EEPW论坛

运动执行部件

不同关节位置，如何选择旋转or线性驱动器？

人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素。

①旋转驱动器：通常应用于高扭矩关节处，例如腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，对关节方 案提出了较高的扭矩要求，多使用旋转驱动器。

②直线驱动器：通常应用于旋转角度不大、高负载的位置，例如人形机器人双腿&双臂位置，采用直线 驱动器可以起到较好的支撑和承重效果。 

直线驱动器： 人形机器人要求直线驱动器 具备良好的刚性表现和较高 负载能力、精密的线性运动 控制、柔顺连续的直线运动 性能。 人形机器人双足、双臂采用 连杆结构，连杆末端采用 “电机+丝杠”结构，无需搭 配减速器。 综合来看，滚柱丝杠&滚珠丝 杠是直线驱动器中丝杠的较 好选择，滚珠丝杠性价比较 高，未来有望在人形机器人 小负载位置。

旋转驱动器： 选用“电机+减速器”方案，电机 主要用于提供动力，减速器主要用 于放大扭矩。 基于不同选型思路，旋转驱动器主 要分为刚性、弹性和准直三种驱动 器方案：①刚性驱动器方案优势是 关节体积小、输出扭矩密度高，劣 势是透明度低，需搭载力/力矩传感 器；②弹性驱动器方案能提升关节 的柔顺性，但控制复杂、精度较低； ③准直驱驱动器方案优势是透明度 高，可采用电流环控制，柔顺性表 现好，劣势是扭矩密度低。

直线驱动器用于对运动旋转角度不大、高负载的场景，多用于四肢。直线驱动器多采取“电机+ 丝杠”，将旋转运动变为关节末端的直线运动，能够起到较好的支撑和承重效果，能够较好适配应 用场景的负载需求。  在双腿&双臂位置，直线驱动器通过电机与关节分离的方式，将双腿质心向上移动、双臂质心向 内移动，一方面提升提高整机质心，另一方面减轻四肢的运动惯量，从而提升整机的稳定性、提升 整机的运控表现。

旋转驱动器的选型原理与各方案比较？

旋转驱动器有望以“电机+减速器”方案为主。人形机器人实际工作场景中对输出扭矩密度要求较高， 只靠电机难以满足，减速器成为必选项；从驱动器分类来看，关节方案主要分为刚性、弹性和准直驱方 案。

①谐波减速器需求量最大，带动力传感器需求：谐波减速器减速密度高，Optimus中14个自由度均搭载 谐波减速器，国内人形机器人也广泛使用谐波减速器；在谐波方案中，由于力矩透明度较低，需搭载力 /力矩传感器共同使用；

②行星&类RV减速器或迎发展机会：出于经济性考虑，国内部分主机厂（优必选、傅利叶、智元等）在 大负载关节使用行星减速器；出于性能考虑，类RV减速器或将应用至高性能人形机器人（Optimus等） 的大负载关节。

人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素，通常混合使用旋转 执行器和线性执行器，以Optimus为例：

①旋转执行器，包括腕部、肩部、腰部、髋部4个位置，共 计有14个旋转自由度；

②线性执行器，包括腕部、肘部、踝部、髋部、膝部5个位置，共计有14个线 性自由度。 

旋转驱动器主要应用于高扭矩关节处。腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，并对关节方 案提出了较高的扭矩要求，旋转执行器通过“电机+减速器”方案能够同时满足转动幅度、扭矩两方 面的需求，同时结合力矩传感器实现对末端的运动控制。

旋转驱动器总成选型思路 

问题①：旋转驱动器为什么不选取单电机方案？ （分布式电机合理性理由）

人形机器人旋转驱动器在实际应用中的扭矩要求较高，单电机方案无法满足需求。通过搭配减速 器的方式可以放大力臂，从而大幅提升输出扭矩，满足实际场景需求。 

问题②：不同类别减速器的选型理由是什么？ （差速控制精准性原因）

电机扭矩密度难以显著提升，所以电机输出扭矩越大，体积越大。在大扭矩电机情况下，可以搭 载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速 器（谐波等），此方案具备小体积优势。 

