機(jī)器之心原創(chuàng)

作者：張倩

人類手部是自然進(jìn)化的杰出產(chǎn)物，從早期靈長類的簡單結(jié)構(gòu)演變而來，兼具力量與靈活性。

在「用進(jìn)廢退」原則的驅(qū)動下，拇指逐漸變長且肌肉發(fā)達(dá)，能夠與其他手指精準(zhǔn)對握，實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作。手部由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，具有高度靈活性，可完成捏、握、夾等多種動作。此外，手部皮膚富含觸覺感受器，能夠感知壓力、溫度和紋理等信息，為操作提供精準(zhǔn)反饋。憑借卓越的靈巧性和精細(xì)控制能力，手部能夠執(zhí)行多樣化任務(wù)，成為人類與物理世界交互的關(guān)鍵工具。

人手構(gòu)型演化過程

以人為參照的機(jī)器人系統(tǒng)一直是人類的夢想，如果能在機(jī)器人身上復(fù)刻人手的這些能力，具身智能的未來會是什么樣子？

隨著人工智能從信息世界向物理世界不斷延伸，越來越多的人開始思考這個(gè)問題，由此衍生出「靈巧手」這個(gè)重要方向。

但讓「靈巧手」像人手一樣靈活并非易事。人手在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的靈巧性、柔順性和魯棒性，能完成精細(xì)操作和力量型任務(wù)，其優(yōu)勢源于肌肉骨骼的串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)、高冗余肌肉骨骼剛?cè)狁詈向?qū)動、皮膚感知多元信息、肌腱驅(qū)動的被動柔性和變剛度特性，以及神經(jīng)機(jī)理控制等。

然而，人手的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制難以完全解釋和模擬，存在功能解釋模糊、物理器件模擬不足、非線性驅(qū)動機(jī)理難以推導(dǎo)、多尺度操作泛化困難等問題。此外，生物與人工系統(tǒng)在驅(qū)動、傳感和控制上的本質(zhì)差異，導(dǎo)致機(jī)器人手在緊湊性、靈巧性和環(huán)境適應(yīng)性上仍顯不足。在有限空間內(nèi)集成驅(qū)動、傳感等模塊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)力量、速度和精度的平衡，是工程上的巨大挑戰(zhàn)

所以，雖然我們現(xiàn)在能在市場上看到不少號稱「靈巧」的靈巧手，但它們中的大多數(shù)要么結(jié)構(gòu)笨重，要么動作僵硬，一旦離開預(yù)設(shè)的理想環(huán)境，就無法完成精細(xì)復(fù)雜的任務(wù)。

不過，在最近的世界機(jī)器人大會上，一款「靈巧手」刷新了我們的認(rèn)知。

可以看到，這只「手」精確地還原了人手的結(jié)構(gòu)，每根手指都展現(xiàn)出令人驚嘆的靈活性。拇指與其他手指的配合更是精妙 —— 不僅能夠緊密配合完成抓握，還能模擬出細(xì)膩的捻轉(zhuǎn)動作。球在指尖的滾動是如此自然，無論朝哪個(gè)方向運(yùn)動都沒有滑落。這樣的靈巧手不只是技術(shù)的展示，更像是對人類手部功能的深度理解與重新詮釋。

即使在匯聚頂尖機(jī)器人技術(shù)的世界機(jī)器人大會上，這樣的五指靈巧手也屬罕見。它的意義遠(yuǎn)超簡單的三指、兩指機(jī)械手 —— 真正向人手的「掌內(nèi)操作」這一核心能力發(fā)起了沖擊。通過五指與手掌的精密協(xié)同，它能夠適應(yīng)不同形狀、尺寸和材質(zhì)的物體，這種廣泛的適應(yīng)性是機(jī)器人融入真實(shí)物理世界的關(guān)鍵。

那么，這款靈巧手究竟攻克了哪些行業(yè)難題？為了探尋其背后的技術(shù)奧秘，我們與它的研發(fā)公司 —— 靈巧智能聊了聊。他們向我們揭示了一條艱難而有前景的道路，一條以「柔性」駕馭「剛性」世界的前沿技術(shù)路線。

自由度的「幻覺」

為何 80% 的靈巧手淪為擺設(shè)？

你有沒有想過，為什么人有五根手指？為什么這些手指的結(jié)構(gòu)、長度、自由度、關(guān)節(jié)數(shù)是現(xiàn)在這個(gè)樣子？當(dāng)然，從進(jìn)化的角度來講，這里面有一定的偶然性。但這種高度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)確實(shí)賦予了人類諸多便利。

