編者按： 機(jī)器人能否真正「心靈手巧」，關(guān)鍵就在這最后一厘米——靈巧手。它集機(jī)械、傳感與 AI 技術(shù)之大成，突破了傳統(tǒng)夾爪的局限，正從工業(yè)工具進(jìn)化為更具自主性的「類人智能體」。

具身智能熱潮下，靈巧手也走到了臺(tái)前。星河頻率特別策劃靈巧手系列文章，深入這場(chǎng)關(guān)于「觸覺(jué)」、「操控」與「創(chuàng)造」的技術(shù)革命核心。

我們將不僅關(guān)注精巧關(guān)節(jié)背后的硬核科技，更將探討技術(shù)狂熱之下關(guān)于「能力邊界」與「人機(jī)共生」的深層思考。

我們將與所有關(guān)注未來(lái)的同行者一起，共同探索那雙「靈巧之手」所能觸及的、人機(jī)協(xié)作的終極新邊界。

作者 | 毛心如

剝雞蛋、拿手機(jī)拍照、當(dāng)廚師的同時(shí)兼任管家，這一回 Sharpa 的靈巧手展示了展示了它在更豐富、更貼近日常的家庭場(chǎng)景中的綜合作業(yè)能力。

自今年 4 月首次在 ICRA 展會(huì)公開亮相以來(lái)，Sharpa 一直頭頂「最強(qiáng)靈巧手之一」的光環(huán)。

目前，國(guó)內(nèi)廠商普遍采用連桿傳動(dòng)方案，而新晉玩家則多將腱繩、或腱繩+連桿傳動(dòng)方案作為核心技術(shù)路徑。

但在 Sharpa 一系列高端操作的背后，走的卻是一條頗為小眾的技術(shù)路線——直驅(qū)傳動(dòng)。

神秘的最強(qiáng)者，Sharpa

今年 10 月，Sharpa 宣布其靈巧手產(chǎn)品 SharpaWave 開始量產(chǎn)，并逐步向客戶交付。

盡管是一家來(lái)自新加坡的新秀公司，Sharpa 在一眾頭部玩家中卻顯得有些低調(diào)。不僅未在國(guó)內(nèi)開通社交賬號(hào)，其在國(guó)外平臺(tái)的宣傳也較為有限，最集中的展示仍集中在今年的幾次國(guó)際性展會(huì)上。

不過(guò)，這家新加坡公司對(duì)國(guó)內(nèi)玩家來(lái)說(shuō)并不陌生，它與國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)公司禾賽科技淵源頗深。

公開信息顯示，Sharpa 的公司法人為施葉舟，曾任禾賽的戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人；而姚鵬現(xiàn)任全球業(yè)務(wù)拓展負(fù)責(zé)人，此前同樣負(fù)責(zé)過(guò)禾賽的商務(wù)業(yè)務(wù)。

當(dāng)然，公司背景只是水面下的冰山一角，真正讓 Sharpa 摘得「最強(qiáng)」頭銜的，還是其已經(jīng)浮出水面的產(chǎn)品實(shí)力。

SharpaWave 之所以引人注目，首先在于它是一款 22 自由度的五指靈巧手，采用直驅(qū)傳動(dòng)方案，意味著它擁有 22 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的能力，不僅在結(jié)構(gòu)上高度仿照人手，也幾乎復(fù)刻了人手的靈活性。

此外，通過(guò)獨(dú)特的同構(gòu)架構(gòu)設(shè)計(jì)，它在結(jié)構(gòu)上以 1：1 比例高度仿生人手。

22 個(gè)自由度中，包括 15 個(gè)彎曲與伸展自由度，6 個(gè)側(cè)向移動(dòng)自由度，1 個(gè)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度。

通常，靈巧手的指關(guān)節(jié)僅具備單向彎曲能力，橫向移動(dòng)能力較弱。

而 SharpaWave 的 6 個(gè)側(cè)向自由度，使手指能在抓取過(guò)程中橫向展開或聚攏，從而更好地適配不同大小和形狀的物體，實(shí)現(xiàn)接近人手的包覆式抓取與自然張手姿態(tài)。

手掌的 1 個(gè)內(nèi)旋自由度則賦予手掌扭轉(zhuǎn)能力，增強(qiáng)了手內(nèi)操作能力，使物體能夠在手內(nèi)被轉(zhuǎn)動(dòng)。

