机器人灵巧手：拼自由度，更拼 “好用”

NE时代智能体更新于: 2025-09-17 15:56:15

一只「好用」的灵巧手评判标准是什么呢？

马斯克在参加All-In科技峰会的最新交流中透露：“机器人研发真正的挑战在于硬件设计，尤其是手和前臂的复杂工程难题。人手大约有27、28个自由度，而要让机器人成为真正的通用人形机器人，必须解决“手”的问题。”

灵巧手作为人形机器人核心执行部件，其价值量在整机成本中占据重要地位。拿特斯拉Optimus举例，灵巧手在特斯拉Optimus二代整机成本中占比约17%。作为Optimus V3迭代强确定性的重点之一，灵巧手也正向着高度仿生、精细化方向升级。

然而，高价值量的背后是高昂的成本压力。

灵巧手集成了复杂的驱动、传动、传感系统，需要精密制造工艺和高度集成化设计，这直接推高了研发和制造成本。与此同时，由于灵巧手仍处于技术探索期，量产规模有限，无法通过规模效应降低单位成本。

成本端的挑战正推动行业进入「硬件堆料阶段」。目前来看，灵巧手硬件方案主要由「驱动+传动+传感」三大核心模块构成。通过提升底层硬件能力来重构成本结构，而灵巧手复杂度的提升也进一步带动了各类零部件需求增长。

那么，一只「好用」的灵巧手评判标准是什么呢？

01.

灵巧手，享「自由」

灵巧手技术评估的核心指标之一就是自由度，它直接决定了机械手能否完成复杂精细操作。而随着驱动传动机构的小型化、集成化发展，灵巧手的主动自由度正在不断增加。

早期灵巧手多采用欠驱动设计，即通过机械结构实现部分自由度的联动，以减少驱动数量和复杂度；而当前发展趋势正逐步向全驱动演进，即每个自由度都配备独立驱动，实现更精确、更灵活的操作。这种全驱动设计虽然增加了系统复杂度和成本，但能显著提升灵巧手的操作精度和适应性。

眼下，灵巧手的自由度技术竞争已从早期的10+提升至20+。加之，具身智能产业链纷纷下场入局，除了专注于灵巧手的厂商外，下游的本体厂商、上游的和核心零部件厂商纷纷入局。

比如去年11月底，特斯拉发布的Optimus第三代灵巧手的自由度提升至22个（此前为11个）；今年4月，宇树科技发布Unitree Dex5灵巧手，该灵巧手具备单手20自由度(16主动+4被动)；今年8月，智元机器人推出了 OmniHand 2025 系列灵巧手，灵动款共 16 个自由度，专业款共 19 个自由度。

△图源/宇树科技官网

源升智能五指灵巧手产品Apex Hand全手21自由度（16主动+5被动），目前已收获数百家海内外客户订购意向；自变量机器人五指灵巧手ArtiXon Hand拥有20个自由度，其中包含15个主动自由度；灵心巧手的 Linker Hand L30 科研版，更是配备了 42 个自由度，远高于真实的人手。

然而，自由度并非越多越好，而应视情况而定。

理论上，灵巧手的自由度越高，就越灵活，但随之而来，控制灵巧手的难度也越大。用一个高度灵活但难以控制的灵巧手一站式解决抓取问题其实实现起来特别复杂。自由度每增加1个，控制难度呈非线性上升，具体体现在计算复杂度激增、硬件可靠性下降、力控与精度难兼顾等方面。

此外，自由度数如果超出大、小脑能力范畴，反而会变成负担。换句话说，自由度的多少不是由理论上限决定，而是由场景需求与大、小脑技术水平的平衡点决定。因此，灵巧手的核心价值不是自由度数量，而是自由度的有效利用。

然而，评价一只「好用」的灵巧手，不能仅以灵活性（自由度）作为唯一衡量标准，良好的负载能力是其突破轻量操作局限的关键。

只有能应对一定重量的搬运、受力作业，才能切实落地到更多实用场景，避免沦为只能做细活却扛不起重量的局限工具。

△图源/星动纪元官网

比如星动纪元XHAND1单指最大负载可以到5Kg以上，单手最大80N握力，四指最大负载在20Kg以上，整手可以举起25Kg以上的哑铃。

02.

如何「有效驱动」每个自由度？

从驱动角度来看，一般来说一个主动自由度对应一个电机，而一只手掌的有限空间如何容纳十几个电机，成为一大难点。

为装下更多电机，若选择扩大手掌体积、增加整体重量，虽能解决电机的物理安置问题，但会直接导致灵巧手惯性增大，降低其动作灵敏度，违背灵巧手精准、灵活的核心需求；若反其道而行，通过缩小电机尺寸来适配手掌有限空间，虽能避免手掌过度增重，但其能提供的驱动力会随之减弱，最终导致灵巧手的抓握力下降，无法满足抓取重物、稳定握持等实际使用需求。

特斯拉在其第三代灵巧手中给出的解决方案是将电机从手掌移至手臂。这种虽绕开了 “手掌空间限制”，但还存在信号与动力传递时延问题，直接影响手指动作的响应速度与精度。此外，连接绳的寿命与维护同样也是一大成本问题。

