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一、人形機器人手指執(zhí)行器的重要性
人形機器人手指執(zhí)行器作為機器人操作和動作執(zhí)行的末端工具 ， 在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用 ， 其性能直接決定了機器人的工作性能 。
人形機器人靈巧手作為一種新型的末端執(zhí)行器 ， 在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用 。 誰會成為人形機器人靈巧手最強者？目前來說的人形機器人靈巧手 ， 是機器人操作和動作執(zhí)行的末端工具 ， 在機器人學(xué)領(lǐng)域雖然屬于末端執(zhí)行器的范疇 ， 但從運動學(xué)的觀點看 ， 人形機器人靈巧手需滿足兩個條件：指關(guān)節(jié)運動時能使物體產(chǎn)生任意運動、指關(guān)節(jié)固定時能完全限制物體的運動 ， 這意味著人形機器人靈巧手至少要 3 個手指和 9 個自由度 。
靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能為模仿對象 ， 在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用 。 “靈巧” 指的是手的姿勢可變性 ， 這種可變性越高 ， 則認(rèn)為手就越靈巧 。 機器人靈巧手從結(jié)構(gòu)和功能上參考人手 ， 能夠靈活操作對象 ， 實現(xiàn)對物體的靈活抓取 ， 滿足多種工作需求 。
隨著人形機器人產(chǎn)業(yè)化的加速 ， 國內(nèi)外對靈巧手領(lǐng)域的研究也呈現(xiàn)出加速趨勢 。 人形機器人賦予靈巧手千億級市場規(guī)模 。 靈巧手作為機器人執(zhí)行末端 ， 是人形機器人必不可少的部件 ， 根據(jù)因時機器人網(wǎng)上報價 ， 單只靈巧手價格約為 5 萬元 ， 如果未來人形機器人銷量到達(dá)百萬臺 ， 對應(yīng)靈巧手市場規(guī)模將達(dá)到 1000 億元 。
【人形機器人手指執(zhí)行器：開啟智能未來】靈巧手的性能很大程度上決定了整個機器人的工作性能 。 它以人手的結(jié)構(gòu)和功能為模仿對象 ， 在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用 ， 可以輔助人形機器人完成復(fù)雜任務(wù) 。 例如在深圳智能機器人靈巧手產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會上 ， 最新的機器人靈巧手和人形機器人產(chǎn)品大放異彩 ， 十根機械手指彎曲自如 ， 抓握、捏取等精細(xì)動作一氣呵成 ， 操作精度達(dá) 0.1mm ， 單手握力達(dá) 5kg 。
在工業(yè)自動化領(lǐng)域 ， O 型圈氣動手指作為一種先進的末端執(zhí)行器 ， 以其獨特的優(yōu)勢 ， 正成為提升機器人性能的可靠伙伴 。 它采用精密的氣動控制系統(tǒng) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的夾持和釋放動作 ， 確保機器人在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；通過優(yōu)化設(shè)計和材料選擇 ， 能夠提供強大的夾持力 ， 輕松應(yīng)對各種復(fù)雜和重載的作業(yè)場景；氣動控制系統(tǒng)使得它具有快速的響應(yīng)速度 ， 能夠在短時間內(nèi)完成夾持和釋放動作 ， 提高機器人的作業(yè)效率 。
人形機器人手指執(zhí)行器的重要性不言而喻 ， 它是機器人與環(huán)境交互的關(guān)鍵 ， 其性能的優(yōu)劣直接影響著機器人的工作性能 。 隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展 ， 人形機器人手指執(zhí)行器將繼續(xù)為機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的動力 。
二、人形機器人手指執(zhí)行器的類型
（一）
