直驱传动，扛起最强灵巧手的大旗
编者按： 机器人能否真正「心灵手巧」，关键就在这最后一厘米——灵巧手。它集机械、传感与 AI 技术之大成，突破了传统夹爪的局限，正从工业工具进化为更具自主性的「类人智能体」。
具身智能热潮下，灵巧手也走到了台前。星河频率特别策划灵巧手系列文章，深入这场关于「触觉」、「操控」与「创造」的技术革命核心。
我们将不仅关注精巧关节背后的硬核科技，更将探讨技术狂热之下关于「能力边界」与「人机共生」的深层思考。
我们将与所有关注未来的同行者一起，共同探索那双「灵巧之手」所能触及的、人机协作的终极新边界。
作者 | 毛心如
剥鸡蛋、拿手机拍照、当厨师的同时兼任管家，这一回 Sharpa 的灵巧手展示了展示了它在更丰富、更贴近日常的家庭场景中的综合作业能力。
自今年 4 月首次在 ICRA 展会公开亮相以来，Sharpa 一直头顶「最强灵巧手之一」的光环。
目前，国内厂商普遍采用连杆传动方案，而新晋玩家则多将腱绳、或腱绳+连杆传动方案作为核心技术路径。
但在 Sharpa 一系列高端操作的背后，走的却是一条颇为小众的技术路线——直驱传动。
神秘的最强者，Sharpa
今年 10 月，Sharpa 宣布其灵巧手产品 SharpaWave 开始量产，并逐步向客户交付。
尽管是一家来自新加坡的新秀公司，Sharpa 在一众头部玩家中却显得有些低调。不仅未在国内开通社交账号，其在国外平台的宣传也较为有限，最集中的展示仍集中在今年的几次国际性展会上。
不过，这家新加坡公司对国内玩家来说并不陌生，它与国内激光雷达公司禾赛科技渊源颇深。
公开信息显示，Sharpa 的公司法人为施叶舟，曾任禾赛的战略负责人；而姚鹏现任全球业务拓展负责人，此前同样负责过禾赛的商务业务。
当然，公司背景只是水面下的冰山一角，真正让 Sharpa 摘得「最强」头衔的，还是其已经浮出水面的产品实力。
SharpaWave 之所以引人注目，首先在于它是一款 22 自由度的五指灵巧手，采用直驱传动方案，意味着它拥有 22 个独立运动的能力，不仅在结构上高度仿照人手，也几乎复刻了人手的灵活性。
此外，通过独特的同构架构设计，它在结构上以 1：1 比例高度仿生人手。
22 个自由度中，包括 15 个弯曲与伸展自由度，6 个侧向移动自由度，1 个向内旋转自由度。
通常，灵巧手的指关节仅具备单向弯曲能力，横向移动能力较弱。
而 SharpaWave 的 6 个侧向自由度，使手指能在抓取过程中横向展开或聚拢，从而更好地适配不同大小和形状的物体，实现接近人手的包覆式抓取与自然张手姿态。
手掌的 1 个内旋自由度则赋予手掌扭转能力，增强了手内操作能力，使物体能够在手内被转动。
之前在 ICRA 上，SharpaWave 通过手指、手掌的协调运动让闹钟在手中旋转，是其他大部分厂商难以实现的动作。
除了动得灵活，SharpaWave 还在力量与速度这两方面实现了兼顾。
其指尖输出力超过 20N，所有手势动作的操作频率可达 4Hz 以上，因此能够轻松且精准地完成从高频操作到重载抓取在内的多样化任务。
然而，SharpaWave 最引人瞩目的优势，还在于其先进的触觉感知能力。这得益于其搭载的动态触觉阵列专有系统。
这一系统依托神经网络算法驱动，可在 0-30N 的压力范围内实现高达 0.005N 的灵敏度。
凭借每秒 180 帧的数据采集速率和小于 1 毫米的空间分辨率，能够支持实时纹理识别与六维力检测等功能，使机器人操作更接近人类水平的感知。
目前 SharpaWave 灵巧手已能实现发牌、使用拍立得、拿手机拍照、简易做菜、收拾桌面等任务。