问题③：旋转驱动器是否必须搭配力矩传感器？ （反馈控制闭环的必要性）

力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键。高减速比减速器的力矩透明度低，需要加装力矩 传感器进行测量；低减速比减速器力矩透明度较高，可以使用电流环控制，加装力矩传感器不是 必选项。 

问题④：不同旋转驱动器方案的优劣势对比？

基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性、弹性和准直三种驱动器方案。 刚性驱动器方案优 势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器；弹性驱动器方案 能提升关节的柔顺性，但控制复杂、精度较低；准直驱驱动器方案优势是透明度高，可采用电流 环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。

减速器能够显著提升关节输出扭矩

人形机器人旋转驱动器在实际应用中需要解决大扭矩问题，搭载减速器是必选项。在齿轮传动中， 啮合处的齿面作用力大小相等、方向相反，通过改变齿轮的半径可以改变输出扭矩。人形机器人要 求关节体积小，且在实际应用中面临大扭矩场景，单纯依靠电机难以实现。通常来看，减速器能够 显著提升扭矩输出值，适配相应高扭矩密度的应用场景。  目前提升扭矩密度主要通过两种方式：①提升电机输出扭矩密度，②提高减速器减速比。

电机提升扭矩密度的难度较高

从电机角度来看，提升扭矩密度主要可以通过三种方式：①采用外转子结构；②扩大电机半径； ③通过绕线结构提升电机功率密度。 增大半径能显著提升扭矩，但此方案对人形机器人关节而言不现实。提升电机半径可以直接提高 电机的输出扭矩数值，但是人形机器人对关节体积有要求（不能过大），所以难以通过大幅提升电 机半径来提高扭矩。

电机绕线方式能够在一定程度上影响电机扭矩密度。增加线圈匝数能提升功率密度，从而间接提 升电机扭矩密度。但是目前由于技术原因，在人形关节紧凑的空间中，电机绕线瓶颈难以突破。 

 相同体积下，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转 子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、 转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。无框力矩电机的扭矩密度较高，是人形机 器人关节电机的较优选择。

力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键 

大力矩输出密度和动态物理交互能力是足式机器人关节驱动器设计的关键因素，目前驱动器方案 主要分为刚性驱动器方案、弹性驱动器方案和准直驱驱动器方案。不同方案由于存在力矩透明度差 异，所以存在是否采用力/力矩传感器的区别。 

谐波减速器减速比高，存在非线性摩擦力矩，力矩透明度低。仅依靠电流环进行关节末端的力反 馈难以进行建模，需要额外添加力矩传感器。 

行星减速器减速比低，刚性强，非线性摩擦力可忽略不计，关节输出扭矩和电流之间呈较好的线 性关系，易于建模，可用电流环控制。

驱动器方案包括刚性、弹性和准直方案

【刚性驱动器方案】搭载大减速比减速器（例如谐波、RV减速器），优势是关节体积小、输出扭 矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器。 

【弹性驱动器方案】通过串联或并联弹性体提升关节的柔顺性；弹性驱动方案控制复杂、精度较 低，在人形机器人中的应用具备较大潜力。 

【准直驱驱动器方案】搭载小减速比减速器（例如行星、针摆减速器），优势是透明度高，可采 用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。

刚性驱动器方案的技术发展最为成熟，在双足机器人领域中已经得到了成熟验证。 刚性驱动器优势：高减速比减速器克服了电机的扭矩输出限制，实现关节末端的高密度扭矩输出。 常规电机和谐波减速器的体积较小，有助于实现人形机器人关节的小体积化；在加装力传感器后， 能够实现高精度力控场景。 

刚性驱动器劣势：①谐波/RV减速器相较于传统减速器，产品价格较高；②需额外加装力/力矩传 感器，对应单关节成本增加500-1000元。

准直驱方案更具经济性 

准直驱方案能够满足高频动态响应和降低成本的需求，在MIT的四足机器人已有应用。 准直驱方案优势：采用刚性低减速比减速器，力矩透明度高，采用电流环实现力的闭环反馈控制。 不需要添加力传感器，整体成本更低，可实现高动态物理响应。  准直驱方案劣势：输出扭矩提升依靠电机扭矩密度提升。结构上采用大输出力矩、低转速的扁平 无框力矩电机，关节轴向长度小、径向长度大，并需要添加液冷装置进行散热。人形机器人关节对 体积和重量的要求限制电机的输出扭矩和行星减速器减速比，从而限制关节末端输出的扭矩密度。

