人形机器人手指执行器：开启智能未来_传感器|人工智能

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一、人形机器人手指执行器的重要性

人形机器人手指执行器作为机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人与环境的交互中起着关键作用，其性能直接决定了机器人的工作性能。
人形机器人灵巧手作为一种新型的末端执行器，在机器人与环境的交互中起着关键作用。谁会成为人形机器人灵巧手最强者？目前来说的人形机器人灵巧手，是机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人学领域虽然属于末端执行器的范畴，但从运动学的观点看，人形机器人灵巧手需满足两个条件：指关节运动时能使物体产生任意运动、指关节固定时能完全限制物体的运动，这意味着人形机器人灵巧手至少要 3 个手指和 9 个自由度。
灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用。 “灵巧” 指的是手的姿势可变性，这种可变性越高，则认为手就越灵巧。机器人灵巧手从结构和功能上参考人手，能够灵活操作对象，实现对物体的灵活抓取，满足多种工作需求。
随着人形机器人产业化的加速，国内外对灵巧手领域的研究也呈现出加速趋势。人形机器人赋予灵巧手千亿级市场规模。灵巧手作为机器人执行末端，是人形机器人必不可少的部件，根据因时机器人网上报价，单只灵巧手价格约为 5 万元，如果未来人形机器人销量到达百万台，对应灵巧手市场规模将达到 1000 亿元。
【人形机器人手指执行器：开启智能未来】灵巧手的性能很大程度上决定了整个机器人的工作性能。它以人手的结构和功能为模仿对象，在机器人与环境的交互中起着关键作用，可以辅助人形机器人完成复杂任务。例如在深圳智能机器人灵巧手产业发展大会上，最新的机器人灵巧手和人形机器人产品大放异彩，十根机械手指弯曲自如，抓握、捏取等精细动作一气呵成，操作精度达 0.1mm ，单手握力达 5kg 。
在工业自动化领域， O 型圈气动手指作为一种先进的末端执行器，以其独特的优势，正成为提升机器人性能的可靠伙伴。它采用精密的气动控制系统，能够实现高精度的夹持和释放动作，确保机器人在作业过程中的稳定性和准确性；通过优化设计和材料选择，能够提供强大的夹持力，轻松应对各种复杂和重载的作业场景；气动控制系统使得它具有快速的响应速度，能够在短时间内完成夹持和释放动作，提高机器人的作业效率。
人形机器人手指执行器的重要性不言而喻，它是机器人与环境交互的关键，其性能的优劣直接影响着机器人的工作性能。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，人形机器人手指执行器将继续为机器人产业的发展注入新的动力。
二、人形机器人手指执行器的类型