1、電機驅(qū)動：電機驅(qū)動是目前多指靈巧手的主要驅(qū)動方式 ， 具有驅(qū)動力大 ， 控制精度高、響應(yīng)快、模塊化設(shè)計、易于更換維護等優(yōu)點 。 例如空心杯電機兼?zhèn)渚群徒?jīng)濟性 ， 是最適合靈巧手批量生產(chǎn)使用的方式 。 空心杯電機結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、功率低 ， 完美契合人形機器人對應(yīng)手指關(guān)節(jié)輕量化、高精度等需求 ， 從而滿足手部運動的快速響應(yīng) 。 特斯拉 Optimus 單手 6 個執(zhí)行器 ， 11 個自由度 ， 就采用了空心杯電機驅(qū)動 。 全球空心杯電機市場正在迅速發(fā)展 ， 主要制造商包括 Faulhaber、Maxon、Portescap、Allied Motion Technologies 等公司 ， 海外廠商行業(yè)地位較高 ， 掌握了大批量生產(chǎn)的核心工藝 。 近年來國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的廠商 ， 如鳴志電器、鼎智科技（江蘇雷利子公司）、偉創(chuàng)電氣等 ， 依托國產(chǎn)企業(yè)降本能力 ， 有望在機器人這塊細(xì)分市場取得相應(yīng)進展 。
2、液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動具有輸出功率密度大、易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制以及輸出力大等優(yōu)點 ， 適用于大力抓取 。 但液壓驅(qū)動精度較低 ， 制造和維修成本高 ， 體積過于龐大 。 例如 Stefan Schulz 等人研制出的微液壓驅(qū)動仿生靈巧手 ， 共有 8 個關(guān)節(jié) ， 關(guān)節(jié)處集成有柔性流體執(zhí)行器 ， 由集成在手掌內(nèi)部的微型液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動 。 但該設(shè)計存在運動不平穩(wěn)、手指結(jié)構(gòu)冗雜影響抓握性能、抓握輸出力較小等不足 。
3、氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動有相似之處 ， 也具有輸出功率密度大、易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點 。 常用在簡單的抓持手 ， 不能實現(xiàn)多關(guān)節(jié)的靈活運動 。 以德國 Festo 靈巧手為例 ， 采用柔性硅膠和氣動波紋管材料作為手骨骼框架 ， 具有極強的柔順性和安全性 ， 但存在控制相對較難導(dǎo)致運動不平穩(wěn)、相關(guān)驅(qū)動元件體積較大不便于實現(xiàn)機械和驅(qū)動單元集成化設(shè)計等問題 。
4、形狀記憶合金驅(qū)動：形狀記憶合金驅(qū)動無法長時間工作 ， 并且疲勞強度較低 。 國內(nèi)電子科技大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、中國計量大學(xué)均有相關(guān)靈巧手的研究 ， 一般通過增加 SMA 的使用量來實現(xiàn)較大驅(qū)動位移輸出 。
（二）按傳動形式劃分
1、齒輪驅(qū)動：齒輪組的傳動方式可以實現(xiàn)精確的傳動比 ， 傳動精度高、傳動扭矩大 ， 通過集成關(guān)節(jié)傳感器可以實現(xiàn)精確控制 。 但這種方式設(shè)計較復(fù)雜 ， 安裝精度要求高 ， 成本高 。 一般齒輪驅(qū)動難以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動 ， 常與連桿、同步帶結(jié)合來實現(xiàn)傳動 ， 以佐治亞理工學(xué)院的 Naist hand 較為典型 。
2、腱繩驅(qū)動：早期的多指靈巧手一般將驅(qū)動器外置 ， 多采用腱繩驅(qū)動 。 如 Stanford/JPL 多指靈巧手 ， 每個手指采用 4 條腱繩驅(qū)動手指的 3 個關(guān)節(jié) 。 外置式靈巧手的優(yōu)點是機械手本體設(shè)計可更擬人化 ， 驅(qū)動器選型自由；缺點是傳感器獲得信息不能反映靈巧手手指關(guān)節(jié)位置和關(guān)節(jié)驅(qū)動力 ， 增加了控制器設(shè)計的難度 ， 且腱驅(qū)動所采用的繩索機構(gòu)預(yù)緊和標(biāo)定均非常困難 ， 非模塊化設(shè)計使得可維護性和互換性較差 。
（三）按驅(qū)動放置方式劃分
1、外置式多指靈巧手：優(yōu)點是機械手本體設(shè)計可更擬人化 ， 手指本體設(shè)計可以更加纖細(xì) ， 尺寸和本體可以做到完全一致 ， 驅(qū)動器選型可以更加自由 ， 更大的驅(qū)動電機可以被采用 ， 從而可以增大手指的輸出力 。 缺點是控制器設(shè)計難度大 ， 可維護性和互換性較差 。 例如驅(qū)動器外置靈巧手的典型代表產(chǎn)品包括美國的 DARPA Extrinsic 靈巧手、NASA 和 GM 聯(lián)合研制的 Robonaut 2 靈巧手等 。