以我們最常用的大拇指為例，它有個(gè)很重要的功能叫「對指」，也就是能和其他四指「面對面」碰在一起，這個(gè)動作占全手功能的 40%。沒有它，我們的手就只能像夾子一樣平行開合，像握住水杯、捏筆寫字、按手機(jī)屏幕這樣的小事都做不好，更不用說握錘釘釘子、穿針引線這種精細(xì)動作。

其他四指也各有各的用途，比如食指運(yùn)動靈活，常承擔(dān)精細(xì)操作任務(wù)；中指在支撐和平衡中起關(guān)鍵作用；無名指與中指和小指的協(xié)同性強(qiáng)，主要用于增強(qiáng)抓握的穩(wěn)定性；小指雖短小，卻是擴(kuò)大手掌接觸范圍的重要部分。

人手的機(jī)動性能優(yōu)勢源于運(yùn)動學(xué)串并混聯(lián)、動力學(xué)剛?cè)狁詈衔锢硖匦�，以人手解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和功能為參照的類人機(jī)械靈巧手憑借其復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方式，更有希望模擬人手的靈活運(yùn)動與精細(xì)控制，具備執(zhí)行高級類人操作的潛力。因此，要想做出能讓機(jī)器人與物理世界高效交互的靈巧手，在形態(tài)和功能上都做到充分「仿生」是一條很有希望的路線。

然而，從目前市場上已有的產(chǎn)品來看，能滿足這一點(diǎn)的寥寥無幾。

有些產(chǎn)品依然停留在非五指形態(tài)（二指、三指、四指等），這類產(chǎn)品雖然在特定場景有成本或結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，但存在顯著功能缺陷。比如二指只能像鑷子一樣夾東西，抓球容易掉，不方便擰瓶蓋，也做不了精細(xì)的捏取動作；三指比二指穩(wěn)一點(diǎn)，但手指配合不好，缺乏對掌結(jié)構(gòu)（拇指模擬），精細(xì)操作（寫字、按鍵）和多樣化抓取模式（側(cè)捏、鉤握）受限。四指已經(jīng)很像人手了，但「假拇指」不夠靈活，用工具還是笨手笨腳，而且算法復(fù)雜度高而功能提升邊際效益遞減。

不同指數(shù)靈巧手

還有些產(chǎn)品雖然做成了五指形態(tài)，但在功能上只復(fù)現(xiàn)了三指的能力。多出的兩根手指不僅增加成本、降低可靠性，還讓控制算法更復(fù)雜，最終效果卻比不上優(yōu)化過的三指設(shè)計(jì)。

這就造成了一個(gè)尷尬的局面：雖然市面上大部分靈巧手都賣了出去，但由于并不好用，其中的 80% 都淪為擺設(shè)，商業(yè)化前景堪憂。

這背后其實(shí)反映了一個(gè)核心問題：很多靈巧手廠家只是把「自由度數(shù)（DOF）」做上去了，但在真正能反映靈巧手可用性的靈巧度（ Dexterity）指標(biāo)上，很多都不達(dá)標(biāo)。而后者才是一款產(chǎn)品是否好用的關(guān)鍵。

為什么這么說呢？我們知道，「自由度」這個(gè)概念指的是能夠獨(dú)立運(yùn)動的軸數(shù)，一根具有多個(gè)關(guān)節(jié)的手指，每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)或彎曲都可以算作一個(gè)自由度。所以，很多擁有五個(gè)手指的靈巧手都可以把自由度做到很高。但靈巧智能告訴我們，單看這個(gè)指標(biāo)意義不大，因?yàn)檎嬲撵`巧度是一個(gè)綜合性的概念，涉及運(yùn)動精度、抗干擾能力、動態(tài)調(diào)整速度等綜合維度。只有把這些都做好，靈巧手才能真正變得有用。

那么，「自由度數(shù)」高了，為什么靈巧度上不去？這和技術(shù)路線的選擇有很大關(guān)系。

簡單來講，當(dāng)前靈巧手的技術(shù)路線可以分為兩類：剛性直驅(qū)和柔性傳動。

剛性直驅(qū)就是用齒輪、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、連桿等機(jī)構(gòu)，直接傳遞電機(jī)扭矩。這樣做的好處很明顯：精度高、反應(yīng)快、可靠性強(qiáng)。