特斯拉Optimus采取技术较为成熟度刚性驱动器方案，使用以谐波减速器（三花&绿的）为代表的 高减速比减速器，有助于保障Optimus关节更拟人化，同时相较于高动态响应，工业场景对于末端负 载的要求更高，现已成熟的刚性方案更有助于人形机器人在工业场景的落地。特斯拉Optimus关节处逐步添加离合器等弹性元件，有助于提升整体关节的安全性，使人形机器 人的动作更加柔顺。

RV减速器耐重载、抗冲击性更强，适用于较大载荷的作业场景。相较于谐波减速器，RV减速器 一方面具备更高的减速比，另一方面由于内部为刚性结构，所以呈现出抗冲击、大体积、大重量的 特点。一般来看，RV减速器在大负载工业机器人中的应用较多。  人形机器人部分关节载荷较大，有望应用类似RV减速器的产品。通常来看，人形机器人腰部、髋 部等位置受力较大，在搬运等负载场景中，谐波减速器不能匹配应用需求，未来有望使用类RV减速 器匹配相应场景。

国内主机厂采用谐波+行星减速器方案 

和特斯拉不同，国内主机厂大多采用准直驱驱动方案。相比刚性驱动方案，准直驱关节采用电流 环控制，关节末端不使用力矩传感器，成本更低，动态响应能力更强。当下人形机器人即将迎来量产，关节驱动的技术路线尚未固化。硬件降本成为人形机器人产业化 的关键因素，准直驱方案具有成本优势。而针对工业场景应用，出于负载和关节体积之间的权衡， 准直驱方案的应用范围有望进一步扩大。因此我们认为，未来国内主机厂在驱动方案上更可能根据 关节特性不同而同时选择谐波和行星减速器方案。

直线驱动器总成选型思路 

问题①：直线驱动器方案为什么选择“电机+丝杠”？ 人形机器人直线驱动器的要求：良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连 续的直线运动性能。 人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，能够满足刚性、载荷、 运动精度和连续性要求，且伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。 

问题②：滚柱or滚珠丝杠的选型理由及优劣势比较？ 滚珠丝杠在部分关节处替代滚柱丝杠的可行性高，且能大幅降低成本。 可行性：滚珠丝杠产品成熟度较高、精度高、传动效率高，能够满足人形机器人需求，且在小臂、 小腿等负载较小的位置，滚珠丝杠负载能力能够满足相应负载要求。 必要性：人形机器人逐渐步入量产阶段的背景下，产品降本成为大势所趋；使用滚珠丝杠替代滚 柱丝杠能够降低约91%的产品成本，降本效果显著。 

问题③：直线驱动器对自锁性能的要求？ 由于直线驱动器需要配合实际场景频繁执行前进、后退运动，所以相较于自锁性能，直线驱动器 更需要丝杠具备运动可逆的性能。综合来看，滚柱&滚珠丝杠可以满足人形机器人的自锁需求。 在少数场景下，直线驱动器需要自锁功能，其实现方式主要包括：①使用本身具备自锁功能的T 型丝杠，但是T型丝杠存在精度差、传动效率低等劣势，其应用弊端显著；②使用滚柱&滚珠丝 杠，加装具备自锁功能的电机或设备，此方案在保留滚柱&滚珠丝杠优势的同时实现自锁功能。

“电机+丝杠”能良好适配直线驱动器需求 

人形机器人直线驱动器对刚性、载荷、运动精度、运动连续性有较高要求。人形机器人双腿、双 臂采用连杆结构，并通过结构改型，有效减轻运动惯量，提升主机的运动稳定性。从实际场景出发， 连杆末端需要具备较高刚性、输出较大载荷，并需要具备运动的高精度和连续性， “电机+丝杠” 方案是最佳选择。此外，由于伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。 