2、內(nèi)置式多指靈巧手：優(yōu)點是傳感器直接測量誤差小 ， 機器人手指的模塊化設(shè)計使各手指之間的互換性和可維護性大大增強 。 缺點是通信和控制難度加大 ， 關(guān)節(jié)靈活度下降 ， 手指尺寸及靈巧手整手尺寸較大 。 典型的內(nèi)置式靈巧手 HIT/DLR–II 靈巧手 ， 是新一代具有相對位置、絕對位置、力 / 力矩、觸覺和溫度等多種感知能力的五指靈巧手 。
三、人形機器人手指執(zhí)行器的工作原理
1、基于力學(xué)原理 ， 當(dāng)機器人手指與物體接觸并施加力時 ， 指尖力傳感器會檢測到力的變化 ， 并將其轉(zhuǎn)換為電信號 ， 為機器人提供關(guān)于物體形狀、質(zhì)地、重量等關(guān)鍵信息 。
人形機器人在抓取物體時 ， 通常會配備手指指尖力傳感器 。 這些傳感器的工作原理基于力學(xué)原理 ， 當(dāng)機器人手指與物體接觸并施加力時 ， 傳感器會檢測到這種力的變化 ， 并將其轉(zhuǎn)換為電信號 。 通過對這些電信號的分析 ， 機器人可以了解到手指與物體之間的接觸狀態(tài) ， 如接觸力的大小、方向以及分布情況等 。 指尖力傳感器能夠為機器人提供關(guān)于物體形狀、質(zhì)地、重量等關(guān)鍵信息 ， 從而指導(dǎo)機器人進行更精確的抓取和操控 。
2、控制算法根據(jù)傳感器獲取的信息 ， 計算出手指的運動軌跡和力量大小 ， 并通過控制執(zhí)行器來實現(xiàn)手指的運動 。
控制算法是手指機器人實現(xiàn)精準(zhǔn)運動控制的核心 。 它可以根據(jù)傳感器獲取的信息 ， 計算出手指的運動軌跡和力量大小 ， 并通過控制執(zhí)行器來實現(xiàn)手指的運動 。 例如 ， 當(dāng)指尖力傳感器檢測到物體的形狀、質(zhì)地和重量等信息后 ， 控制算法會根據(jù)這些信息計算出最佳的抓取策略 ， 如手指的彎曲程度、抓取力度等 ， 以確保能夠穩(wěn)定、安全地抓取物體 。 此外 ， 控制算法還可以根據(jù)物體的特性和任務(wù)需求進行自適應(yīng)調(diào)整 ， 例如在抓取不同重量和質(zhì)地的物體時 ， 機器人可以根據(jù)傳感器的反饋調(diào)整抓取力度和手指的彎曲程度 ， 以確保穩(wěn)定抓取 。 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 ， 人形機器人還可以利用指尖力傳感器進行學(xué)習(xí)和優(yōu)化 。 通過不斷試錯和積累經(jīng)驗 ， 機器人可以逐漸學(xué)習(xí)如何更好地抓取和操作各種物體 。 這種自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化能力將使人形機器人在實際應(yīng)用中發(fā)揮更大的潛力 。
四、人形機器人手指執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀
1、市場潛力巨大 ， 隨著機器人應(yīng)用的不斷拓展和深入 ， 電動手指的市場規(guī)模將持續(xù)保持高速增長 。
近年來 ， 全球機器人市場規(guī)模持續(xù)擴大 ， 工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人等領(lǐng)域增長勢頭強勁 。 作為機器人的重要組成部分 ， 人形機器人手指執(zhí)行器 ， 尤其是電動手指的市場需求也隨之不斷攀升 。 預(yù)計未來幾年 ， 隨著機器人在更多領(lǐng)域的應(yīng)用拓展 ， 電動手指的市場規(guī)模將持續(xù)高速增長 。 和訊的券商看點指出 ， 人形機器人市場的快速增長為靈巧手帶來了廣闊的發(fā)展前景 ， 頭豹研究院預(yù)測 ， 2030 年人形機器人銷量有望達(dá)到百萬級別 ， 單只靈巧手價格約為 5 萬元 ， 對應(yīng)靈巧手市場規(guī)模將達(dá)到 1000 億元 。
2、技術(shù)革新是市場發(fā)展的核心驅(qū)動力 ， 目前在精度、速度、負(fù)載能力等方面已取得顯著突破 ， 未來隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 ， 性能將進一步提升 。
目前 ， 電動手指在精度、速度、負(fù)載能力等方面已取得顯著突破 。 例如 ， 人形機器人 Optimus 的新型靈巧手在技術(shù)上實現(xiàn)了革命性的突破 ， 其新型靈巧手具有 22 個自由度 ， 前臂的自由度也增加至 3 個 ， 比上一代產(chǎn)品的 11 個自由度大幅提升 ， 在執(zhí)行更復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)時 ， 能夠表現(xiàn)得更加靈活和精準(zhǔn) 。 未來 ， 隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 ， 電動手指的性能將進一步提升 ， 如更高的抓取精度、更快的響應(yīng)速度、更強的負(fù)載能力等 。 此外 ， 隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合應(yīng)用 ， 電動手指將實現(xiàn)更加智能化的抓取和操控 ， 為機器人行業(yè)帶來革命性的變革 。