之前在 ICRA 上，SharpaWave 通過(guò)手指、手掌的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)讓鬧鐘在手中旋轉(zhuǎn)，是其他大部分廠商難以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。

除了動(dòng)得靈活，SharpaWave 還在力量與速度這兩方面實(shí)現(xiàn)了兼顧。

其指尖輸出力超過(guò) 20N，所有手勢(shì)動(dòng)作的操作頻率可達(dá) 4Hz 以上，因此能夠輕松且精準(zhǔn)地完成從高頻操作到重載抓取在內(nèi)的多樣化任務(wù)。

然而，SharpaWave 最引人矚目的優(yōu)勢(shì)，還在于其先進(jìn)的觸覺(jué)感知能力。這得益于其搭載的動(dòng)態(tài)觸覺(jué)陣列專有系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法驅(qū)動(dòng)，可在 0-30N 的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá) 0.005N 的靈敏度。

憑借每秒 180 幀的數(shù)據(jù)采集速率和小于 1 毫米的空間分辨率，能夠支持實(shí)時(shí)紋理識(shí)別與六維力檢測(cè)等功能，使機(jī)器人操作更接近人類水平的感知。

目前 SharpaWave 靈巧手已能實(shí)現(xiàn)發(fā)牌、使用拍立得、拿手機(jī)拍照、簡(jiǎn)易做菜、收拾桌面等任務(wù)。

除了性能強(qiáng)悍、作業(yè)精細(xì)，SharpaWave 還通過(guò)了 100 萬(wàn)次連續(xù)握持循環(huán)無(wú)故障認(rèn)證，每個(gè)關(guān)節(jié)均可反向驅(qū)動(dòng)，具備出色的耐用性和抗碰撞能力。

當(dāng)然，盡管 SharpaWave 被譽(yù)為「最強(qiáng)靈巧手」，卻也存在美中不足。

其一是 5 萬(wàn)美元的售價(jià)，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)靈巧手市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)下探的背景下，顯得偏高；其二是單只手重量達(dá) 1200g，整體而言仍然偏重。

四大直驅(qū)靈巧手代表

除了 SharpaWave 之外，采用直驅(qū)傳動(dòng)方案的靈巧手還有星動(dòng)紀(jì)元的 XHAND1、舞肌科技的 Wuji Hand 以及兆威機(jī)電的 DM17。

如果說(shuō) SharpaWave 堪稱最強(qiáng)靈巧手之一，那么星動(dòng)紀(jì)元的 XHAND1 也配得上這一稱號(hào)。

XHAND1 擁有 12 個(gè)自由度，其中大拇指和食指各 3 個(gè)，其余手指各 2 個(gè)；其食指具備 1 個(gè)側(cè)擺自由度，可完成旋擰動(dòng)作。

負(fù)載能力方面，XHAND1 單指最大負(fù)載超 5kg，整手可舉起 25kg 重物。

不同于行業(yè)內(nèi)主流的欠驅(qū)動(dòng)方案，XHAND1 采用純齒輪準(zhǔn)直驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所有關(guān)節(jié)均支持反驅(qū)，主動(dòng)關(guān)節(jié)均在本位且全部解耦。

這不僅使其具備出色的抗沖擊性能，也為模仿學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等 AI 算法的開發(fā)提供了極大的靈活性。

感知層面，XHAND1 每個(gè)指尖都搭載了陣列式高精度觸覺(jué)傳感器，能采集 120-300 個(gè)均勻分布的三維力數(shù)據(jù)，最小分辨率達(dá) 0.05N，從而支持機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)力控。

得益于性能過(guò)硬與算法友好的優(yōu)勢(shì)，已有不少國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)采用 XHAND1 在頂會(huì)與期刊上發(fā)表研究論文。

而舞肌科技的 Wuji Hand，則可說(shuō)是這四款靈巧手中最為特別的一款，因?yàn)樗�的多�?shù)演示 demo 都需佩戴一只黑色手套。

這只手套是舞肌采用的壓阻式觸覺(jué)手套，而裸機(jī)本身并不帶觸覺(jué)方案，售價(jià)為 5 萬(wàn)元。

Wuji Hand 擁有 20 個(gè)自由度，單手重量 550g，單指指尖輸出約 15 N，整手靜態(tài)握持載荷約 20kg。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分巧妙，幾乎不存在耦合關(guān)節(jié)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是每個(gè)指間關(guān)節(jié)都可被單獨(dú)控制，而非幾段手指被一根腱繩捆綁運(yùn)動(dòng)。正因如此，它在關(guān)節(jié)層級(jí)的可控性更高，甚至能做出一些人手也難以單獨(dú)完成的姿態(tài)。