人形机器人可选丝杠包括滚柱丝杠、滚珠丝杠和T型丝杠，综合来看滚柱丝杠具备高负载、高精 度的特点，综合性能表现最优；滚珠丝杠负载能力稍弱，但是精度较高，产品性价比较高；T型丝杠 虽具备较强经济性，但其运动精度较差。

线性传动方案采用丝杠实现精密控制 

滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，在人形机器人直线驱动器中的应用优势显著。

①运动精度高，能实现连续、柔顺的直线运动：滚柱丝杠通过螺母、滚柱和丝杆之间的螺纹咬合， 能够实现高速旋转运动与低速直线运动之间的转换，以GSA的外径20mm滚柱丝杠为例，丝杠螺 距约为2.5mm，搭配目前主流伺服电机能够实现较精密的直线运动。

②负载能力强，能够适配实际应用场景：特斯拉Optimus提供了500N、3900N、8000N三款滚柱丝杠，具备较强的负载能力，能够适配人形机器人绝大多数的实际应用场景。

通用型人形机器人主要面向泛工业、泛生活场景，大重量搬运涉及关节自锁等场景占比不高，对 直线驱动器自锁性能的要求较低。直线驱动器主要可以通过丝杠自锁和电机自锁两种方式实现自锁功能。

①滚珠&滚柱丝杠：高精度、低摩擦，具备良好的刚度和稳定性，能实现灵活可逆的运动，能够 通过电机自锁的方式适配自锁场景，是直线驱动器丝杠的主要产品；

②T型丝杠：传动效率和导程精度低，具备良好的自锁性能，但难以满足直线驱动器的精度、寿 命、传动效率要求。

特斯拉Optimus下肢采用行星滚柱丝杠方案 

Optimus下肢关节混合采用旋转和直线执行器，通过并联提升电机高度，将膝关节和踝关节的电 机分别上移至大腿和小腿上侧，减轻腿部惯量。Optimus首先面向工厂应用场景，运动稳定性与高负 载是首要的考虑因素，目前主要采用滚柱丝杠方案。 

滚柱丝杠&滚珠丝杠均具备高精度、高传动效率的优势，能够通过加装制动装置实现自锁，均能 较好适配人形机器人下游需求。未来在人形机器人逐步量产的背景下，滚珠丝杠有望替代部分滚柱 丝杠，应用于小负载位置，降低整机成本。

空心杯/灵巧手关节

机器人中操作和动作决策的执行输出工具在机器人学领域被称之为末端执行器 (End-Effector)。末端执行器是机器人执行部件的统称，一般安装于机器人腕部 的末端，是直接执行任务的装置。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后 环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的 优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。

末端执行器按其功能可以分为两大类，即:工具类和抓手类。工具类末端执行器 是根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口的机器人专用工具，可以直接实 现具体的加工工种、生产工艺或日常动作;抓手类机器人末端执行器恰如人的双 手，担负着执行各种动作、抓持和操作的任务。

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各 种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。

20 世纪 90 年代，随着驱动元件体积减小与电气系统集成度的提高，灵巧手体积 迅速减小，并且在手指数目、自由度数、传感器的丰富程度等方面有所提高。这 一时期的灵巧手开始注重手掌的构型设计，以提高灵巧手的抓取能力，代表作品有 UB-II Hand、DLR-I Hand、DIST Hand 等。由于采用了新型的驱动器，DLR-I Hand 得以将驱动系统、电气系统以及传感器系统都集成在灵巧手内部，被认为 是当时世界上最复杂、集成度最高的灵巧手。

21 世纪以来，多指手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能 化和灵巧操作水平得到了新的提升。由于实现了电气系统的完全集成化和数字 化，DLR-II 手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。

从灵巧手设计层面来看，主要有全驱动和欠驱动两种。DOF 为手指关节的自由 度，DOA 为由驱动器控制的自由度。若 DOA 小于 DOF，则为欠驱动结构;若 DOA 等于 DOF，则为全驱动结构。

