2025年机器人灵巧手行业研究：机器人对外交互的核心硬件模块，新变化孕育新机会

1 灵巧手是“五脏俱全”的独立硬件模块，追求一定边界条件下的灵 巧、力量、精度的提升

1.1 灵巧手是人形机器人对外交互的重要窗口，包含驱动/传动/感知三大细分模 块

灵巧手是末端执行器的细分品类，在训练数据易得性、环境适应性等方面更具 优势，是人形机器人的重要组成部分。灵巧手是典型的抓手类末端执行器，其 形态和功能均类似人类手部，能够进行抓取、捏取等精细多样的操作，是人形 机器人与外界环境实现较好交互的重要窗口。手是人类与外界交互的重要渠 道，人类的生活、工作环境均基于人手特点而相应构建，因此类似人手的灵巧 手架构可利用动作捕捉得到的人手运动数据进行模仿学习、强化学习等训练， 从而在远期面对不同环境、不同物件时具有更强的泛化、适应能力，较夹持 器、非仿人灵巧手等其他末端执行器具备更强的环境适应性。

灵巧手的硬件模块包括三部分：驱动系统、传动系统及感知系统。驱动系统的 核心作用是产生运动和力，传动系统将运动和力从驱动系统传导至灵巧手各关 节，感知系统提供灵巧手内部的运行状态及外部环境感知反馈。根据不同应用 场景的特定需求，在驱动结构、驱动方案、传动部件等方面存在多类不同方 案。

1.2 灵巧手在一定边界条件下追求“灵巧性、抓握力、精度”的提升

灵巧手诞生自上世纪 70 年代，朝着多自由度、集成化、仿生化发展。灵巧手概 念自 20 世纪 70 年代产生，随着计算机技术等领域的发展，朝着集成化、智能 化、灵巧化方向持续迭代。灵巧手应用广泛，已在医疗、航空航天、工业等领 域实现应用。

1970s 之后，灵巧手概念随工业领域发展而兴起：日本电工实验室于 1974 年推出的灵巧手 Okada 是现代意义上第一款灵巧手，配置 3 个手指、11 个 自由度，能进行连续抓取运动。麻省理工学院于 1983 年推出的Utah/MIT、斯坦福大学 1984 年推出的 Stanford/JPL 均采用手指完全相同 的模块化结构设计，且灵活性提升，为未来灵巧手研发打下基础。

1990s 之后，灵巧手驱动、控制、感知能力提升，集成化发展：计算机技 术水平提升为灵巧手信号处理能力、控制算法计算能力的提升提供可能， 灵巧手向集成化设计发展。在此期间 UB-II Hand、DLR-I Hand、DISTHand、BH-3Hand 等新型号层出不穷。

2000s 之后，灵巧手持续迭代，性能强化：德国宇航中心在 DLR-I Hand 的 基础上推出 DLR-II Hand，其驱动-传动系统进一步优化，指尖输出力从 10N 增至 30N，具备集成度高、多传感器等特点，主要面向家庭、航空航天 领域。哈尔滨工业大学联合德国宇航中心推出 HIT/DLR-I Hand，采用盘式 电机驱动及谐波减速器+齿形皮带的传动方案。

灵巧手的硬件架构底层逻辑在于小体积/重量、低成本、耐用可靠的边界条件下 追求“灵巧性、抓握力、精度”的提升。与通用自动化部件不同，人形机器人 驱动器的硬件设计和制造需要适应小空间下的集成需求和功率密度需求。结合 应用场景、对外交互等因素，我们认为灵巧手的硬件架构选择核心在于在小体 积&重量、低成本、可靠耐用的边界条件下，追求灵巧性、抓握力、精度的提 升。在现有硬件技术条件下，【灵巧性、抓握力、精度】这三者需求往往存在互 斥的情况，需要根据应用场景、远期优化空间等因素综合考量。

