腱绳驱动方案：人形机器人灵巧手的主流选择与技术人文展望

本文旨在深度剖析腱绳驱动方案在现代人形机器人灵巧手领域成为主流并展现出卓越潜力的核心原因。文章首先界定灵巧手在人形机器人系统中的战略地位及其面临的技术挑战，确立以“人手”为终极对标的评价体系。随后，将重点论述腱绳方案相较于传统传动方式的核心优势，包括其在动力学优化、空间布局、生物仿生及新材料应用等方面的突破性进展。通过分析特斯拉Optimus等行业标杆案例，并结合九章注公司在智能义肢和工业灵巧手领域的实践，本文将验证腱绳方案的工程可行性与广阔市场前景。最后，本文将视角延伸至残疾人用户市场，探讨技术如何从辅助工具升华为赋能生活的伙伴，深入挖掘其背后的人文价值与潜在市场机遇。

一、灵巧手的技术需求与终极挑战

在人形机器人迈向通用智能的征途中，灵巧手（Dexterous Hand）扮演着至关重要的角色。它不仅是机器人与物理世界进行交互的主要媒介，更是其实现精细操作、完成复杂任务的核心执行部件。为了实现与人类生活环境无缝衔接，灵巧手的设计必须高度模仿人手的结构与功能。

人手的运动系统由22个自由度构成（不考虑前臂的内、外旋），其中五指各4个自由度(20个)，腕部2个自由度，这些自由度分布于掌指关节(MCP)、近指关节(PIP)和远指关节(DIP)等部位。灵巧手必须模拟这种复杂结构，才能实现人手的精细操作能力，如悬垂、托举、触摸、推压、击打、动态操作、球形掌握、球形指尖握、柱状抓握、勾拉、二指尖捏、多指尖捏和侧捏等13种基本功能。这些功能的实现依赖于高自由度的运动协同。

为了胜任这一角色和完成这些动作，灵巧手的设计必须满足一系列苛刻的技术要求：

高自由度： 模拟人手多关节、多指协同的运动能力，以适应不同形状、尺寸和材质物体的抓取与操作；用新材料模拟柔软掌面，通过增大握持动作时的接触面积增加握持的稳定性，进一步降低能耗以增加能效比，从而实现更持久的作业。

轻量化： 手部作为机器人肢体末端，其重量和惯量直接影响整体运动的能耗、速度和稳定性。轻量化设计是提升机器人动态性能的关键。

快速响应： 具备毫秒级的响应速度，以实现动态抓取、快速反应和流畅的人机交互；通过运动解算和算法补偿保证动作的重复性和一致性，确保在复杂环境中也能精准操作。

然而，衡量灵巧手成功的唯一终极竞品，是历经数百万年进化臻于完美的人类之手。因此，我们必须建立一个多维度的评价体系，其标准不仅仅局限于工程参数，更应包含对“类人”特性的全面考量：

功能与性能： 不仅要看力量、速度、精度等指标，更要看其能否完成拧瓶盖、使用工具、系鞋带等一系类复杂的“在手操作（In-hand Manipulation）”，这直接决定了机器人的实用价值。

尺寸与仿生： 尺寸应与人手相当，以便在为人类设计的环境中无缝工作。其运动形态、抓握姿态应具备生物学上的自然性，减少与人交互时的机械感。

对本体的影响： 灵巧手的设计方案如何影响人形机器人整体的动力学特性、能耗和控制复杂度，是评价其优劣的关键。一个优秀的灵巧手应当是机器人的助力而非负担。

结构上的功能化表现： 人手集运动、支撑和感觉三大功能于一体。因此，灵巧手的设计不仅要考虑驱动，还需集成丰富的传感器阵列（力、位置、温度、触觉等），以实现闭环感知与控制，使机器人能感知外界并做出自适应调整。

在当前讨论中，一种普遍看法认为，人形灵巧手在特定情境下的表现不如专业的三爪式或平行夹爪。这种观点混淆了通用设备与专用设备的根本区别。正如人手在拧紧大扭矩螺栓时不如扭力扳手高效，但这并不削弱人手的多功能性和价值。示例中，三爪卡盘作为工业自动化流水线上的专用工具（Special-Purpose Tool），专注于单一任务的极致效率；而灵巧手则是通用工具（General-Purpose Tool），致力于在非结构化环境中实现适应性和多功能性。这本质上属于“尺有所短，寸有所长”，而非灵巧手技术方向的正确与否之争。灵巧手的应用目标和场景，是在保证足够性能和成本的基础上，实现人机环境下功能的泛用，这正是其存在的核心意义。