除了性能强悍、作业精细，SharpaWave 还通过了 100 万次连续握持循环无故障认证，每个关节均可反向驱动，具备出色的耐用性和抗碰撞能力。
当然，尽管 SharpaWave 被誉为「最强灵巧手」，却也存在美中不足。
其一是 5 万美元的售价，在当前国内灵巧手市场价格持续下探的背景下，显得偏高；其二是单只手重量达 1200g，整体而言仍然偏重。
四大直驱灵巧手代表
除了 SharpaWave 之外，采用直驱传动方案的灵巧手还有星动纪元的 XHAND1、舞肌科技的 Wuji Hand 以及兆威机电的 DM17。
如果说 SharpaWave 堪称最强灵巧手之一，那么星动纪元的 XHAND1 也配得上这一称号。
XHAND1 拥有 12 个自由度，其中大拇指和食指各 3 个，其余手指各 2 个；其食指具备 1 个侧摆自由度，可完成旋拧动作。
负载能力方面，XHAND1 单指最大负载超 5kg，整手可举起 25kg 重物。
不同于行业内主流的欠驱动方案，XHAND1 采用纯齿轮准直驱传动结构，所有关节均支持反驱，主动关节均在本位且全部解耦。
这不仅使其具备出色的抗冲击性能，也为模仿学习、强化学习等 AI 算法的开发提供了极大的灵活性。
感知层面，XHAND1 每个指尖都搭载了阵列式高精度触觉传感器，能采集 120-300 个均匀分布的三维力数据，最小分辨率达 0.05N，从而支持机器人实现精准力控。
得益于性能过硬与算法友好的优势，已有不少国际研究团队采用 XHAND1 在顶会与期刊上发表研究论文。
而舞肌科技的 Wuji Hand，则可说是这四款灵巧手中最为特别的一款，因为它的多数演示 demo 都需佩戴一只黑色手套。
这只手套是舞肌采用的压阻式触觉手套，而裸机本身并不带触觉方案，售价为 5 万元。
Wuji Hand 拥有 20 个自由度，单手重量 550g，单指指尖输出约 15 N，整手静态握持载荷约 20kg。
其结构设计十分巧妙，几乎不存在耦合关节。
简单来说，就是每个指间关节都可被单独控制，而非几段手指被一根腱绳捆绑运动。正因如此，它在关节层级的可控性更高，甚至能做出一些人手也难以单独完成的姿态。
从现有展示看，其外包触觉手套的功能仍有提升空间，但这一设计本身也充满了创意。
这不仅是一种更新、更全面的触觉感知布局方式，而且软包内部还可填充缓冲材料，提供一定的减震与缓冲效果，避免抓取时完全是硬金属与硬塑料的直接接触。
美国机器人专家 Scott Walter 就曾在公开平台表示，Wuji Hand 可入选他心目中当前公开灵巧手的 Top 3 候选。
而兆威机电原本是上游零部件厂商，今年半跨界地将业务延伸至灵巧手整机制造。DM17 作为今年发布的产品之一，承载了将核心部件能力整合为完整解决方案的理念。
DM17 有 17 个自由度，外部设计贴近人手，内部核心组件的寿命超过 1 万小时，能够在长时间的高强度工作中保持稳定性能。
这款手的定位更偏向工业装配领域，具有强大的负载能力和精准的定位精度。
通过内置传感器，DM17 具备较强的自适应抓取功能，面对各种形状、各种材质的物品，能够快速识别并调整抓取策略，保证稳定抓取。
作为上游玩家的跨界之作，DM17 最大优势就在内置的三款电机，分别是指尖电机、拇指并排电机和掌心直线推杆电机。三款电机各司其职：
指尖电机负责末端精细调控，可在毫米级范围内进行微调，适用于精密装配任务
拇指并排电机增强拇指与其他手指的联动能力，实现更自然的对握与捏合动作
掌心直线推杆电机则负责手掌内部的伸缩调节，提升整体抓取范围与适应性
成为「沧海遗珠」的直驱传动
当前，灵巧手市场中直驱、连杆、腱绳三种传动方案已呈现「三足鼎立」的状态，其中连杆传动灵巧手的销量最高。
