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。人手的自由度度超过20个，部分灵巧手（如Shadow hand、Allegro hand等）的自由度与人手接近，即具有20个或以上的自由度。灵巧手的常见传动方式有腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动等，其中腱绳传动是最具应用潜力的方案之一。腱绳在一定程度上模拟了人手的肌腱结构，使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓取的速度，灵活性大大提升。同时腱绳适用于空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合，较连杆等传动方式更节省空间，英国Shadow Robot公司推出的Shadow dexterous hand是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一，其传动方案便采用了腱绳传动。此外，DLR/HIT Hand II、Hasy以及达芬奇手术机器人等代表性产品均采用了腱绳传动。

　　腱绳的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵巧手的性能具有较大影响，腱绳需配合驱动方案进行选型。一般而言，灵巧手腱绳需要高强度与耐久性、抗蠕变、较小的折弯半径、抗腐蚀、良好的柔韧性等，钢丝绳没有内摩擦，且与滑动表面的摩擦系数较小，同时强度高，可提供较大承载力，是腱绳材料较优选择。从材料和工艺看，钢丝绳常见的材料有碳素钢丝绳、不锈钢丝绳、镀锌钢丝绳、合金钢丝绳等，钢丝绳通常用多股绞合形成线缆，以达到更优的性能。手术机器人线绳与灵巧手工况类似，通常采用钨钢丝绳，具有优异的断裂强度和超长的循环寿命。

　　受限于灵巧手空间结构，其内部传动方案需要做到高度集成，采用一体化设计可优化手指内部空间结构，减小体积。从特斯拉AI DAY公布的细节来看，Optimus灵巧手使用较为经典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，四指各用一个电机带动，传动方面采用蜗轮蜗杆+腱绳机构一体化设计。由于特斯拉Optimus尚处于开发阶段，其灵巧手传动方案后续可能会进行改进，如采用减速器替代涡轮蜗杆等。但由于灵巧手需要仿生人类手掌大小，因此预测特斯拉腱绳、减速器将保持一体化设计。

　　从特斯拉灵巧手结构看，单手共6个自由度，预计其中5个手指的弯曲自由度均采用线驱动，大拇指的侧摆自由度推测是电机加减速器直驱，因此预计双手有10个自由度采用线驱动。由于线驱动通常主动绳、连动绳搭配使用，因此预计特斯拉灵巧手单指手指使用2根腱绳。我们假设灵巧手单根腱绳价格在60元左右，则单台机器人腱绳价值量约为1200元，100万台人形机器人销量假设下，灵巧手腱绳市场空间达12亿元，灵巧手腱绳有望开启十亿级增量市场。

　　灵巧手的自由度是指机械系统能够独立运动的关节数量。根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类。全驱动灵巧手驱动源的数量与被控制灵巧手的自由度数量相等，每个手指关节都有驱动器，使其能够实现主动控制。欠驱动灵巧手被控制的自由度多于驱动源的数目，缺少驱动源的部分进行耦合随动。从运动学的观点看，灵巧手需满足两个条件：1）指关节运动时能使物体产生任意运动；2）指关节固定时能完全限制物体的运动。按照运动学理论，满足上述条件至少要3个手指，并需要6个或以上的自由度。

　　灵巧手具有人手的部分外形特征和功能，其通过模拟人类运动、感知、控制等方面的仿生，实现对人手运动的模拟。作为最灵巧的部分之一，人手的自由度超过20个。而灵巧手的自由度则可以根据应用需求和具体设计进行调整。部分灵巧手（如Shadow hand、Allegro hand等）的自由度与人手接近，即具有20个或以上的自由度。但即使自由度与人手相似，在高自由度导致的算法困难、操作中产生的大量接触点等因素影响下，这些灵巧手也很难真正像人手一样智能地处理各种任务。总体而言，虽然灵巧手在某些特定任务上可以模仿人手的灵巧程度，但目前的灵巧手还无法完全复制人手的复杂属性和处理多任务的能力。

　　多指灵巧手：多指多关节结构，最普遍的结构为3-5个手指，且各手指均具有3个关节，手指关节的运动副都采用转动副。

　　多指灵巧手以人手的结构和功能作为模仿对象，其研究的最终目标是能够像人手一样对生产、生活乃至自然界中的各种物体进行稳定并且灵活的抓持和操作。机器人多指灵巧手的研究始于20世纪70年代，一共经历了20世纪70年代—20世纪90年代、20世纪90年代—2010年和2010年至今三个阶段。

　　在这一阶段中的三个典型代表分别是日本的Okada灵巧手、美国的Stanford/JPL灵巧手和 Utah/MIT灵巧手。这三种灵巧手的研究为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。

　　2）20世纪90年代—2010年，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究进入了快速发展阶段。