二、腱绳方案的核心优势：工程可行性与生物仿生学的完美结合

在通往“类人”灵巧手的探索中，传动方案的选择是决定系统整体性能的关键起点。传统齿轮传动、连杆或点推杆式方案等在工业机械臂等场景中已具备成熟应用，但在高自由度、微型化的灵巧手设计中，确实面临体积、重量与结构复杂度的制约。与此同时，腱绳驱动方案凭借其轻量化、布局灵活的特点，为灵巧手的实现提供了新的可能。值得注意的是，不同传动方式并非相互排斥——在人形机器人的躯干与大关节部位，传统传动依然具有重要价值；而在对手指灵活度和集成度要求极高的“手部”，腱绳方案则展现出较为独特的适应性。

1. 远端驱动布局与动力学优化

腱绳方案的最大优势之一在于它支持远距离间接传动。这意味着可以将电机、减速器等对空间要求敏感的驱动单元（Actuators）从较小的执行空间中移出，可选择安装在空间相对充裕的远端（如前臂或掌心）。这种“远端驱动”布局提供了动力学上的便利：

图：腱绳传动方案原理图

将质量集中于靠近机器人运动重心的位置，可以极大减轻手臂末端在运动中带来的惯性。这使得手臂在挥动时运动速度更快，本体的综合能耗更低，动态响应性能更优。研究表明，优化的腱绳驱动手，其手指屈伸速度可以达到30毫秒级别，电机响应延迟可低至18毫秒。虽然腱绳的柔性可能带来控制上的挑战，但在低负载下其速度潜力巨大，且通过先进控制算法可有效抑制振动。

2. 空间布局友好，赋能高自由度设计

在人手大小的有限空间内集成超过20个自由度，是灵巧手设计的核心难点。腱绳方案通过用柔性的“绳”替代刚性的齿轮和连杆，极大地简化了手指末端的机械结构，释放了手指内部空间，为传感器和填充材料留出余地。一根或多根腱绳可以穿过多个关节，实现耦合运动或独立控制，这使得在高密度空间内实现复杂的多关节联动成为可能，为设计20+自由度的仿人灵巧手铺平了道路。例如，通过多根腱绳的协同作用，可以实现单个手指的侧摆、屈伸等多方向运动。

3. 模拟人体肌腱，实现柔性与自然动作

腱绳方案在结构上与人体的“皮肤-肌肉-骨骼”系统高度相似。一方面，通过腱绳控制实现柔性动作传递，这是其区别于传统刚性传动的根本特征，这种生物仿生学设计不仅外观上更自然，更在功能上带来了“柔性（Compliance）”。另一方面，当灵巧手与物体接触时，运动机构与表皮之间的填充材料因为其弹性可以吸收一部分冲击能量，避免刚性碰撞对电机或物体造成损害。这种内在的柔顺性对于在非结构化环境中与人或脆弱物体进行安全交互至关重要，也是实现人机共融的基础。

4. 关键材料突破：超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）的赋能

腱绳方案的长期可靠性曾是其主要短板，但新材料的出现彻底改变了这一局面。以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维（如Dyneema®或Spectra®）为代表的高性能纤维，为腱绳方案的工程化应用提供了坚实基础。

图：超高分子量聚乙烯纤维材料优势

超高强度与轻质： UHMWPE纤维的比强度是优质钢材的15倍以上，而密度仅为0.97g/cm³，使灵巧手总重量减轻30%-40%，转动惯量减少45%，从而提升了抓取速度与灵活性，使其成为实现轻量化和高负载传输的理想材料。

卓越的耐磨与抗疲劳性： 该材料具有极佳的耐磨损、耐腐蚀和抗弯折疲劳性能，经过200万次循环拉伸后强度保持率>95%，较传统聚酯纤维100万次后性能衰减30%，优势明显。确保了在数百万次屈伸循环后仍能保持高强度，满足机器人手高频次使用的要求。

蠕变（Creep）问题的应对： 尽管蠕变（在持续负载下产生的不可逆伸长）曾是UHMWPE纤维面临的主要挑战，可能影响系统的长期精度，但通过先进的编织工艺、预张紧技术以及在控制算法中进行补偿，其影响已被控制在可接受的范围内。目前业界正通过表面改性、复合纤维等方式进一步抑制蠕变，解决蠕变问题依然是提升长期可靠性的关键研究方向之一。