全驱动手的代表包括 Robonaut Hand、Shadow Hand、DLR Hand II 等，分别 使用了 14/20/12 个驱动器，通过对每个自由度的独立控制，达到对灵巧手出色 的掌控效果。但考虑到鲁棒性和功能性之间的取舍，欠驱动灵巧手成为更主流的 选择。其优势在于通过合理的结构设计以少于手指关节自由度的驱动器，从而降 低整只手的系统复杂度，同时提高可靠性。

从驱动源来看，目前灵巧手的驱动源包括电机、液压、气压、形状记忆合金等。从传动方式看，灵巧手的传动方式主要包括腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆等。从结构形式来看，主要有外置式、内置式、混合置式。随着电机和控制电路的小 型化发展，除了某些全驱动/腱绳传动的灵巧手外，内置式已成为灵巧手设计的 发展趋势。其优点在于，通过将驱动、传动装置放置于灵巧手内部，可实现灵巧 手的模块化设计，有利于灵巧手与机器人本体的无缝切换。

欠驱动与全驱动:灵活度设计

从自由度与原动机数量上来看，可将其划分为欠驱动灵巧手和全驱动灵巧手。欠驱动灵巧手原动机的数量少于被控制的灵巧手自由度，没有驱动源的关节则是 进行耦合随动。全驱动灵巧手则是原动机数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。

欠驱动灵巧手优点在于易于控制，但拟人性不强，稳定性有所欠缺。由于耦合关 节结构简单，所占空间小并具备可控性，如今大部分灵巧手都是欠驱动灵巧手。 相对于欠驱动灵巧手，全驱动灵巧手的手指更加灵活，省去了无驱动手指关节的 耦合机构，但由于驱动器增多，导致体积变大、安装困难并且灵巧手的控制变得 更加繁琐。

单关节双自由度实现

拇指:对掌运动是拇指的基本运动，通过对掌运动拇指可与其余 4 指接触形成 钳状，它是实现人手功能的基础。这说明，拇指的双自由度处于较为优先的位置。

手指:手指拥有两种运动形式，通过各指节旋转副的屈曲/前伸运动以及通过手 指末端球形副的侧摆运动。

要实现单个关节的双自由度运动，具有代表性的传动形式有三种:

(1)实现外展/内收和翘曲的两个轴正交，但却不是相互交叉的。它们在轴线位 置上有一定的距离，并且分别由单驱动器驱动，如 Salisbury 手。这种结构可 以使手指结构简单化，但降低了手指的灵活性，同时对驱动系统有更高的要求。

2)球/孔结构，如 Omni 手。这种结构可以使手指的运动具有更大灵活性和 适应性，也可以使手指的计算机控制简化。同时，它所具有的机械限位可以避免 手指产生过度的伸展。虽然这种结构有很好的紧凑性和灵活性，但结构复杂，增 加了手指的加工难度和成本。

(3)四个齿轮组成的差动结构。这种基关节的两个自由度通过 4 个相互啮合的 伞齿轮来实现。灵巧手基关节采用锥齿轮差动结构不但能够有效减小灵巧手的外 形尺寸，而且能够有效提高基关节的承载载荷。

通常情况下包含两个主动轮和两个从动轮。当主动轮同向转动时，实现基关节俯 仰方向的运动;当主动轮逆向运动时，实现基关节侧摆方向的运动。

动力源分类

按驱动方式，灵巧手动力源可分为电机驱动、气压驱动(气动)、液压驱动与形 状记忆合金驱动。

电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大，控制精度高、响应 快、模块化设计、易于更换维护等优点。

作为灵巧手典型代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为 驱动源。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板能 与手指机械本体融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

综合比较驱动器类型，电机驱动的综合性能更好，具有标准化、稳定可靠、精度 高、响应快、驱控一体等优势，是目前技术成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手采用。

动力源位置及数量

按结构形式，灵巧手可分为驱动器外置式、驱动器内置式与驱动器混合置式。

早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，主要是受驱动器结构尺寸影响，难以嵌入 手指内。外置式的典型代表 NASA 手和 Shadow 手，其突出的优点是灵巧手 的仿人化程度较高，灵巧手本体内没有需要布置的器件，可以缩减手本体的体积， 做到接近人手的外形，自由度的布置也很灵活。

同时也具有以下缺点:第一，驱动器与手本体之间空间距离较远，必须借助腱实 现两者的连接，不可避免地具有腱传动的相关弊病。第二，可维护性差。当某根 腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。