采用剛性直驅(qū)的 DLR Hand。

但這種路線的缺點(diǎn)也很多，包括：

• 功率密度和散熱問題：手指空間有限裝不下大電機(jī)，雖然電機(jī)扭矩隨體積呈指數(shù)級增長，但空間限制導(dǎo)致功率密度低。長時(shí)間高負(fù)荷工作會嚴(yán)重發(fā)熱，甚至讓永磁體退磁，縮短電機(jī)壽命。
• 靈活性與負(fù)載能力矛盾：靈巧操作需要小減速比來保證反驅(qū)能力，但高負(fù)載能力又需要大減速比。這種根本矛盾讓減速器設(shè)計(jì)要求極高、成本昂貴，成了大規(guī)模應(yīng)用的障礙。
• 微型化制造難題：微型電機(jī)和精密減速器制造難度大、成本高。減速器末級齒輪因體積小強(qiáng)度不足，容易損壞，影響長期可靠性。
• 傳感器集成困難：高集成度機(jī)電系統(tǒng)占據(jù)手指大部分空間，力傳感器、位置傳感器等關(guān)鍵元件幾乎沒有安裝位置。

這些限制的存在導(dǎo)致很多靈巧手廠家不得不在靈活性、耐用性、感知能力等方面做出妥協(xié)。但靈巧智能不想妥協(xié)，所以從一開始就選擇放棄這條路線，轉(zhuǎn)向更難但限制更少的柔性傳動。

繩驅(qū)：一條更難，但更仿生的路

所謂的柔性傳動，其實(shí)是借鑒了人手肌腱系統(tǒng)的力學(xué)特性和功能原理，借助鋼絲繩、高分子纖維等柔性材料，通過滑輪、導(dǎo)管等引導(dǎo)裝置，將遠(yuǎn)端電機(jī)的動力傳遞到手指關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)類似生物肌腱「遠(yuǎn)端控制」的驅(qū)動效果。

其中，高動態(tài)響應(yīng)直流電機(jī)與易于狹小空間傳動的柔性材料「腱繩」結(jié)合來模擬肌肉驅(qū)動效果，驅(qū)動電機(jī)可放在手掌內(nèi)或小臂里。如此一來，機(jī)器手指就可以變得更輕、轉(zhuǎn)動更靈活。電機(jī)也可以用更大的功率來驅(qū)動，而不用擔(dān)心過熱問題。

靈巧手的作業(yè)特點(diǎn)與傳統(tǒng)機(jī)械臂等剛性機(jī)構(gòu)存在本質(zhì)差異，多指協(xié)同與接觸柔順性成為首選特性，而繩驅(qū)動具備本質(zhì)「被動柔順性」。

我們知道，工業(yè)機(jī)器人時(shí)代追求「硬」—— 高剛性保證精確定位；而具身智能時(shí)代的靈巧手要在復(fù)雜環(huán)境中工作，需要「軟」—— 被動柔順性讓靈巧手遇到意外時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整而非硬碰硬，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)柔順與本質(zhì)安全性。繩驅(qū)系統(tǒng)的腱繩天然柔軟，遇阻力時(shí)會自然彎曲松弛，提供了天然的被動柔順性，這讓靈巧手在預(yù)測驅(qū)動時(shí)能更好地處理不確定性，實(shí)現(xiàn)更智能、安全的交互。因此，我們看到，特斯拉 Optimus 以及著名的 Shadow Hand 都采用了繩驅(qū)方案，因?yàn)樗系谝恍栽怼?/p>

靈巧智能采用了一種創(chuàng)新的繩驅(qū)方案 ——「串并混聯(lián)的雙繩正反向剛?cè)狁詈向?qū)動」設(shè)計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)了集串并混聯(lián)、剛?cè)狁詈�、全掌力感知和柔順控制于一體的高密度「驅(qū)動 - 傳動 - 感知 - 控制」機(jī)電一體化靈巧手。這種靈巧手能夠像人手一樣，在其可觸及的立體空間內(nèi)，從任意角度以手指對捏的方式，穩(wěn)穩(wěn)地抓住物體，展現(xiàn)出極高的靈活性和操作能力。

所謂「串并混聯(lián)的雙繩正反向剛?cè)狁詈向?qū)動」，是指通過兩根繩子主動控制手指的相反運(yùn)動，并在手指內(nèi)部采用串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)，賦予其剛?cè)狁詈系牧W(xué)特性。這種設(shè)計(jì)既能保證運(yùn)動精度，又能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)柔順性控制。