1.3 特斯拉方案演进：增加自由度与传感单元是趋势，最新款灵巧手自由度与人 手基本相当

从解剖结构来看，人手由 27 块骨头构成，分为腕骨、掌骨和指骨： 腕骨（CMC）：由 8 块骨头构成，负责手掌和手指的整体运动。 掌骨（MCP）：由 5 块骨头构成，连接腕骨和指骨，为抓握物体提供支撑。 指骨（IP）：由 14 块骨头（拇指*2+其余四指各自*4）构成，负责抓握物体 和做手势，是人手最重要、复杂的部分。

人手合计包含 24 个自由度，其中拇指、食指和中指的重要性较高。自由度方 面，人手合计有 24 自由度，其中除拇指之外的其余四指各自具有 4 自由度（弯 曲/伸展*3+外展/并拢*1），拇指具有 5 自由度（弯曲/伸展*2+外展/并拢*1+掌 骨节/旋转*2），手掌具有 1 自由度（外展/并拢*1），手腕外展及曲度合计 2 自 由度。根据《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》，力量抓握、精捏、侧捏占 到人手常用动作的 85%，因此拇指、食指及中指具有较高重要性，在灵巧手设计 中应分配更多的自由度。

特斯拉 Optimus 是目前全球人形机器人行业标杆，通过复盘知其灵巧手历经多 轮架构调整，核心主线是增加自由度、增加感知能力，从而带来硬件结构的变 化： GEN1 方案实现“从 0 到 1”，采用经典的单手 6 执行器 11 自由度架构。根据 TESLA AI DAY 2022，Optimus-Gen1 灵巧手采用欠驱动架构（单手 11 自由度，6 执行器），其中拇指采用 2 个执行器分别实现弯曲/伸展、外展/内收运动，非拇 指的四个手指各自采用 1 个执行器，五指末端关节不搭载执行器，进行耦合随动。执行器方案为【空心杯电机-蜗轮蜗杆-腱绳】。凭借对蜗轮蜗杆的使用，其 具有防反驱特点。

GEN2 方案新增“手指触觉传感器”。根据 2023 年 12 月特斯拉官媒，OptimusGen2 灵巧手在 Gen1 基础上，手指部位新增触觉传感器，从而在操作的连贯性、 精细程度上取得显著进步，可用拇指、手指捏取鸡蛋。

GEN3 方案将执行器集成于前臂，在手部体积近似不变的情况下自由度翻倍至 22，无刷电机用量显著提升，腱绳成为类刚需。2024 年 10 月 We Robot 会议结 束后，特斯拉展出 Gen3 灵巧手，其具备 22 自由度（五指*4 自由度+拇指/小指 根部的对掌关节各一个），结合运动学原理，我们判断单手或采用 17 执行器， 从而具备更强的灵活性，自由度基本接近人手水平。从细分硬件架构上，预计 或有如下变化：

驱动&传动模块：采用【电机+丝杠】或【电机+减速器+丝杠】方案，集成 于前臂，从而为手部预留更多空间，在此背景下，成本更具优势的无刷电 机的体积劣势收窄，在手部的用量显著提升。其中蜗杆被负载、定位精度 更高的丝杠替代。由于采用外置式方案，腱绳被广泛应用。

感知模块：根据特斯拉官媒，Optimus 机器人在 Gen3 灵巧手加持下接住飞 来的网球，我们预计手掌或新增压力传感器以提升抓握稳定性。

百万台量产下，灵巧手市场规模或将超 400 亿元，带动各细分部件需求增长。 根据特斯拉 24Q4 业绩会，内部规划 Optimus 于 25 年量产 10000 台并于 26H2 实 现对外交付，产能端按 1000 台/月-1 万台/月-10 万台/月的节奏持续推进，在 百万台销量背景下，单人成本预计低于 2 万美元。我们认为人形机器人逐步走 向量产，规模效应叠加技术工艺优化下，各零部件成本均将显著降低。我们假 设 Optimus Gen3 灵巧手采用 17 个电机/丝杠及 34 根腱绳，初步测算得百万台 产量下对应灵巧手市场空间 428 亿元，其中电机、丝杠对应规模超百亿元。

