（6-1）手部、足部与末端执行器设计：仿生手设计

本章内容围绕人形机器人的手部、足部与末端执行器设计展开，重点分析了各部分在操作能力、行走稳定性与任务适应性中的关键作用。首先从仿生角度出发，解析了人类手指结构与抓取方式，比较了多关节耦合与独立驱动方案在灵巧性与复杂度上的差异；随后讲解了足部结构设计的知识，重点讨论了足底传感器、足踝柔性以及对稳定与平衡的结构支撑作用；最后介绍了外部工具与可更换末端执行器设计，涵盖了工业与服务场景下的应用需求，为人形机器人多任务执行与环境适应能力提供坚实的基础。

6.1 仿生手设计

人形机器人的手部是其执行操作、环境交互和多任务适应能力的核心部位。仿生手设计旨在模拟人类手的结构、灵活性与抓取策略，同时兼顾驱动复杂度、控制精度和制造可行性。本节从手指结构分析、抓取类型和驱动策略三个维度，系统阐述仿生手的设计原则与工程实现方法。

6.1.1 人类手指结构分析

人类手指是自然界中"高精度运动+灵活抓取"的典范，其结构设计兼顾了运动自由度、力传递效率、感知灵敏度三大核心优势。图6-1清晰展示了人类手部的骨骼构成，其中手指部分包含近节、中节、远节指骨，红色标注区域为手指关节（掌指关节、指间关节），是手指实现灵活运动的核心结构载体。

图6-1 人类手部骨骼与关节结构示意图

在人形机器人设计工作中，仿生手设计的本质是对人类手指结构的"工程化复刻与优化"，既要还原其运动灵活性和抓取适应性，又要适配机器人的驱动、空间和成本约束。接下来将从骨骼、关节、驱动传动、感知系统四个维度，解析人类手指的核心结构特征及对仿生设计的借鉴意义。

核心结构特征：骨骼与关节的"模块化运动单元"

人类手指的骨骼的关节构成了仿生手最基础的运动框架，其核心特点是"多关节串联+有限自由度聚焦"，避免冗余设计的同时保障关键运动能力。

（1）骨骼结构：轻量化与刚性的平衡

骨骼组成：每根手指（除拇指外）由3块指骨组成------近节指骨（靠近手掌）、中节指骨、远节指骨（指尖）；拇指仅2块指骨（近节+远节），结构更紧凑。指骨为长骨，横截面呈椭圆形，中间细、两端粗，既保证刚性（支撑抓取力），又实现轻量化（减少运动惯性）。
尺寸比例：手指骨骼长度遵循"近节＞中节＞远节"的比例（如食指近节约35mm、中节约25mm、远节约20mm），这种比例设计让抓取时指尖能自然贴合物体表面，形成稳定的包裹姿态。
工程借鉴：仿生手指骨骼可采用铝合金空心杆、碳纤维板材或3D打印PA+玻纤材料，复刻"中间细两端粗"的轻量化结构，避免实心骨骼导致的惯性过大。

（2）关节类型与运动自由度（DOF）

手指的灵活性源于关节的"分工明确"，不同关节承担不同运动功能，总自由度为3~4个/指（拇指除外），且运动方向聚焦于"抓取所需"。在设计过程中，关节类型的说明和设计策略如表6-1所示。

表6-1 关节类型的说明和设计策略

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| 关节名称 | 位置（指骨连接） | 关节类型 | 核心运动方向 | 运动范围（角度） | 仿生设计参考策略 |
| 掌指关节（MCP） | 手掌-近节指骨 | 球窝关节 | 弯曲/伸展、内收/外展 | 弯曲0~90°、外展0~20° | 设计为2 自由度关节，实现手指开合与侧向微调，适配不同尺寸物体 |
| 近侧指间关节（PIP） | 近节-中节指骨 | 铰链关节 | 仅弯曲/伸展 | 弯曲0~110° | 设计为1自由度旋转关节，是抓取时的主要发力关节 |
| 远侧指间关节（DIP） | 中节-远节指骨 | 铰链关节 | 仅弯曲/伸展 | 弯曲 0~80° | 1自由度关节，辅助指尖贴合物体，提升抓取稳定性 |
| 拇指掌指关节 | 手掌-拇指近节指骨 | 鞍状关节 | 弯曲/伸展、内收/外展、旋转 | 弯曲0~70°、外展0~40° | 3自由度关节，实现拇指对掌、侧捏等关键动作，是精细抓取的核心 |