　　这一阶段的多指灵巧手具备更高的系统集成度和更丰富的感知能力。例如美国国家航空宇航局研制的用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonaut hand，腱绳张力传感器的加入使其运动控制更加准确；德国宇航中心先后研制成功的DLR-I和DLR-Ⅱ灵巧手共集成25个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，使得灵巧手在灵活性和感知能力方面都有显著提升；日本岐阜大学研制出Gifu hand，其突出特点在于分布式的触觉传感器，这提升了灵巧手对外界物体整体的触觉感知，进而大幅提高了手抓持和操作的成功率。

　　由于高度系统集成的灵巧手在具有灵活性和功能性优势的同时因复杂的系统而产生高额制造成本，系统的可靠性和易维护性也有所降低，因此多指灵巧手设计将简化系统、提高鲁棒性作为进一步发展的一个重要方向。欠驱动手能够通过合理的结构设计，以少于手指关节自由度的驱动器控制手的运动，以此降低整只手的系统复杂度，提高可靠性。自适应灵巧手就是一种有效的欠驱动实现方式，它通过对操作对象的自主适用性包络实现抓取。典型例子是立命馆大学设计的Ritsumeikan Hand，它通过耦合走线个关节的驱动。此外，HERI Hand、SPRING hand、Columbia hand、耶鲁大学的欠驱动手等也都采用了适应性欠驱动的结构设计，实现了稳定的抓取。

　　例如英国Shadow Robot公司推出的先进仿人型机器人手Shadow dexterous hand，其拥有24个自由度和20个可单独控制的自由度，可配备指端触觉传感器，是目前最成熟的商品化多指灵巧手之一。此外，德国SCHUNK的SF5H hand、德国FESTO的柔性多指灵巧手Bionic Soft Hand和北京因时机器人科技有限公司的RH56BF3仿人型多指灵巧手也都是较具有代表性的多指灵巧手产品。值得注意的是，这些多指灵巧手产品也并非完美，目前它们仍然不能实现与人手相当的自由灵活程度和操作能力，且价格较昂贵，推广应用难度大，因此灵巧手可能会成为未来机器人领域需要重点突破的方向之一。

　　常见的灵巧手传动方式有腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、带传动，其中腱绳传动是目前应用最广泛的方案。

　　早期的多指灵巧手的手指内多采用连杆等传动机构，多个连杆串并联混合的使用形式较为常见。手指的运动和动力由刚性连杆传递，能够抓取大型的物体且结构设计紧凑，可以完成包络抓取。然后，连杆传动在远距离的控制上就比较困难，容易发生弹射，抓取的空间较小，同时尺寸和质量大，运动不灵活等问题难以解决，因此更灵活、更省空间的腱绳传动方案应运而生。

　　腱绳传动是目前灵巧手研究中应用最为广泛的一种传动方式，如目前量产的Shadows Hand即采用了这一传动方式。腱绳在一定程度上模拟了人手的肌腱结构，腱绳传动使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负载和惯量，提升了抓取的速度，灵活性大大提升。同时腱绳适用于空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合，较连杆等传动方式更节省空间。然而腱绳传动也有其应用难点，包括负载能力较弱，预紧力变化大，负载越大效率越低等。

　　（2）DLR/HIT Hand II：共15个自由度，5个手指完全相同，中间关节和末端关节通过钢丝机构耦合运动。

　　德国宇航中心（DLR）与哈尔滨工业大学（HIT）于2007年研制成功了5指机器人灵巧手DLR/HIT II，它是具有多种感知功能的、集成的5指灵巧手。为实现手指的模块化设计，DLR/HIT II的5个手指完全相同，每个手指有3个自由度、4个关节，末端的两个关节通过钢丝机构耦合运动。所有的驱动器、电路板、通信控制等均集成在手指内部。DLR/HIT II的手指由集成于第一个指节内的盘式电动机驱动，通过2.1:1减速比的齿形同步与100:1减速比的谐波减速器相连，谐波减速器的柔轮固定，刚轮带动中间关节转动。中间关节和末端关节采用钢丝机构实现精确的1:1耦合运动，并具有钢丝预紧机构。其电机的连线根钢丝驱动线根霍尔的电源线）Hasy（Hand Arm System）手-臂联合系统：大量采用滑轮与腱绳机构。

　　2010年DLR研制Hasy（HandArmSystem）手-臂联合系统。它由5个手指构成，除无名指具有3个自由度以外，其他手指均具有4个自由度，加上腕部的2个自由度，总共具有21个自由度，多达103个滑轮和腱绳机构。Hasy手是第一个采用仿生学关节进行手指设计的多指灵巧手，手指关节的运动模仿人手进行面接触滑动而不是单纯的转动。Hasy灵巧手的驱动器及其控制系统均置于前臂。

　　直觉外科的达芬奇是全球领先的手术机器人系列，其配套器械多采用线绳驱动，可以实现多自由度与高精度的活动。达芬奇手术机器人采用了线绳+滑轮的结构，其线绳为特殊钢缆材。