2 驱动系统：电驱方案为主流，空心杯电机及无刷有齿槽电机或为主要选择

驱动系统是力量之源，产生运动和力，在驱动结构、放置方式、方案选型等方 面均存在不同技术路线，但当前方案基本采用欠驱动下的电机方案。落实到电 机选型上，可选方案包括直流无刷电机、空心杯电机及无框力矩电机，需根据 不同场景的需求进行相应配置。

2.1 驱动结构：可分为全驱动/欠驱动结构，欠驱动方案应用更广泛

根据自由度、驱动源数量的关系，灵巧手驱动结构可分为全驱动及欠驱动：

全驱动灵巧手的驱动源数量等于自由度，操作更精巧，但体积、重量、成 本存在劣势：全驱动灵巧手的所有关节均单独配置驱动器，每个手指关节 均能独立控制，整手具备更强的精细操作能力。但全驱动结构下，驱动器 等硬件零部件用量更大，整手成本更高、结构复杂、体积更大。

欠驱动灵巧手的驱动源数量少于自由度，在牺牲控制精度的情况下实现更 优的体积、重量、成本，应用更为广泛：欠驱动灵巧手存在部分不配置驱 动器的关节（多位于手指末端），进行耦合随动。该结构下驱动器少，结构 简单下体积相应较小，成本也较低，且抓取包络性好。但对应的，欠驱动 灵巧手的控制精度也较低。

2.2 放置方式：外置、混合置或为短期优解

按照驱动系统安装位置的差异，可分为：外置、内置、混合置。在现有电机技 术下，内置方案下执行器数量增长往往对应着灵巧手本体重量及体积的增加， 因此我们认为短期来看外置、混合置或为较优解，但未来随着驱动/传动系统出 现新技术变革，内置亦有广阔发展空间。

外置是早期主要方案，但存在难控制、难维护等问题：外置方案下，驱动 系统安装于灵巧手外部，需要用腱绳连接驱动源与手指末端，可将灵巧手 本体做小，采用体积、力矩更大的电机，但传感器难以直接测量手部状 态，非模块化设计也导致后期维护困难。

内置随技术发展而逐步应用，但在自由度提升趋势下，可能会导致手部体 积、重量的提升：即驱动系统安装于灵巧手内部，解决了外置存在的系列 问题，但手部体积、重量有所提升。

混合置结合内置、外置方案的优点，但仍需采用腱绳传动：驱动系统在本 体及前臂均有安装，此模式下能够结合内置、外置的优势，在提升手指输出扭矩的同时减少本体体积，但由于部分执行器距离关节的位置较远，仍 需采用腱绳传动。

2.3 方案选型：电机驱动更契合灵巧手的需求，为当前主流方案

电机驱动是当前时点最优方案，应用最为广泛：电机驱动通过电机产生力/ 力矩，直接或通过传动机构将力传导至关节促其运动。在电气化率提高背 景下，电能获取及储存相对容易且电-力的转化技术相对成熟，电机具有输 出力矩稳定、精度较高、响应迅速、体积较小等优势，是当前时点的最优 驱动方案，包括特斯拉、Figure、智元等在内的主流主机厂均采用电机驱 动方案。针对人形机器人第一性原理，电机未来或朝着减重、提功率密度 等方向发展。

气压驱动在精度、稳定性、体积存在一定劣势：气压驱动通过压缩空气产 生的压强差作为动力源，兼具低成本、操作简易、响应迅速、柔性强等优 势，但气压受温度、海拔等因素影响，因此精度、稳定性相对受限，且该 方案下的大体积架构不利于远期集成化发展。

液压驱动输出力矩大，但同样在精度、体积等方面受限：液压驱动通过液 体介质的静压力作为动力源实现驱动，输出力矩大。但其在体积、稳定 性、液体泄漏/后期维护等方面存在劣势。 