從現(xiàn)有展示看，其外包觸覺(jué)手套的功能仍有提升空間，但這一設(shè)計(jì)本身也充滿了創(chuàng)意。

這不僅是一種更新、更全面的觸覺(jué)感知布局方式，而且軟包內(nèi)部還可填充緩沖材料，提供一定的減震與緩沖效果，避免抓取時(shí)完全是硬金屬與硬塑料的直接接觸。

美國(guó)機(jī)器人專家 Scott Walter 就曾在公開平臺(tái)表示，Wuji Hand 可入選他心目中當(dāng)前公開靈巧手的 Top 3 候選。

而兆威機(jī)電原本是上游零部件廠商，今年半跨界地將業(yè)務(wù)延伸至靈巧手整機(jī)制造。DM17 作為今年發(fā)布的產(chǎn)品之一，承載了將核心部件能力整合為完整解決方案的理念。

DM17 有 17 個(gè)自由度，外部設(shè)計(jì)貼近人手，內(nèi)部核心組件的壽命超過(guò) 1 萬(wàn)小時(shí)，能夠在長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作中保持穩(wěn)定性能。

這款手的定位更偏向工業(yè)裝配領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的負(fù)載能力和精準(zhǔn)的定位精度。

通過(guò)內(nèi)置傳感器，DM17 具備較強(qiáng)的自適應(yīng)抓取功能，面對(duì)各種形狀、各種材質(zhì)的物品，能夠快速識(shí)別并調(diào)整抓取策略，保證穩(wěn)定抓取。

作為上游玩家的跨界之作，DM17 最大優(yōu)勢(shì)就在內(nèi)置的三款電機(jī)，分別是指尖電機(jī)、拇指并排電機(jī)和掌心直線推桿電機(jī)。三款電機(jī)各司其職：

指尖電機(jī)負(fù)責(zé)末端精細(xì)調(diào)控，可在毫米級(jí)范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，適用于精密裝配任務(wù)

拇指并排電機(jī)增強(qiáng)拇指與其他手指的聯(lián)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)更自然的對(duì)握與捏合動(dòng)作

掌心直線推桿電機(jī)則負(fù)責(zé)手掌內(nèi)部的伸縮調(diào)節(jié)，提升整體抓取范圍與適應(yīng)性

成為「滄海遺珠」的直驅(qū)傳動(dòng)

當(dāng)前，靈巧手市場(chǎng)中直驅(qū)、連桿、腱繩三種傳動(dòng)方案已呈現(xiàn)「三足鼎立」的狀態(tài)，其中連桿傳動(dòng)靈巧手的銷量最高。

就產(chǎn)品種類而言，仍然是連桿傳動(dòng)方案最多，其次是腱繩傳動(dòng)，直驅(qū)傳動(dòng)則最為少見。

傳動(dòng)系統(tǒng)在靈巧手中承擔(dān)著動(dòng)力傳遞與結(jié)構(gòu)支撐的雙重功能，正如人體韌帶連接骨骼并傳遞肌肉力量。

而這四款手之所以能完成精細(xì)操作，直驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵作用。

直驅(qū)的核心思想，是盡可能縮短電機(jī)軸與被驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)鏈路，使其最直接、最簡(jiǎn)短，從而降低傳動(dòng)間隙、減小摩擦與粘滯，提高回傳性與力學(xué)透明度。

直驅(qū)技術(shù)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，減少了中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的能量損失和運(yùn)動(dòng)誤差。由于沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，響應(yīng)更為迅速。

一般來(lái)說(shuō)，將微型電機(jī)直接安裝在手指的關(guān)節(jié)處，電機(jī)數(shù)就等于自由度數(shù)量，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了控制學(xué)紅利。

首先，直驅(qū)靈巧手具有更高的控制精度和更好的反向驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)手指接觸物體時(shí)，系統(tǒng)能夠更精確地感知力反饋，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的力控制。

其次，沒(méi)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相應(yīng)的摩擦帶來(lái)的能量損耗更少，相比連桿與腱繩傳動(dòng)，直驅(qū)傳動(dòng)能最大程度上實(shí)現(xiàn)輸入即輸出，即電機(jī)轉(zhuǎn)多少，關(guān)節(jié)就轉(zhuǎn)多少。