人类手指的自由度设计核心是其抓取动作（弯曲/伸展）由所有关节协同完成，侧向微调（内收/外展）仅由掌指关节承担，既保证灵活性，又简化了运动控制逻辑，这是仿生手自由度设计的核心借鉴点。

驱动与传动系统：肌肉-肌腱的"高效协同机制"

人类手指的运动由"肌肉（动力源）+肌腱（传动媒介）"构成，其核心优势是"动力集中布置+轻量化传动"，完美适配仿生手"紧凑空间+低惯性"的需求。

（1）动力源：前臂肌肉的"远程驱动"

手指的运动动力并非来自手指本身，而是源于前臂的屈肌（负责手指弯曲）和伸肌（负责手指伸展），其中肌肉收缩产生拉力，通过肌腱传递到指骨，带动关节运动。这种"远程驱动"设计让手指本身无需容纳肌肉，保持了纤细、轻量化的结构（手指重量仅占手部总重的30%）。

（2）传动媒介：肌腱的"柔性高效传递"

肌腱：是连接肌肉与指骨的致密结缔组织，呈索状，具有高强度（抗拉强度＞150MPa）、低摩擦、柔性好的特点，能绕过关节实现力的转向传递；
传动逻辑：屈肌收缩→拉动屈肌腱→指尖弯曲（PIP、DIP关节协同弯曲）；伸肌收缩→拉动伸肌腱→指尖伸展，形成"拮抗驱动"（屈肌与伸肌相互配合，控制运动速度和力度）。

（3）工程策略：仿生手的驱动传动方案

动力布置：模仿前臂肌肉的远程驱动，将电机（动力源）安装在手掌或前臂，通过钢丝绳/碳纤维绳（模拟肌腱）传递动力到手指关节，避免电机占用手指空间；
拮抗驱动：每个关节配置"驱动绳+回位绳"（模拟屈肌+伸肌），通过电机正反转控制拉力，实现关节的平稳弯曲与伸展，提升运动精度；
低摩擦设计：在肌腱绕过关节的部位，设置滑轮或耐磨衬套（如POM材质），减少传动损耗，避免肌腱磨损。
感知系统：皮肤-神经的"高精度反馈网络"

人类手指能实现精细抓取（如捏起硬币、拿起鸡蛋），核心依赖于遍布皮肤的"感知传感器网络"，其反馈精度和响应速度是仿生手感知设计的标杆。

（1）核心感知类型与功能

人类手指感知系统的主要类型如表6-2所示。

表6-2 人类手指感知系统的主要类型

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| 感知类型 | 生理结构基础 | 核心功能（机器人场景解读） | 感知精度/响应速度 |
| 触觉感知 | 皮肤表皮的触觉小体（迈斯纳小体） | 检测物体接触、表面纹理（如光滑 / 粗糙）、形状，避免抓取时打滑 | 响应速度＜50ms，可分辨0.1mm的纹理差异 |
| 力觉感知 | 皮肤深层的压力感受器（帕西尼小体） | 检测抓取力大小，避免压力过大压坏物体（如鸡蛋）或过小导致掉落 | 量程0~50N，精度±0.1N |
| 位置感知 | 关节处的本体感受器 | 感知手指关节角度、运动位置，实现精准的姿态控制（如弯曲到指定角度） | 角度精度±1° |
| 温度感知 | 皮肤中的温度感受器 | 检测物体温度，避免接触高温 / 低温物体受伤（仿生手可选配） | 量程0~50℃，精度±0.5℃ |

（2）工程借鉴：仿生手的传感器配置

触觉/力觉传感器：在指尖和指腹部位，粘贴柔性压力传感器（如压阻式、电容式），覆盖接触区域，模拟皮肤的触觉感知，实时检测抓取力和接触状态；
位置传感器：在关节处安装微型电位器或编码器，检测关节角度，实现位置闭环控制，保证手指运动的重复性；
反馈逻辑：传感器数据实时传输到控制器，若检测到抓取力过大（超过阈值），控制器指令电机减小拉力；若检测到物体滑动（压力突变），则增大抓取力，实现自适应抓取。
仿生手设计的"取舍原则"

人类手指结构的核心优势是"轻量化、高自由度、精准感知"，但工程化实现时无需完全复刻（如骨骼数量、肌腱数量），需遵循"功能优先、结构简化"的原则：

自由度简化：拇指保留3自由度（对掌、弯曲、外展），其余手指可简化为2~3自由度（掌指关节2自由度+指间关节1自由度），兼顾灵活性与控制复杂度；
传动优化：肌腱数量可简化（如每根手指2~3根传动绳，而非人类的多根肌腱），通过关节耦合设计减少驱动单元；
感知聚焦：优先配置触觉和力觉传感器（核心需求），位置传感器保障姿态控制，温度感知可根据场景可选（如服务型机器人需配置，工业机器人可省略）。
耦合自适应欠驱动仿生手指：轻量化与拟人化的创新设计

