人形机器人关键零部件--“灵巧手”

一、早期探索阶段（20世纪60年代-70年代）

1962年，Tomovic和Boni为南斯拉夫的一位伤寒病患者设计研制了Belgrade手，被认为是世界上最早的灵巧手，Belgrade手是一种仿人假肢手，具有多指结构，能够模拟人手的基本功能。其驱动方式相对简单，主要采用电机驱动。这种设计在当时的技术条件下已经较为先进，能够实现基本的抓取和操作功能。Belgrade手主要用于假肢应用，帮助残障人士恢复部分手部功能。它能够完成一些简单的日常操作任务，如抓取物体等。Belgrade手为后续灵巧手的研究奠定了基础。

1974年，日本电工实验室成功研制了Okada灵巧手，这是早期灵巧手的典型代表。Okada手有3根手指和1个手掌，拇指有3个自由度，另外两根手指各有4个自由度，手指的每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，能够完成螺栓拧进螺母等操作。它的出现标志着灵巧手技术从简单的夹持器向多自由度的复杂结构迈进。Okada手的质量约为240克，能够抓取约500克的物体。虽然其抓取力和操作力相对有限，但在当时的灵巧手领域已经属于较为先进的水平。Okada手的成功为灵巧手在工业自动化、假肢等领域应用提供了可能性，推动了灵巧手技术的多样化发展。

二、技术发展阶段（20世纪80年代-90年代）

20世纪80年代至90年代是灵巧手技术的发展阶段，这一时期的技术特点主要体现在多自由度设计、驱动方式的多样化以及感知能力的初步集成。

20世纪80年代初，美国斯坦福大学成功研制了Stanford/JPL灵巧手。其设计目标是为现有的机械臂提供一种高灵活性的末端执行器。该灵巧手由J. Kenneth Salisbury博士设计，有3个手指，每指有3个自由度，手指的关节1垂直于关节2和3，这种设计使得手指能够模拟人手的多种抓取模式。三个手指被配置为两个手指和一个相对的拇指，类似于人手的结构。该手采用腱绳驱动，整手使用12个直流伺服电机作为关节驱动器。每个手指的腱绳入口处都安装了张力传感器，用于测量拉线的张力，从而实现力的精确控制。这种张力控制闭环能够有效补偿系统中的摩擦力。与Okada手相比，Stanford/JPL手的灵活性有较大的改善，其控制系统也更为复杂。1982年，美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了Utah/MIT灵巧手。该手具有4个手指，每个手指有4个自由度，采用2n腱（n个手指）传动设计，整手共32个驱动器。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指，都连接手掌且相对于手掌进行运动。20世纪90年代，德国宇航中心研制成功了DLR-Ⅰ灵巧手，在此基础上后续又与哈尔滨工业大学联合研制出DLR-Ⅱ灵巧手。DLR手共集成了25个传感器，使得该灵巧手产品大大提升了灵活性和感知度。

三、快速发展阶段（20世纪末-21世纪初）

1999年，美国国家航空宇航局研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonaut hand，由1个手腕和5个手指组成，共14个自由度，并引入腱绳张力传感器使控制更加准确。2004年，英国Shadow机器人公司研发的Shadow手是产品化的典型代表，具有高系统集成度和丰富的感知能力。Shadow Hand是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一，广泛应用于科研教育和航空航天等领域。

四、现代发展阶段（21世纪以来）

21世纪以来，灵巧手技术在集成化、智能化、高自由度、柔性感知、模块化和新材料等方面取得了显著进展。这些技术不仅提升了灵巧手的性能，还推动了其在多个领域的广泛应用，为未来人形机器人和智能自动化的发展奠定了坚实基础。例如，DLR-II手实现了电气系统的完全集成化和数字化，与主处理器之间的连线数量从DLR-I手的400多条减少到8条；特斯拉Optimus Gen-3灵巧手拥有22个自由度，能够完成多种灵巧操作；Shadow灵巧手通过集成多种传感器，实现了高精度的力和位置反馈等等。

五、 商业化与应用拓展

近年来，伴随着人形机器人的发展，灵巧手的商业化进程进一步加速，国内众多企业和科研机构也纷纷投入研发和生产。例如，中国的因时机器人是国内最早实现灵巧手商业化量产的企业，其产品在人形机器人本体、假肢厂、终端工厂及高校和科研机构等领域得到广泛应用。灵巧智能推出了DexHand021，这款灵巧手具有19个自由度和23个传感器，能够实现人手33项功能动作中的32项，是国产灵巧手的“佼佼者”。 傲意科技ROHand灵巧手具有11个运动关节，能够轻松完成抓握、侧捏等复杂动作。 帕西尼感知科技研制的DexH13 GEN2灵巧手融合了多维触觉与AI视觉双模态能力，能够完美模拟人手的复杂动作。同时，灵巧手的商业化加速也促进了上游零部件技术的发展，例如空心杯电机、传感器、减速器、控制器、丝杠等。

六、灵巧手的未来

未来，灵巧手技术将向“更智能、更灵活”的方向发展：

1.  驱动系统：未来，驱动系统将朝着更高精度、更小体积的方向发展。比如，无刷空心杯电机将成为主流，它不仅能提供更大的动力，还能实现更精准的控制。

2.  传动系统：腱绳传动将继续占据主导地位，但其材料和结构将不断优化，以提高灵活性和可靠性。

3.  感知系统：未来的灵巧手将配备更灵敏的传感器，不仅能感知物体的形状和硬度，还能识别物体的材质和温度。

4.  智能化：随着人工智能和机器学习技术的发展，灵巧手将变得更加“聪明”。它不仅能通过编程完成任务，还能自主学习和适应不同的场景。比如，通过观察人类的动作，然后模仿完成相同的任务。

七、市场可期

根据市场研究机构的测算，2024年全球灵巧手市场规模为76万只，随着人形机器人产业化的加速，灵巧手的市场需求将持续增长。预计未来五年内将以年均20%以上的速度增长，到2030年将突破141万只。

工业自动化和人形机器人是灵巧手的主要应用领域，此外医疗、特殊环境应用及家庭服务领域也在快速崛起。灵巧手正以其强大的功能和广泛的应用，开启智能交互的新时代。它不仅是机器人的一只“手”，更是人类智慧的结晶。随着技术的不断进步，灵巧手的性能将不断提升，成本也将逐渐降低，这将进一步推动它的普及应用。