随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走 向驱动器内置式。内置式的多指灵巧手的出现，除能够有效地克服由于绳索驱动带来的缺点外，还具备下列优势:

1、由于驱动器集成在手指内部，因此集成度较高，简化手指同外部的软硬接口， 便于手指模块化设计;

2、高集成度带来的好处就是手指间互换性增强，便于维护和实际应用;

3、能够作为一个局部自主系统同任何机器人手臂通过标准接口相连。

动力源位置及数量的一般性规律:

1) 对于非电机驱动(如气压、液压)，往往采用驱动器外置;对于电机驱动的 灵巧手，外置+腱绳传动普遍适用于驱动器数量较多的情况(如 10 个以上驱 动器);内置式则适用于 1-15 个电机的各类型灵巧手;

2) 6 电机方案是较为经典的一种配置类型。即拇指 2 个+其他手指各 1 个;

3) 在追求高自由度的情景下，可采用单手指 3 电机方案，在 4 指/5 指灵巧手 中分别使用 12/15 个电机。

电机与减速器选型

在现代灵巧手的发展过程中，电机驱动逐渐成为主流驱动方式。作为灵巧手典型 代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为驱动源。体积小、 输出力大的电机及集成驱动芯片的采用，使电机、驱动电路板能与手指机械本体 融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

从已有案例的电机选型来看，灵巧手用到的电机有直流无刷电机、无框力矩电机、 空心杯有刷电机、空心杯无刷电机。

从电机外形来看，灵巧手存在着两种方案:

1) 扁平电机，即直流无刷电机、无框力矩电机，普遍搭配谐波减速器，两者之 间可以轴心垂直，也可以平行放置，并通过传动带实现耦合;

2) 细长电机，即空心杯有刷电机和空心杯无刷电机，而空心杯有刷电机的电刷 又分为稀有金属电刷和石墨电刷。空心杯电机普遍搭配行星齿轮减速器。

模块化手指基关节的驱动器和传动系统中，两个内置位置传感器的盘式电机(型 号:EC-20flat)和谐波减速器并排横卧于手指后侧。手指单元的驱动器同样是 盘式电机，该电机横卧于第一关节内部、谐波减速器横卧于手指第三关节处，二 者之间通过同步带结构连接。

无框力矩电机

已有的灵巧手案例中，Dexhand、Spacehand 使用了同一款无框力矩电机 ——Robodrive ILM 25。在上述两款灵巧手中，无框力矩电机与传动比 100:1 的 谐波减速器 HFUC 8 结合，组成圆柱体驱动单元，提供 2.4Nm 的连续扭矩，峰 值高达 9Nm。

Dexhand 中，该驱动单元直径为 27 毫米、长度为 17.5 毫米、重 46 克;后续的 Spacehand 中，该驱动单元直径 27 毫米、长度 20 毫米、重量 50 克。

空心杯电机(有刷/无刷)

空心杯电机在灵巧手中得到广泛应用，已有的灵巧手案例中，Pisa//IIT SoftHand、Vincent Hand、Ilimb Ultra、IDLA hand 均使用了空心杯有刷电机， 而 RIC Arm 则使用了空心杯无刷电机。

空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机(又称无刷无 齿槽电机)定子无铁芯。有刷空心杯电机利用碳刷(或者金属电刷)和换向器的 配合来完成换向，无刷空心杯电机没有这种物理结构，线圈导线直接连接到控制 器，通过处理连接板上的霍尔反馈的位置信号完成换向。

空心杯电机的优点包括:无齿槽效应(低速运行平稳、低振动、低噪音、转子可 控制在任意位置)，结构紧凑(磁路设计更优、功率密度更高、温升低、效率高)， 低电感(高动态响应、高加速度)。

传动

按灵巧手手指的传动方式可分为腱绳传动、连杆传动与齿轮传动。传动系统负责 把驱动器产生的动力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动。 因此，传动系统的设计不仅决定了灵巧手的机械结构，而且直接影响到灵巧手的 抓取稳定性和灵活性。