形状记忆合金驱动是新兴技术路线，在灵巧手应用相对较少：该方案通过 变化温度来对形状记忆合金的形状、机械性能形成影响，其中镍钛记忆合 金材料应用最广泛。其兼具位移大、功率重量比高、方向灵活度高等特 点，但在成本、寿命等方面受限，更适用于高速/高精度/小负载的装配场 景。

2.4 电机选择：可选方案包括直流无刷电机、空心杯电机及无框力矩电机

用于灵巧手的电机方案主要包括直流无刷电机、空心杯电机及无框力矩电机。

直流无刷电机使用寿命、成本更优，但响应速度慢、体积大，适用于高功 率密度、高负载的场景：其转子结构更稳固，因此在稳定性、寿命更具优 势，但其转动惯量较高，因此响应速度慢于空心杯电机。

空心杯电机的核心优势在响应迅速、能量转换效率高，但成本、输出扭矩 存在劣势，适用于快响应、空间/能耗要求高的场景，是当前机器人电驱方 案的主要选择：是微型伺服直流电机的一种，其最大特点是采用无铁芯转 子，消除铁芯形成涡流而产生的电能损耗影响，同时重量、转动惯量显著 更小，在响应速度、功率体积比、运行精度、效率等方面具备优势，能量 转换效率普遍超 85%。但在输出扭矩等方面较其他两种方案存在劣势，所 以常需要行星齿轮箱以提升扭矩，同时其杯型绕组成型工艺复杂，产品良 率、成本存在劣势。

无框力矩电机：其可直接耦合，无需齿轮等传动装置即可驱动负载，具有 低转速、大扭矩的优势，较空心杯电机具有一定成本优势。

3 传动系统：腱绳为主流方案，微型丝杠、微型谐波产业进程提速

传动系统将运动和力从驱动系统传导至灵巧手各关节，对灵巧手抓取的稳定 性、精度、灵活性具有重要作用。传统系统按传动级别可分为三级。其中一级 传动主要用于增强扭矩、提升精度，以蜗轮蜗杆、减速器为主；二级传动包括 齿轮、丝杠等；三级传动用于连接关节末端与驱动系统，包括腱绳、连杆等。

传动系统分歧较大，预计腱绳或为未来主要方案，微型丝杠、微型谐波减速器 有望随技术成熟而广泛应用。齿轮、连杆、腱绳为传统的传动方式，灵巧手早 期广泛应用齿轮、连杆作为传动机构，但二者均存在体积/重量大、柔性程度较 差等问题，腱绳成为当前主流方案。而微型丝杠、微型谐波减速器为新兴传动 结构，在精度、承载力等方面各具优势，随产业成熟推动降本后或广泛应用。

3.1 齿轮/连杆传动：传统的传动方案，存在重量/体积大等问题

齿轮传动兼具稳定性、精度、寿命等优势，但重量、成本较高。原理是将电机 旋转经由齿轮传动化为直线运动，再通过拉动弹簧来驱动手指运动，在工业机 器人等领域广泛应用。其具有精准度高、稳定性强、寿命高等优势，但结构复 杂使得重量、成本较高。根据齿形不同，齿轮可分为直齿轮、锥齿轮和涡轮， 其中直齿轮应用最广泛、安装最容易，可实现较大的减速比和扭矩比；锥齿轮 可改变传动方向，有传动平稳、噪音小、承载力强等优势；涡轮的核心优势在 于在实现最小空间的同事实现较大的运动传动比，且兼具自锁性。

连杆抓取速度较快、承载能力大，但结构复杂、柔性化程度较低。部件包括直 线的驱动连杆和耦合连杆，以及复位弹簧，原理是通过多个连杆串并联的形式 传递力和运动，在工业、商业（如假肢）等领域均有应用。由于传动部件为连 杆，因此其刚性较强，此外还兼具抓取速度快等优势。但其结构复杂、柔性化 不足。