该技术来自哈尔滨工业大学Ming Cheng、Li Jiang等研究者发表于《Biomimetics》期刊的论文《Design and Optimization of an Anthropomorphic Robot Finger》，是当前仿生手驱动传动领域的代表性创新方案，核心解决"传统欠驱动手指运动拟人化不足、抓取自适应差"的痛点，实现了"单驱动单元兼顾类人手预抓取与自适应包裹"的功能，适配假肢手、人形机器人手的轻量化设计需求。

（1）核心设计方案

采用三关节耦合自适应欠驱动机构，通过"移动副+压缩弹簧"的组合，让手指具备如下两种运动模式：

自由空间耦合运动：无物体接触时，手指通过连杆机构实现"掌指关节（MCP）+近侧指间关节（PIP）+远侧指间关节（DIP）"的协同弯曲，复刻人类手指的预抓取姿态（如自然张开后收拢）；
接触后自适应运动：当手指触碰到物体，压缩弹簧触发移动副位移，机构自动切换为"PIP与DIP关节独立适配物体轮廓"的包裹抓取，无需额外驱动即可贴合不同形状的物体。

其核心结构为九杆连杆结构（如图6-3所示），分为驱动机构、自适应机构、耦合机构三部分，仅需1个电机即可完成两种模式的切换，大幅简化了驱动系统的体积与成本。

图6-3 三关节耦合自适应欠驱动手指机构构型图

注意，图中的蓝色部件为移动副，红色部件为压缩弹簧，黄色连杆为耦合传动结构；电机驱动输入后，自由空间中连杆同步带动三关节弯曲，接触物体后弹簧压缩、移动副位移，PIP/DIP关节独立适配物体）

（2）参数优化策略

以"人类手指关节运动角度（MCP弯曲0~90°、PIP弯曲0~110°）"和"仿生手指整体尺寸（与人类食指等比例）"为约束，以"关节耦合运动比线性化"为目标，优化连杆长度与弹簧刚度，最终使手指的运动范围与拟人化程度匹配人类手指，同时保证自适应抓取的稳定性。

（3）仿生设计借鉴

该技术的核心价值在于"用机械结构替代部分控制逻辑"，具体说明如下所示。

无需多电机独立驱动，即可实现拟人化预抓取+自适应包裹的双重功能，适合空间受限的仿生手设计；
弹簧与移动副的组合，复刻了人类手指肌腱的"柔性自适应"特性，同时避免了传统腱驱动的布线复杂问题，是轻量化仿生手的高效解决方案。

（4）

图6-3直观展示了欠驱动手指"单驱动单元即可实现耦合预抓取+自适应包裹"的核心功能，对应其如下核心运动模式：

图6-3 耦合自适应欠驱动仿生手指的运动过程示意图

总而言之，人类手指结构的本质是"骨骼为架、肌腱传动、肌肉驱动、神经感知"的协同系统，其核心设计逻辑是"远程驱动+拮抗传动+分布式感知"，这是仿生手设计的核心借鉴。通过分析手指的关节自由度、传动机制和感知网络，仿生手设计可实现"功能复刻"与"工程可行"的平衡：既还原人类手指的灵活抓取与精细操作能力，又通过结构简化、动力优化，适配机器人的硬件约束，为后续的抓取类型设计、驱动方案选择奠定生物原型基础。

6.1.2 抓取类型

仿生手的抓取功能需精准匹配人类日常与特定场景的操作需求，核心分为精细抓取和包裹抓取两大类。这两种抓取类型基于人类手指的运动特性（多关节协同、拇指对掌功能），对应不同的物体尺寸、重量和操作精度要求，其设计逻辑直接决定仿生手的实用性，其中精细抓取聚焦于"小、轻、准"，包裹抓取聚焦于"大、重、稳"，二者共同覆盖绝大多数人机交互场景。

精细抓取：聚焦"高精度、小负载"的精准操作

精细抓取是仿生手模拟人类"指尖对捏"动作的核心功能，核心特征是依赖拇指与单根/多根手指的精准对合，通过指尖的局部接触实现小尺寸、轻重量物体的抓取与操作，强调"力的精准控制"和"姿态的稳定性"。

