代」階段，但高端市場(chǎng)突破仍需材料、算法與生態(tài)協(xié)同創(chuàng)新。

而讓機(jī)器人能夠更加精細(xì)和準(zhǔn)確地感知和交互其周圍的環(huán)境，觸覺(jué)傳感器是關(guān)鍵。

其工作原理遵循「物理信號(hào)-電信號(hào)-數(shù)字信號(hào)」的轉(zhuǎn)化鏈路：通過(guò)柔性敏感材料捕捉接觸力、溫度等物理量，將其轉(zhuǎn)換為電流、電壓波形，經(jīng)數(shù)字電路處理，最終解碼為可識(shí)別的觸覺(jué)數(shù)據(jù)。

觸覺(jué)傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，一開(kāi)始是只集中于測(cè)量指尖的力，后面演變成多陣列觸覺(jué)，再到現(xiàn)在的多模態(tài)、多區(qū)域感知觸覺(jué)。

觸覺(jué)傳感器包含柔性和剛性兩類，剛性傳感器側(cè)重局部高精度力反饋，而柔性傳感器可覆蓋全身，感知壓力、溫度等多維信息，目前的主流是柔性觸覺(jué)傳感器。

根據(jù)原理不同，柔性傳感器又分為電容式、電感式、壓阻式等 6 種，目前壓阻式相對(duì)主流。

當(dāng)下靈巧手玩家里，傳感器技術(shù)具有獨(dú)特領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的是帕西尼感知和戴盟機(jī)器人。

帕西尼專注于 6D 霍爾陣列式多維觸覺(jué)感知與具身智能核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主可控高精度多維觸覺(jué)傳感器及規(guī)模量產(chǎn)。

其多維陣列式觸覺(jué)傳感器是目前唯一具備高一致性物理交互數(shù)據(jù)獲取能力的柔性力學(xué)傳感器。

戴盟機(jī)器人的研發(fā)核心是視觸覺(jué)傳感器，今年 4 月，其發(fā)布了全球首款多維高分辨率高頻率視觸覺(jué)傳感器 DM-Tac W，它將攝像頭集成至傳感器內(nèi)，通過(guò)超高密度感知陣列，捕捉物體接觸時(shí)的形貌、紋理、軟硬、滑移、按壓力、切向力等多種模態(tài)信息。

此外，常被討論的「電子皮膚」也屬于柔性觸覺(jué)傳感器范疇，國(guó)內(nèi)頭部玩家包括漢威科技、福萊新材、弘信電子等。

百家爭(zhēng)鳴，方興未艾。

技術(shù)路線的分化與融合，廠商的角逐與創(chuàng)新，都在預(yù)示著這個(gè)承載著具身智能「指尖夢(mèng)想」的關(guān)鍵部件，正駛向快車道。

誰(shuí)能在這場(chǎng)技術(shù)盛宴中最終勝出，將決定未來(lái)機(jī)器人「手」握世界的深度與廣度。

       原文標(biāo)題 : 靈巧手“技術(shù)爭(zhēng)鋒”正當(dāng)時(shí)