3.2 腱绳传动：多自由度趋势下的必然选择，有望随材料性能提升而广泛应用

腱绳兼具远距传动、灵活柔性等优势，可为传感器等部件预留更多空间，是当 前应用较多的传动方案，但在寿命、负载、精度等方面尚存较大改善空间，或 搭配其他传动机构以实现更优的综合效果。在腱绳传动中，通过丝杠将电机旋 转运动化为直线运动，腱绳一段拉着丝杠螺母，另一端连接灵巧手手指，从而 实现手指绕关节轴的转动。腱绳传动方案下驱动器与执行器可保持较远距离， 减轻执行器末端的负载和惯量，同时手指运动的柔性程度较好。此外，腱绳可 与丝杠、蜗轮蜗杆等其他传动方案配合使用，实现小空间下的多自由度运动。 但腱绳在负载、执行精度、寿命等方面有较大提升空间，且预紧力不稳。

灵巧手腱绳材料主要包括高分子材料和不锈钢材料：  高分子材料（超高分子量聚乙烯纤维/UHMWPE）综合性能相对较强，应用更 多，但成本相对较高。包括 Dyneema 和 Spectra 两类材料，其兼具长寿命 （高强度、耐磨损/腐蚀）、重量低等优势，但成本较高，且易发生形变。 领先的材料供应商包括荷兰 DSM、美国 Honeywell 等。  不锈钢材料性能相对偏弱，技术工艺提升后有望广泛应用于机器人领域。 历史上不锈钢腱绳成本相对较低，但存在寿命较低、安全性差等缺陷，在 灵巧手中的应用相对较少。而以大业股份为代表的厂商正积极研发超高强 度、超高扭转、超高延伸为特点的特种钢丝材料，有望于灵巧手中得到广 泛应用。

3.3 丝杠/减速器传动：手部传动新方向，产业进程持续推进

行星滚柱丝杠兼具高承载、高精度、长寿命、小体积等优势，非常契合人形机 器人场景应用，但降本诉求迫切。根据滑动方式不同，丝杠可分为梯形丝杠、 滚珠丝杠、行星滚柱丝杠，其中行星滚柱丝杠在主丝杠周围放置若干行星滚 子，在作业过程中显著提升受力面积，因此兼具高承载、高精度、高效率、高 可靠性、小体积等优势，在空间紧凑的人形机器人上或广泛应用。但其产业化 进程尚需推进，在生产效率、成本等方面亟待优化。近年来，贝斯特、北特科 技、五洲新春、双林股份等厂商积极布局丝杠业务，加速其产业化落地。

微型谐波减速器精度较高、减速比大（可助力增加输出扭矩），但技术成熟度相 对较低，行业领先企业已纷纷入局。相较于齿轮、行星减速器等方案，其精度 高、体积小、减速比大，但技术成熟度相对较低，产业亟待进一步成熟以实现 降本。边际上，哈默纳科、绿的谐波等谐波减速器领先企业正积极加码微型谐 波减速器的相关研发，绿的谐波已推出针对手指关节的 6mm 外径谐波减速器；哈默纳科于 2023 年东京国际机器人展览会展出搭载微型谐波减速器的灵巧手方 案，直径低至 5mm。

4 感知系统：灵巧手智能化的重要基础，产业发展迈入快车道

感知系统是灵巧手接触外界环境信息的重要桥梁，助力机器人做出更优行动， 向着多区域/柔性化、多模态发展。按照感知区域划分，灵巧手传感器可分为内 部传感器及外部传感器：

内部传感器用于感知灵巧手自身状态，包括力矩/位置/弯曲传感器。力矩 传感器用于感知关节扭矩以对抓取力度大小进行更精准的掌控；位置传感 器多采用编码器、霍尔效应传感器；弯曲传感器用于感知关节的转动角 度，提升灵巧手运动的控制精度。

外部传感器用于感知外界环境，包括接近觉/触觉传感器。接近觉传感器用 于在触碰之前感知物件与灵巧手的相对位置，而触觉传感器用于感知物件 反作用力、质地、温度等信息。