目前，在驱动方案选择上，空心杯电机已成为行业主流。

△图源/鼎智科技官网

空心杯电机具有体积小、重量轻、响应快、效率高等优势，特别适合灵巧手这种对空间和重量要求严格的场景。其无铁芯结构减少了转子惯量，提高了动态响应速度，同时低转动惯量使得电机能够实现更精确的控制。

而在空心杯电机的生产流程中，线圈制造是核心环节，这也使得其核心竞争壁垒主要集中在线圈设计、绕线工艺与绕线设备三大领域。空心杯电机的发展方向始终围绕 “更小体积、更快转速、更高功率密度、更优良率” 展开，而这些关键性能的直接决定因素，正是线圈的绕制。

具体来看，导线的线径规格、绕制匝数以及绕线的线性精度，都会直接作用于电机的各项核心性能参数。线圈绕制环节的核心壁垒体现在两个维度：

一方面，它直观反映在线圈设计上，不同的绕线类型，在自动化生产效率、铜耗控制等方面存在明显差异；

另一方面，其壁垒也体现在绕线设备与绕线方式上，不同的绕线机械，对空心杯线圈槽满率的把控能力不同，这会进一步导致线圈绕制的疏密程度有别，最终直接影响电机的能量损耗、散热效率与输出功率。

工艺方面，绕卷式工艺步骤繁多，人工参与率较高，且难以满足较小尺寸的空心杯线圈绕制；而一次成型技术则有利于缩减生产过程并提高效率。

△图源/网络；绕卷式空心杯电机的工艺流程

目前，行业内先进的空心杯绕线工艺与线圈设计技术，长期由海外厂商掌控，且海外绕线设备的价格普遍居高不下。

然而，特斯拉第三代灵巧手因绕开了 “手掌空间限制”，部分空心杯电机有望被成本更优、扭矩密度更高的微型无刷电机取代。

另外，指尖智擎还通过采用创新的轴向磁通电机设计与微型摆线减速器技术，推出的首款产品主打特微型、高性能关节模组，突破了传统灵巧手电机采用空心杯和滚柱丝杠的固有观念。

△图源/指尖智擎

从传动角度来看，则与被动自由度强相关。而传动方案是灵巧手技术路线中“分歧”最为明显的环节。

目前，国内厂商多采用连杆/齿轮等刚性传动方案，刚性传动通过齿轮、连杆等机械结构直接传递动力，具有响应快、精度高的特点，适合于对精度要求较高的场景。但刚性传动在空间利用效率上存在局限，难以实现紧凑的结构设计。

国外厂商则更倾向于腱绳柔性传动方案，通过腱绳传递动力，实现类似人类肌腱的柔性控制，这种方案可使驱动器和手指本体分离，对手指关节进行远距驱动，从而使手指小型化，结构紧凑、研制灵活，成本低。但腱绳传动也面临摩擦损耗大、长期使用后精度下降等挑战。

△图源/中金公司

此外，部分厂商还采用刚性+柔性混合传动方案，试图在性能和成本之间找到更好的平衡点。

而聚焦到基础传动件，丝杠一定是绕不开的重点零部件。

从设计结构角度来看，丝杠分为梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。微型行星滚柱丝杠因其承载大、寿命长、响应快等优势，逐渐在灵巧手中得到应用。

特斯拉Optimus Gen3人形机器人的灵巧手结构采用了“齿轮箱+丝杠+腱绳”传动方案。一级传动使用行星齿轮箱，二级传动通过丝杠提供高精度线性驱动，三级传动通过腱绳实现手臂模组与手指之间的连接。

△图源/网络

高精度行星滚柱丝杠制造规模化量产难度非常高，主要有三大壁垒：原材料、工艺流程、生产设备。

原材料上，丝杠需含 Mo 的合金结构钢（如铬钼合金钢），螺母、滚柱需高碳铬轴承钢，且丝杠和螺母洛氏硬度常＞58HRC（丝杠两端不硬化），普通金属无法满足；

工艺流程上，较滚珠丝杠要求更高，核心难点是螺纹加工（丝杠外螺纹、滚柱外螺纹、螺母内螺纹难度递增，三者均有 90° 齿形角多头螺纹，反向式螺母需精磨内螺纹），当前主流工艺为车削 + 磨削，“以车代磨” 成提效趋势；

生产设备上，高端磨床由欧日主导，海外产能有限且进口受限，磨床是扩产关键资本支出。

此外，从样品试制、小批量生产到大规模制造交付也是三道门槛。

全球市场中，海外龙头企业占据了在高端行星滚柱丝杠领域的主导地位。市占率较高的厂商包括瑞士GSA、瑞士Rollvis、瑞典Ewellix、博世力士乐、美国CMC、日本THK等。其中，特斯拉形机器人Optimus直线关节为反式行星滚柱丝杠，使用的就是瑞士GSA制造的RGTI12.8行星滚柱丝杠。

国内方面，近年国内入局者增多，本土企业加速国产替代，目前多基于既有技术储备处于研发或小批量验证阶段，竞争格局分散。

国内丝杠企业主要分五类：一是丝杠老牌企业（如新剑传动、南京工艺等，具客户与技术先发优势）；二是有高端进口磨床的企业（如贝斯特、恒立液压）；三是精密运动控制企业（如鼎智科技、震裕科技等）；四是汽车零部件企业（如北特科技等，主业与丝杠客户资源重合度高）；五是轴承企业（如五洲新春等，与丝杠核心工艺协同性强）