就产品种类而言，仍然是连杆传动方案最多，其次是腱绳传动，直驱传动则最为少见。
传动系统在灵巧手中承担着动力传递与结构支撑的双重功能，正如人体韧带连接骨骼并传递肌肉力量。
而这四款手之所以能完成精细操作，直驱传动结构起到了关键作用。
直驱的核心思想，是尽可能缩短电机轴与被驱动关节之间的传动链路，使其最直接、最简短，从而降低传动间隙、减小摩擦与粘滞，提高回传性与力学透明度。
直驱技术简化了传动链，减少了中间环节带来的能量损失和运动误差。由于没有复杂的传动机构，使得整体结构更加紧凑，响应更为迅速。
一般来说，将微型电机直接安装在手指的关节处，电机数就等于自由度数量，这样的结构设计带来了控制学红利。
首先，直驱灵巧手具有更高的控制精度和更好的反向驱动能力。当手指接触物体时，系统能够更精确地感知力反馈，实现更精细的力控制。
其次，没有复杂的结构设计，相应的摩擦带来的能量损耗更少，相比连杆与腱绳传动，直驱传动能最大程度上实现输入即输出，即电机转多少，关节就转多少。
同时，这也给直驱手带来极高的带宽，其可以以极高的频率进行动作微调，来应对一些快速的、瞬间的动作变化场景。
除了结构优势，直驱在算法层面同样带来显著利好。
灵巧手算法的一大难点在于力控制。目前数据收集主要依赖遥操作或基于仿真视频的动作重定向，但这些方法常受运动学不匹配与缺乏实时触觉反馈的限制，进而阻碍了高保真触觉数据的获取。
相应地，高质量力觉与触觉数据的缺失，会使灵巧手的算法发展更为艰难。
在这一点上，直驱技术的核心优势，力控反馈的真实性能发挥到很大作用。由于电机与关节直接接触，力信号无需经过中间部件衰减，可实现「力-电」信号的直接转换。
总结一下，直驱传动的优点在于：高回驱性、低机械阻抗、力/运动透明、对学习算法友好，这些特点利于实现稳定的接触力控制与高自由度的微操作。
除此之外，在可靠性和维护方面，直驱方案也表现优异。由于减少了腱绳等易损件的使用，它的寿命更长，维护需求更低。
与直驱技术相比，连杆传动虽然结构稳定，但连杆本身较厚且坚硬，导致结构相对冗杂笨重，柔性和抗冲击性较差。
而腱绳传动虽然在高自由度、轻量化方面有优势，但也面临着腱绳材料寿命和维护的挑战。长期使用后腱绳易拉伸变形，导致精度下降。
直驱技术则在一定程度上平衡了灵活性、可控性和可靠性，所以能成为部分玩家打造高性能灵巧手的选择。
尽管直驱灵巧手具有诸多优势，但市场上真正专注于直驱技术的玩家却相对较少。这背后是技术与商业的双重挑战。
首先是技术复杂度高。直驱灵巧手要求将电机直接集成在关节处，这带来了空间利用的挑战。
要在有限的空间内布置多个电机，同时保持人手的尺寸和外观，需要极高的微电机技术和精密制造能力。
此外，电机内置必然会让手掌的重量增加，如何平衡质量和整体操作的灵活性及能耗效率、如何在减小电机尺寸的同时保持足够的抓握力都是直驱技术面临的技术难题。
商业层面，目前市场整体对灵巧手的需求量还不够多，一定程度上存在供大于需的情况，这就导致需求方在选择产品时面临新的问题。。
而且，市场端的需求也不是单一的。许多工业场景更看重耐久性、稳定性与成本，而不是极致的触觉，所以目前实际场景应用最多的还是夹爪，其次再是出货量多的连杆传动灵巧手。
灵巧手技术的竞争才刚刚开始。未来随着技术路线的收敛和市场需求的明确，真正的赢家将逐渐浮出水面。
可以确定的是，能够平衡性能、成本与可靠性，并找到真正应用场景的企业，将在这场竞赛中脱颖而出。
往期文章：
《对话源升智能杨思成：灵巧手不是精致的玩具，而要成为可靠的生产力工具》
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