同時(shí)，這也給直驅(qū)手帶來(lái)極高的帶寬，其可以以極高的頻率進(jìn)行動(dòng)作微調(diào)，來(lái)應(yīng)對(duì)一些快速的、瞬間的動(dòng)作變化場(chǎng)景。

除了結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，直驅(qū)在算法層面同樣帶來(lái)顯著利好。

靈巧手算法的一大難點(diǎn)在于力控制。目前數(shù)據(jù)收集主要依賴遙操作或基于仿真視頻的動(dòng)作重定向，但這些方法常受運(yùn)動(dòng)學(xué)不匹配與缺乏實(shí)時(shí)觸覺(jué)反饋的限制，進(jìn)而阻礙了高保真觸覺(jué)數(shù)據(jù)的獲取。

相應(yīng)地，高質(zhì)量力覺(jué)與觸覺(jué)數(shù)據(jù)的缺失，會(huì)使靈巧手的算法發(fā)展更為艱難。

在這一點(diǎn)上，直驅(qū)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，力控反饋的真實(shí)性能發(fā)揮到很大作用。由于電機(jī)與關(guān)節(jié)直接接觸，力信號(hào)無(wú)需經(jīng)過(guò)中間部件衰減，可實(shí)現(xiàn)「力-電」信號(hào)的直接轉(zhuǎn)換。

總結(jié)一下，直驅(qū)傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于：高回驅(qū)性、低機(jī)械阻抗、力/運(yùn)動(dòng)透明、對(duì)學(xué)習(xí)算法友好，這些特點(diǎn)利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的接觸力控制與高自由度的微操作。

除此之外，在可靠性和維護(hù)方面，直驅(qū)方案也表現(xiàn)優(yōu)異。由于減少了腱繩等易損件的使用，它的壽命更長(zhǎng)，維護(hù)需求更低。

與直驅(qū)技術(shù)相比，連桿傳動(dòng)雖然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但連桿本身較厚且堅(jiān)硬，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對(duì)冗雜笨重，柔性和抗沖擊性較差。

而腱繩傳動(dòng)雖然在高自由度、輕量化方面有優(yōu)勢(shì)，但也面臨著腱繩材料壽命和維護(hù)的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期使用后腱繩易拉伸變形，導(dǎo)致精度下降。

直驅(qū)技術(shù)則在一定程度上平衡了靈活性、可控性和可靠性，所以能成為部分玩家打造高性能靈巧手的選擇。

盡管直驅(qū)靈巧手具有諸多優(yōu)勢(shì)，但市場(chǎng)上真正專注于直驅(qū)技術(shù)的玩家卻相對(duì)較少。這背后是技術(shù)與商業(yè)的雙重挑戰(zhàn)。

首先是技術(shù)復(fù)雜度高。直驅(qū)靈巧手要求將電機(jī)直接集成在關(guān)節(jié)處，這帶來(lái)了空間利用的挑戰(zhàn)。

要在有限的空間內(nèi)布置多個(gè)電機(jī)，同時(shí)保持人手的尺寸和外觀，需要極高的微電機(jī)技術(shù)和精密制造能力。

此外，電機(jī)內(nèi)置必然會(huì)讓手掌的重量增加，如何平衡質(zhì)量和整體操作的靈活性及能耗效率、如何在減小電機(jī)尺寸的同時(shí)保持足夠的抓握力都是直驅(qū)技術(shù)面臨的技術(shù)難題。

商業(yè)層面，目前市場(chǎng)整體對(duì)靈巧手的需求量還不夠多，一定程度上存在供大于需的情況，這就導(dǎo)致需求方在選擇產(chǎn)品時(shí)面臨新的問(wèn)題。。

而且，市場(chǎng)端的需求也不是單一的。許多工業(yè)場(chǎng)景更看重耐久性、穩(wěn)定性與成本，而不是極致的觸覺(jué)，所以目前實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用最多的還是夾爪，其次再是出貨量多的連桿傳動(dòng)靈巧手。

靈巧手技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)才剛剛開始。未來(lái)隨著技術(shù)路線的收斂和市場(chǎng)需求的明確，真正的贏家將逐漸浮出水面。

可以確定的是，能夠平衡性能、成本與可靠性，并找到真正應(yīng)用場(chǎng)景的企業(yè)，將在這場(chǎng)競(jìng)賽中脫穎而出。

       原文標(biāo)題 : 直驅(qū)傳動(dòng)，扛起最強(qiáng)靈巧手的大旗