與傳統(tǒng)的單繩驅(qū)動相比，單繩驅(qū)動僅靠一根繩子主動拉動手指彎曲，依靠彈簧被動回彈實(shí)現(xiàn)伸直；而雙繩驅(qū)動則通過兩根繩子的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)手指的彎曲、伸展和雙向側(cè)擺的主動控制。這種主動控制能力使靈巧手的反應(yīng)速度更快、力度控制更精準(zhǔn)，抗干擾能力也顯著提升。此外，每個(gè)手指的活動空間擴(kuò)大，手指之間的對捏抓取范圍更廣，進(jìn)一步增強(qiáng)了靈巧手的靈活性和操作能力。

當(dāng)然，其他靈巧手廠家不上繩驅(qū)，并不是因?yàn)椴幌�，而是這個(gè)方向?qū)嵲谑翘珓裢肆�。隨之而來的很多技術(shù)挑戰(zhàn)都難以克服，比如腱繩在傳動路徑中會與滑輪等部件反復(fù)摩擦，導(dǎo)致自身磨損、能量效率下降和由繩傳動遲滯性導(dǎo)致的控制精度降低等問題；腱繩要在各種工況下始終保持不松動也不過緊的恒定張力，以確保靈巧手能穩(wěn)定、精確地工作；此外，你還要在狹小的手部空間內(nèi)，為數(shù)十根復(fù)雜的腱繩規(guī)劃出高度耦合的路徑，并解決由此帶來的維修困難以及傳感器難以嵌入的問題。

而且，這些挑戰(zhàn)并非孤立存在，而是相互放大 —— 摩擦導(dǎo)致預(yù)緊力衰減，預(yù)緊力不足又加劇繩 - 輪之間滑動磨損，而復(fù)雜的集成結(jié)構(gòu)使得任何單點(diǎn)故障都可能引發(fā)系統(tǒng)級癱瘓。

為了解決這些問題，靈巧智能進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新：

• 應(yīng)對摩擦損耗：從最終的技術(shù)指標(biāo)反向推導(dǎo)，選用抗拉、耐磨的高強(qiáng)度多股編織纜繩；同時(shí)在設(shè)計(jì)上優(yōu)化滑輪與導(dǎo)管布局，并在必要時(shí)改進(jìn)工藝以提升干摩擦效率。
• 確保預(yù)緊力穩(wěn)定性：在傳動系統(tǒng)中串聯(lián)了彈性組件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)緊力的自動補(bǔ)償，在底層控制算法上結(jié)合關(guān)節(jié)角度編碼器與電機(jī)端位置傳感器實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)緊調(diào)整，從而避免了復(fù)雜的人工校準(zhǔn)，保證長時(shí)間穩(wěn)定工作。
• 降低系統(tǒng)集成復(fù)雜度：采用了模塊化手指設(shè)計(jì)與次序控制的欠驅(qū)動設(shè)計(jì)，在保留人手關(guān)鍵功能的同時(shí)，對體積和重量進(jìn)行了優(yōu)化。

目前，這些方案已經(jīng)在靈巧智能的最新產(chǎn)品 ——22 個(gè)自由度的高自由度靈巧手DexHand021 Pro中落地。

得益于這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，DexHand021 Pro 通過兩組直線推桿電機(jī)模擬人手腕正交關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，有效減小手掌回轉(zhuǎn)半徑，實(shí)現(xiàn)了靈巧手空間靈活性與負(fù)載能力的平衡。大拇指受力關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)（4 個(gè)較大功率空心杯電機(jī)）被安裝在小臂部分，通過自潤滑導(dǎo)管線結(jié)構(gòu)解決了胯關(guān)節(jié)繩驅(qū)動力傳輸問題，從而實(shí)現(xiàn)大負(fù)載力輸出。

在僅 260×86×50mm 的手掌空間內(nèi)，它集成了四指全部驅(qū)動（12 個(gè)空心杯電機(jī)），并配備了全關(guān)節(jié)位置傳感、多點(diǎn)陣高精度力傳感（指尖、指腹與掌心）、基于 MCU 內(nèi)置預(yù)驅(qū)與 Ether-CAT 的高速硬實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)，以及散熱模塊等，總重僅 2kg。通過串并混聯(lián)手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，充分調(diào)動多電機(jī)功率協(xié)同，實(shí)現(xiàn)四指單指負(fù)載 > 1kg，大拇指負(fù)載 > 2kg，抓握負(fù)載 > 5kg，持續(xù)工作溫度 <70℃，壽命> 50 萬次等。這種「緊湊集成 + 輕量化 + 高性能輸出 + 穩(wěn)定可靠」的工程化平衡，在當(dāng)前市場上極為罕見。

回歸商業(yè)本質(zhì)