综合来看，腱绳方案在尺寸上能够逼近人手，而在性能上，虽然在极限扭矩输出上可能不及重型齿轮驱动系统，但它在速度、灵活性和轻量化方面的综合优势，使其更符合通用灵巧手的应用场景，成为当前技术路线的主流选择。

三、行业应用与已有案例验证

理论的优越性最终需要实践的检验。腱绳驱动方案已经在多个前沿领域证明了其价值，并逐渐成为行业主流选择。

标杆产品确立技术路线：特斯拉Optimus

特斯拉在其第二代人形机器人Optimus Gen 3的灵巧手上，采用了“行星齿轮箱+丝杠+腱绳”的混合驱动结构。其中，电机和减速机构同样被集成在小臂，通过丝杠将旋转运动转换为线性运动，最终由腱绳将动力传递至每一个指节。

驱动器外置增加了自由度，丝杠替代蜗杆提升了精度和载荷能力，腱绳替代扭力弹簧增强了灵活性。这种设计使灵巧手具备22个自由度，接近人手水平，同时响应时间达0.2秒，比传统方案快至少0.3秒，能够完成抓握鸡蛋、搬运重物等多种复杂任务。

这一设计选择，由全球最受瞩目的机器人公司之一做出，强有力地证明了腱绳方案在平衡性能、成本和工程复杂性方面的综合优势，为该技术路线的主流地位奠定了基础。

医疗与工业场景的可靠性验证

在医疗场景中，腱绳驱动的灵巧手凭借其高灵活性、轻量化和精细操控能力，已被验证适用于精密手术和康复治疗等应用。例如，达芬奇手术机器人采用类似腱绳的线型驱动方案，能够实现多自由度高精度操作，应用于微创手术中减少患者创伤；英国Shadow公司推出的Shadow Hand系列则结合腱绳传动，适用于科研医疗领域的微操作任务，例如细胞操控和假肢控制，其20余个自由度能模拟人手大部分动作。

在工业场景，腱绳方案已展现出卓越的适应性。例如，宇树科技的Dex5-1灵巧手采用齿轮传动方案，但其31个自由度的H2机器人可能结合腱绳与齿轮的混合传动，以实现更灵活的操作；智元机器人的19DOF五指灵巧手通过12个电机高度集成于手掌，呈三排排列，利用腱绳传动实现高自由度，能够抓握5KG物体并自锁提拉30KG，适用于工业级大负载场景；灵心巧手L30由前两代的连杆传动转向腱绳传动，自由度提升至25个，抓握力与灵活性显著增强；智元机器人采用混合传动方式(连杆和腱绳混合)，提高传动效率同时减小尺寸，实现了轻量化与高承载的平衡。

四、九章注公司的实践：从智能义肢到普惠科技

在腱绳驱动的大趋势下，以九章注公司为代表的创新企业，正在将这一技术从实验室推向更广阔的市场，尤其是在与民生息息相关的智能义肢领域，为残障人士带来福音。

1. 满足尺寸、性能期待、可靠性的智能义肢手

九章注发布的智能义肢手，正是基于对灵巧手关键指标的深刻理解而打造。

尺寸与重量： 通过采用高度集成的腱绳方案，其义肢手在尺寸和外轮廓等约束条件上都接近于成人手，让用户在穿戴和使用时几乎没有异物感，更易于被心理上接纳，长时间佩戴也不易疲劳。

性能与功能： 该义肢手能够模拟人手完成大部分日常抓握动作，其轻量化设计带来了更低的穿戴能耗和更快的响应速度，让用户可以更自然、更直观地与生活互动，例如拿取水杯、使用筷子、敲击键盘等。

卓越的触觉传感器：通过在指尖等表面分布传感器感知物体的压力和温度等信息，并将信号反馈给用户，提供更真实的触觉体验。同时，柔性材料的应用使其能够贴合灵巧手的不规则表面，提升耐用性和操作稳定性，避免滑脱。

2. 基于经济成本的普惠性优势

当前，高性能的肌电假肢手价格极其昂贵，动辄数万甚至数十万元，令许多需要的人望而却步。九章注的腱绳方案则在经济成本上展现出巨大潜力。腱绳方案的机械结构更为简化，精密加工的一体化微型齿轮箱和减速器结合3D打印等增材制造技术可以大幅降低零部件的制造成本，同时简化装配流程。这使得智能义肢的售价有望降至现有产品的三分之一甚至更低，真正实现科技普惠，让更多残疾人能够获得功能强大的义肢，重拾生活信心与独立能力。