（一）
1、电机驱动：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。例如空心杯电机兼备精度和经济性，是最适合灵巧手批量生产使用的方式。空心杯电机结构紧凑、能量密度高、功率低，完美契合人形机器人对应手指关节轻量化、高精度等需求，从而满足手部运动的快速响应。特斯拉 Optimus 单手 6 个执行器， 11 个自由度，就采用了空心杯电机驱动。全球空心杯电机市场正在迅速发展，主要制造商包括 Faulhaber、Maxon、Portescap、Allied Motion Technologies 等公司，海外厂商行业地位较高，掌握了大批量生产的核心工艺。近年来国内也涌现出一批优秀的厂商，如鸣志电器、鼎智科技（江苏雷利子公司）、伟创电气等，依托国产企业降本能力，有望在机器人这块细分市场取得相应进展。
2、液压驱动：液压驱动具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点，适用于大力抓取。但液压驱动精度较低，制造和维修成本高，体积过于庞大。例如 Stefan Schulz 等人研制出的微液压驱动仿生灵巧手，共有 8 个关节，关节处集成有柔性流体执行器，由集成在手掌内部的微型液压系统进行驱动。但该设计存在运动不平稳、手指结构冗杂影响抓握性能、抓握输出力较小等不足。
3、气压驱动：气压驱动与液压驱动有相似之处，也具有输出功率密度大、易于实现远距离控制等优点。常用在简单的抓持手，不能实现多关节的灵活运动。以德国 Festo 灵巧手为例，采用柔性硅胶和气动波纹管材料作为手骨骼框架，具有极强的柔顺性和安全性，但存在控制相对较难导致运动不平稳、相关驱动元件体积较大不便于实现机械和驱动单元集成化设计等问题。
4、形状记忆合金驱动：形状记忆合金驱动无法长时间工作，并且疲劳强度较低。国内电子科技大学、南京航天航空大学、中国计量大学均有相关灵巧手的研究，一般通过增加 SMA 的使用量来实现较大驱动位移输出。
（二）按传动形式划分
1、齿轮驱动：齿轮组的传动方式可以实现精确的传动比，传动精度高、传动扭矩大，通过集成关节传感器可以实现精确控制。但这种方式设计较复杂，安装精度要求高，成本高。一般齿轮驱动难以实现远距离传动，常与连杆、同步带结合来实现传动，以佐治亚理工学院的 Naist hand 较为典型。
2、腱绳驱动：早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，多采用腱绳驱动。如 Stanford/JPL 多指灵巧手，每个手指采用 4 条腱绳驱动手指的 3 个关节。外置式灵巧手的优点是机械手本体设计可更拟人化，驱动器选型自由；缺点是传感器获得信息不能反映灵巧手手指关节位置和关节驱动力，增加了控制器设计的难度，且腱驱动所采用的绳索机构预紧和标定均非常困难，非模块化设计使得可维护性和互换性较差。
（三）按驱动放置方式划分
1、外置式多指灵巧手：优点是机械手本体设计可更拟人化，手指本体设计可以更加纤细，尺寸和本体可以做到完全一致，驱动器选型可以更加自由，更大的驱动电机可以被采用，从而可以增大手指的输出力。缺点是控制器设计难度大，可维护性和互换性较差。例如驱动器外置灵巧手的典型代表产品包括美国的 DARPA Extrinsic 灵巧手、NASA 和 GM 联合研制的 Robonaut 2 灵巧手等。
2、内置式多指灵巧手：优点是传感器直接测量误差小，机器人手指的模块化设计使各手指之间的互换性和可维护性大大增强。缺点是通信和控制难度加大，关节灵活度下降，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大。典型的内置式灵巧手 HIT/DLR–II 灵巧手，是新一代具有相对位置、绝对位置、力 / 力矩、触觉和温度等多种感知能力的五指灵巧手。
三、人形机器人手指执行器的工作原理

1、基于力学原理，当机器人手指与物体接触并施加力时，指尖力传感器会检测到力的变化，并将其转换为电信号，为机器人提供关于物体形状、质地、重量等关键信息。
人形机器人在抓取物体时，通常会配备手指指尖力传感器。这些传感器的工作原理基于力学原理，当机器人手指与物体接触并施加力时，传感器会检测到这种力的变化，并将其转换为电信号。通过对这些电信号的分析，机器人可以了解到手指与物体之间的接触状态，如接触力的大小、方向以及分布情况等。指尖力传感器能够为机器人提供关于物体形状、质地、重量等关键信息，从而指导机器人进行更精确的抓取和操控。
2、控制算法根据传感器获取的信息，计算出手指的运动轨迹和力量大小，并通过控制执行器来实现手指的运动。
控制算法是手指机器人实现精准运动控制的核心。它可以根据传感器获取的信息，计算出手指的运动轨迹和力量大小，并通过控制执行器来实现手指的运动。例如，当指尖力传感器检测到物体的形状、质地和重量等信息后，控制算法会根据这些信息计算出最佳的抓取策略，如手指的弯曲程度、抓取力度等，以确保能够稳定、安全地抓取物体。此外，控制算法还可以根据物体的特性和任务需求进行自适应调整，例如在抓取不同重量和质地的物体时，机器人可以根据传感器的反馈调整抓取力度和手指的弯曲程度，以确保稳定抓取。随着人工智能技术的发展，人形机器人还可以利用指尖力传感器进行学习和优化。通过不断试错和积累经验，机器人可以逐渐学习如何更好地抓取和操作各种物体。这种自我学习和优化能力将使人形机器人在实际应用中发挥更大的潜力。
四、人形机器人手指执行器的发展现状