4.1 力传感器：技术逐步走向成熟，多用于指尖、腕部等

力传感器助力力控精度提升，可分为一至六维力传感器。力传感器用于将测量 得到的力矩转化为电信号，可感知张力、压力、重量、扭矩等力学量，提升力 控精确度。按测量方向的数量，可分为一至六维力传感器。其中六维力传感器 可同时测量三个轴向力及三个轴向力矩，性能最优但制备壁垒、定价最高，在 人形机器人中多用于手腕、脚踝处，而一维力传感器多用于内部关节处。 六维力传感器广泛用于汽车、航空航天等领域，可为机器人提供更精准的力感 信息，提升其柔顺控制水平。力传感器是将力的量值转换为电信号的器件。根 据感力原件的不同，传感器可分为应变式/光学式/压电/电容式力传感器，目前 市场主要应用应变式方案，其他方案有一定理论研究，但尚未广泛应用。六维 力传感器壁垒最高，性能最优异。目前六维力/力矩传感器主要应用于机器人、 汽车、航空航天、生物医学等领域。六维力/力矩传感器或应用于人形机器人的 手、足部位，为机器人的力控制和运动控制提供力感信息，助力其提升柔顺 化、智能化控制水平。从长周期维度来看，随着算法迭代优化，六维力传感器 在人形机器人上的用量或存在一定分歧，但我们认为在短期层面六维力传感器 仍将是机器人的重要组成部分。

我国六维力传感器市场规模较小，未来或维持高增。根据 GGII，2022 年我国六 维力/力矩传感器市场规模同比增 52%至 2.39 亿元，其中来自机器人的需求规模 达 1.56 亿元。未来随着应用领域拓展叠加入局者增加，预计到 2027 年，我国 六维力/力矩传感器市场将以超 45%的 CAGR 增至超 15 亿元，产品矩阵及单价或 进一步优化。 六维力传感器壁垒高，主要由海外主导，国内如坤维科技等企业积极发展。受 限于高壁垒，目前六维力/力矩传感器市场仍由 ATI、ROBOTOUS 等海外企业主 导，国内具备批量产品供应的企业较少，国内企业主要包括坤维科技、鑫精 诚、宇立仪器、蓝点触控、海伯森、昊志机电等。其中宇立产品主要应用于机 器人磨抛、汽车碰撞测试等领域，坤维科技在协作机器人、医疗手术机器人、 航空航天等领域具备优势，鑫精诚以苹果供应链身份将其产品推广至 3C，在机 器人、医疗行业也有布局。其他如柯力传感、东华测试等上市公司也在凭借技 术积淀积极推进研发及客户送样进程。

4.2 触觉传感器：已有少量应用，产业进程迈入快车道

电子皮肤从泛用性及仿生性角度可能是机器人触觉的终极方案。柔性触觉传感 器由柔性材料制成，具备良好延展性、柔韧性，结构形式多样，在医疗电子、 机器人、3C 等领域具良好应用前景。根据感知原理的差异，柔性触觉传感器可 分为电容式/压阻式/光电式/压电式/磁敏式/超声式传感器，其中电容式/压阻 式/压电式传感器应用较为广泛。电子皮肤可实现温度、湿度、压力等多功能感 知能力，是触觉传感器的“升级版”。在特斯拉第二代 Optimus 机器人的宣传视 频中，其灵巧手搭载触觉传感器，完成精准捏住鸡蛋的操作。未来 Optimus 机 器人手指、面部等部位或搭载电子皮肤以获得更优秀的感知交互能力。 国内外企业及院校均积极开展电子皮肤相关研究，其产业化进程或迈入快车 道。根据汉威科技公众号，预计 2021-2028 年全球柔性传感器市场规模年复合 增速达 6.8%，2028 年可达 84.7 亿美元。目前 MIT、清华大学等科研院校积极就 柔性传感器、电子皮肤开展相关研究，国内如能斯达、三三智能均有产品落 地。

编辑：火腿肠