3、政策支持為市場發(fā)展提供重要保障 ， 各國政府紛紛出臺扶持機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施 。
政策支持是電動手指市場發(fā)展的重要保障 。 各國政府紛紛出臺了一系列扶持機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施 ， 如提供稅收優(yōu)惠、加大研發(fā)投入、推動產(chǎn)學(xué)研合作等 。 這些政策不僅為機器人行業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展環(huán)境 ， 也為電動手指市場的拓展提供了有力支持 。 2023 年 11 月 ， 工信部發(fā)布《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》 ， 提出人形機器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進技術(shù) ， 明確了人形機器人發(fā)展的目標(biāo)與時間點 ， 標(biāo)志著國內(nèi)人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入新階段 。
五、人形機器人手指執(zhí)行器的未來展望
1、隨著市場規(guī)模的不斷擴大、技術(shù)革新的深入推進以及政策支持的有力保障 ， 人形機器人手指執(zhí)行器市場將迎來更加美好的發(fā)展前景 。
隨著人形機器人市場的快速發(fā)展 ， 手指執(zhí)行器作為其關(guān)鍵組成部分 ， 市場規(guī)模也在持續(xù)擴大 。 全球機器人市場規(guī)模不斷增長 ， 工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人等領(lǐng)域發(fā)展勢頭強勁 ， 為人形機器人手指執(zhí)行器帶來了廣闊的應(yīng)用空間 。 目前 ， 全球人形機器人手市場規(guī)模大約為 [具體數(shù)值待補充
億元（人民幣） ， 預(yù)計到 2030 年將達(dá)到 [具體數(shù)值待補充
億元 ， 年復(fù)合增長率為 [具體數(shù)值待補充
% 。 同時 ， 隨著技術(shù)的不斷革新 ， 手指執(zhí)行器在精度、速度、負(fù)載能力等方面將取得更大的突破 。 新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 ， 將使其性能進一步提升 ， 如更高的抓取精度、更快的響應(yīng)速度、更強的負(fù)載能力等 。 此外 ， 政策支持也為人形機器人手指執(zhí)行器市場的發(fā)展提供了重要保障 。 各國政府紛紛出臺扶持機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施 ， 為其創(chuàng)造了良好的發(fā)展環(huán)境 ， 進一步推動了手指執(zhí)行器市場的拓展 。
2、未來有望成為機器人行業(yè)的重要增長點和創(chuàng)新引擎 ， 為推動全球機器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)繁榮和發(fā)展貢獻重要力量 。
人形機器人手指執(zhí)行器具備巨大的發(fā)展?jié)摿?， 未來有望成為機器人行業(yè)的重要增長點 。 其在機器人與環(huán)境的交互中起著關(guān)鍵作用 ， 性能的不斷提升將推動機器人整體性能的提高 。 隨著技術(shù)的進步 ， 手指執(zhí)行器將更加智能化 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù) 。 例如 ， 通過與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合應(yīng)用 ， 實現(xiàn)更加智能化的抓取和操控 ， 為機器人行業(yè)帶來革命性的變革 。 同時 ， 手指執(zhí)行器的創(chuàng)新也將帶動機器人其他部件的發(fā)展 ， 成為創(chuàng)新引擎 。 在全球機器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)繁榮和發(fā)展中 ， 人形機器人手指執(zhí)行器將發(fā)揮重要作用 ， 為各個領(lǐng)域
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