1、市场潜力巨大，随着机器人应用的不断拓展和深入，电动手指的市场规模将持续保持高速增长。
近年来，全球机器人市场规模持续扩大，工业机器人、服务机器人和特种机器人等领域增长势头强劲。作为机器人的重要组成部分，人形机器人手指执行器，尤其是电动手指的市场需求也随之不断攀升。预计未来几年，随着机器人在更多领域的应用拓展，电动手指的市场规模将持续高速增长。和讯的券商看点指出，人形机器人市场的快速增长为灵巧手带来了广阔的发展前景，头豹研究院预测， 2030 年人形机器人销量有望达到百万级别，单只灵巧手价格约为 5 万元，对应灵巧手市场规模将达到 1000 亿元。
2、技术革新是市场发展的核心驱动力，目前在精度、速度、负载能力等方面已取得显著突破，未来随着新材料、新工艺、新技术的应用，性能将进一步提升。
目前，电动手指在精度、速度、负载能力等方面已取得显著突破。例如，人形机器人 Optimus 的新型灵巧手在技术上实现了革命性的突破，其新型灵巧手具有 22 个自由度，前臂的自由度也增加至 3 个，比上一代产品的 11 个自由度大幅提升，在执行更复杂和精细的任务时，能够表现得更加灵活和精准。未来，随着新材料、新工艺、新技术的应用，电动手指的性能将进一步提升，如更高的抓取精度、更快的响应速度、更强的负载能力等。此外，随着人工智能、物联网等技术的融合应用，电动手指将实现更加智能化的抓取和操控，为机器人行业带来革命性的变革。
3、政策支持为市场发展提供重要保障，各国政府纷纷出台扶持机器人产业发展的政策措施。
政策支持是电动手指市场发展的重要保障。各国政府纷纷出台了一系列扶持机器人产业发展的政策措施，如提供税收优惠、加大研发投入、推动产学研合作等。这些政策不仅为机器人行业创造了良好的发展环境，也为电动手指市场的拓展提供了有力支持。 2023 年 11 月，工信部发布《人形机器人创新发展指导意见》，提出人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术，明确了人形机器人发展的目标与时间点，标志着国内人形机器人产业发展进入新阶段。
五、人形机器人手指执行器的未来展望

1、随着市场规模的不断扩大、技术革新的深入推进以及政策支持的有力保障，人形机器人手指执行器市场将迎来更加美好的发展前景。
随着人形机器人市场的快速发展，手指执行器作为其关键组成部分，市场规模也在持续扩大。全球机器人市场规模不断增长，工业机器人、服务机器人和特种机器人等领域发展势头强劲，为人形机器人手指执行器带来了广阔的应用空间。目前，全球人形机器人手市场规模大约为 [具体数值待补充
亿元（人民币），预计到 2030 年将达到 [具体数值待补充
亿元，年复合增长率为 [具体数值待补充
% 。同时，随着技术的不断革新，手指执行器在精度、速度、负载能力等方面将取得更大的突破。新材料、新工艺、新技术的应用，将使其性能进一步提升，如更高的抓取精度、更快的响应速度、更强的负载能力等。此外，政策支持也为人形机器人手指执行器市场的发展提供了重要保障。各国政府纷纷出台扶持机器人产业发展的政策措施，为其创造了良好的发展环境，进一步推动了手指执行器市场的拓展。
2、未来有望成为机器人行业的重要增长点和创新引擎，为推动全球机器人产业的持续繁荣和发展贡献重要力量。
人形机器人手指执行器具备巨大的发展潜力，未来有望成为机器人行业的重要增长点。其在机器人与环境的交互中起着关键作用，性能的不断提升将推动机器人整体性能的提高。随着技术的进步，手指执行器将更加智能化，能够实现更加复杂和精细的任务。例如，通过与人工智能、物联网等技术的融合应用，实现更加智能化的抓取和操控，为机器人行业带来革命性的变革。同时，手指执行器的创新也将带动机器人其他部件的发展，成为创新引擎。在全球机器人产业的持续繁荣和发展中，人形机器人手指执行器将发挥重要作用，为各个领域

人形机器人手指执行器：开启智能未来

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