為「用」而生，不為「售」而造

能把靈巧手做到這個(gè)水平，是時(shí)候大規(guī)模出貨了吧？在被問及這個(gè)問題時(shí)，靈巧智能卻表示，他們不著急。

「整個(gè)靈巧手行業(yè)大部分還處在『科 - 工 - 貿(mào)」的『科』階段，產(chǎn)品和行業(yè)都沒成熟」靈巧智能的 CEO 周晨解釋說。他們認(rèn)為，在這個(gè)階段追求出貨量沒有意義，「質(zhì)量比數(shù)量更重要」，他們更關(guān)心的是真正會使用靈巧手的客戶。

周晨提到，目前采購靈巧手的客戶大致分兩類：一類是給人形機(jī)器人配個(gè)手，可能只是個(gè)樣子貨，并不真的干活；另一類是真的拿這個(gè)手做靈巧操作。后者才是靈巧智能的主要目標(biāo)用戶。

針對這類用戶，靈巧智能的產(chǎn)品不僅做到了高自由度、高靈巧度，還實(shí)現(xiàn)了極高的可靠性、參數(shù)一致性和超高性價(jià)比（同樣采用繩驅(qū)路線的 Shadow 售價(jià)高達(dá) 100 多萬，但靈巧智能做到了 10 萬以內(nèi)）。因此，對高自由度靈巧手有需求的國內(nèi)外頂級高校、企業(yè)實(shí)驗(yàn)室大多都是靈巧智能的用戶，這些機(jī)構(gòu)已經(jīng)利用靈巧智能的產(chǎn)品產(chǎn)出了優(yōu)秀的科研成果。

節(jié)卡機(jī)器人基于靈巧智能的靈巧手打造的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

自變量機(jī)器人與靈巧智能合作打造的自動發(fā)牌機(jī)器人。

目前看來，在靈巧手的硬件機(jī)構(gòu)方面，靈巧智能已經(jīng)非常接近終局。其采用的成熟空心杯電機(jī)驅(qū)動方案，不僅技術(shù)門檻低、供應(yīng)鏈穩(wěn)定，還能大幅降低成本，這使得他們的靈巧手具備快速量產(chǎn)的條件。

靈巧智能表示，他們接下來要重點(diǎn)提升感知能力和智能化水平，主要攻克人手級柔順控制、環(huán)境理解與靈巧操作模型算法等關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品將主要面向汽車制造、3C 電子等工業(yè)場景，既能適應(yīng)結(jié)構(gòu)化環(huán)境，也能應(yīng)對非結(jié)構(gòu)化挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)工具及儀器設(shè)備使用和精密裝配等類人操作，滿足全天候連續(xù)作業(yè)需求。同時(shí)，他們將與行業(yè)伙伴共同推動靈巧手與靈巧操作技術(shù)的成熟落地，真正解放人類的雙手。

靈巧智能與他山科技合作，開源了基于 MuJoCo 的觸覺傳感器仿真框架，實(shí)現(xiàn)了靈巧手與觸覺傳感器的深度融合。

以「手」為鑰

從「信息智能」邁向「物理智能」

當(dāng)前，我們正處于一個(gè)從「信息智能」向「物理智能」跨越的關(guān)鍵歷史節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)進(jìn)程中，機(jī)器人與物理世界交互的能力，尤其是靈巧操作的能力，已然成為最明顯的短板。就像馬斯克所說，「從機(jī)電系統(tǒng)角度來看，手部可能占機(jī)器人總工程量的一半」。

靈巧智能通過繩驅(qū)技術(shù)方案，證明了高自由度靈巧手從理論到工程化的現(xiàn)實(shí)可行性，為行業(yè)從「參數(shù)堆砌」轉(zhuǎn)向「真實(shí)可用」提供了重要參考。

展望未來，真正的智能交互必然是「腦（決策）- 手（執(zhí)行）- 感知（反饋）」的高度協(xié)同。靈巧智能的高自由度靈巧手為算法研究人員提供了穩(wěn)定可靠的硬件平臺，讓他們能夠?qū)Ｗ⒂谥悄芩惴ǖ难邪l(fā)創(chuàng)新。同時(shí)，靈巧智能本身也在向這一方向發(fā)力，與整個(gè)行業(yè)一起推動感知、決策、執(zhí)行三者從割裂走向融合。

當(dāng)硬件的可靠性問題得到解決，當(dāng)算法的智能化程度不斷提升，當(dāng)「感知 - 決策 - 執(zhí)行」形成完整閉環(huán)，真正的通用人工智能時(shí)代也就不遠(yuǎn)了。

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