腱传动

腱绳传动是指通过腱绳和缠绕腱绳的辅助装置把驱动源的力矩传送到手指各个 关节上的传动方式，由于传动腱绳具有较高的柔性以及较小的尺寸，使得腱绳传 动对驱动器和减速机构的结构尺寸要求较低，并且传动路线灵活多样，但也具有 以下缺点:难以对绳索结构进行预紧，并且所有的绳索都具备弹性，致使传感器 无法准确反应手指关节位置的信息，使精确控制难于实施。

腱驱动控制系统采用由微型伺服力矩电机、微型滚珠丝杠减速器和高强度碳氟纤 维腱组成的解决方案。

连杆传动

连杆传动是指灵巧手采用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩，传递的刚 性比较强，手指具备较大的抓取力，并且结构比较紧凑，但连杆手指受连杆尺寸 以及传动误差的影响，不易实现远距离操作，抓取稳定范围较小。

连杆传动中的指尖、二指节、三指节均为不同形状的三角形连杆，驱动连杆以及 耦合连杆为直线形式，K1 以及 K2 为复位弹簧，当 K1 处的驱动连杆顺/逆时针 转动时，手指做屈曲/前伸运动。

齿轮传动

齿轮传动的优点是能进行精确传动，传递效率高、稳定性好。但也存在结构相对 复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。且当灵巧手需要的手指较长时， 传递所需的相应齿轮数目也会增多，这极大限制了齿轮链传动结构的应用。

通过对以上几种主流灵巧手的驱动及传动方式的介绍可知，这些方法都已有较多 使用案例，其展现出的特性也各有不同，而且不同的驱动及传动方式，对灵巧手 的性能也有所制约和影响。

特斯拉灵巧手

特斯拉 Optimus 产品的灵巧手具有 6 个执行器，操作 5 根手指，其中拇指分配 2 个执行器，其他手指各分配 1 个执行器。手指执行器采用空心杯电机+蜗轮蜗 杆传动+腱传动。一方面，特斯拉 Optimus 采用了经典的六电机方案，在电机数 量有限的情况下最大程度上实现手指自由度;另一方面，蜗轮蜗杆的不可反驱动 特性使得灵巧手可以在抓握完成后实现无功耗保持。

Optimus 灵巧手属于欠驱动、电机驱动、线绳驱动的类型。单只灵巧手主要由 6 个空心杯关节（空心杯驱动器/执行器）驱动，大拇指三个自由度，相比其余手指多了一个内收外展的自由度，由两个执行器驱动，其余手指均为两个自由度，分别由一个执行器驱动。空心杯关节由空心杯电机+多级行星减速器+蜗轮蜗杆+位置传感器（双编）+驱动器+金属腱绳构成。Optimus 手指具有防反驱特性，可以避免电机在抓握物体时长时间堵转发热。

空心杯电机：一般采用无刷空心杯电机，电机定子线圈无铁芯，解决了传统铁芯电机因铁芯形成涡流而造成的电能损耗，线圈作为转子，转动惯量小、好控制、效率高、转速快。 

多级行星减速器：一般空心杯电机均需搭配行星减速器使用，由于空心杯电机多呈现高速、低扭矩的特性，故为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，一般都会集成2-3级的行星减速器。  蜗轮蜗杆：一级蜗轮蜗杆传动机构，手指电机输出端为蜗杆，带动蜗轮旋转。另一方面利用蜗轮蜗杆的自锁特性去提升灵巧手的负载（自锁）能力。 金属腱绳：金属腱绳（线）带动远端手指运动，蜗轮上有绕线轴，当电机转动时，绕线轴会转动通过卷线来实现手指运动。Optimus 之所以选择绳驱，原因在于一是考虑量产难易程度；二是相比连杆，绳驱可以消隙，手指的运动不会滞后。 传感器：输入端和输出端均配置位置传感器，采用双编方案，高速端做电机拖动FOC，低速端记录实际输出位置，用于反馈控制；Gen2 在手指末端增加了触觉传感器（阵列传感器），提升物体操作和环境感知能力，且从宣传视频中看，对比Gen1的手部结构，我们预计 Gen2 在手腕处增加了多维力传感器。

————————————————