（1）核心定义与人类行为参考

定义：通过拇指与食指、中指的指尖或指腹对合，形成"点-点"或"点-面"接触，抓取重量≤500g、尺寸≤5cm的物体，可伴随旋转、移动等精细操作；
人类典型动作：捏硬币、拿笔写字、夹取药片、拧瓶盖、使用手机触摸屏，核心依赖拇指的对掌功能（3自由度）和指间关节的精准角度控制。

（2）适用场景

人形机器人仿生手抓取功能的应用场景说明如表6-3所示。

表6-3 人形机器人仿生手抓取功能的应用场景

|------------|--------------------|------------------------------|
| 应用场景 | 典型物体 | 核心要求（仿生手设计参考） |
| 家庭服务（日常操作） | 筷子、勺子、牙刷、钥匙、手机、纸巾 | 抓取力轻柔（5~20N），避免物体滑落或损坏，姿态稳定 |
| 工业装配（精密操作） | 电子元件（电阻、芯片）、螺丝、小零件 | 定位精度高（±0.5mm），可实现旋转、插拔等复合动作 |
| 医疗护理（辅助操作） | 药片、注射器、棉签、体温计 | 抓取力均匀（避免压碎药片），生物相容性好（指尖材料无毒） |

（3）仿生手设计策略

结构要求：拇指必须具备3自由度（对掌、弯曲、外展），能灵活调整位置与食指/中指形成对合；手指末端设计为"弧形指腹"（模仿人类指尖轮廓），覆盖柔性材料（硅胶、TPU，邵氏硬度30~50A），增加摩擦系数，避免物体滑动；指间关节（PIP、DIP）需精准控制角度（误差±1°），确保指尖对合时无偏移。
驱动要求：采用"独立驱动"方案（每关节1个微型电机/舵机），扭矩控制精度≥0.01N・m，支持低速平稳运动（速度≤5mm/s）；配置"拮抗传动"（驱动绳+回位绳），避免指尖对合时冲击力过大（如夹伤手指、压碎物体）。
感知要求：指尖与指腹粘贴柔性压力传感器（精度±0.1N），实时检测接触压力，避免过载；关节处安装微型编码器（角度精度±0.5°），确保指尖对合位置的重复性。
（4）关键技术难点与解决思路
难点1：指尖对合精度不足（物体滑落）→解决方案：优化拇指对掌机构的运动精度，增加指尖定位辅助（如视觉传感器校准）；
难点2：抓取力控制不当（压碎易碎品）→解决方案：设定分级力阈值（如易碎品≤5N，硬质品≤20N），结合压力传感器实现闭环控制。
包裹抓取：聚焦"大负载、高稳定"的整体固定

包裹抓取是仿生手模拟人类"多指环绕"动作的功能，核心特征是依赖3根以上手指（拇指+食指+中指+无名指/小指）的协同弯曲，形成"面-面"包裹接触，将物体固定在手掌内部，强调"负载能力"和"抗干扰性"（如运动中不脱落）。

（1）核心定义与人类行为策略

定义：手指围绕物体轮廓协同弯曲，形成包裹式接触，抓取重量≥500g、尺寸≥3cm的物体，以"固定物体"为核心，操作精度要求低于精细抓取；
人类典型动作：拿水瓶、提袋子、抱书本、握工具（锤子、扳手），核心依赖手指的同步弯曲和手掌的包容空间。

例如在仓储快递分拣的辅助作业场景中，Optimus能够完成"抓取标准快递箱（重量约1.5kg、尺寸25cm×18cm×10cm）并搬运至指定货架"的任务，如图6-3所示。Optimus的多关节手部先完成同步预弯曲（模仿人类手掌张开的环绕姿态），随后拇指与其余四指协同向快递箱轮廓靠近，通过指腹的柔性接触件与箱体形成"面-面"包裹接触；手部集成的分布式压力传感器会实时检测各指的受力分布，自动将抓取力调整至30N左右（既满足快递箱的负载需求，又避免压损箱内物品），最终将快递箱稳定固定在掌心。即便在图中展示的移动过程中，它也能通过抓取力的动态微调维持包裹稳定性，完美匹配包裹抓取"大负载、高稳定"的核心需求，是当前商用人形机器人包裹抓取功能在物流场景的典型落地案例之一。

图6-3 Optimus搬快递

（2）适用场景与典型物体

人形机器人包裹抓取的应用场景说明如表6-4所示。

表6-4 人形机器人包裹抓取的应用场景说明

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| 应用场景 | 典型物体 | 核心要求（仿生手设计策略） |
| 家庭服务（重物搬运） | 水瓶（500ml）、饭盒、书籍、背包 | 抓取稳定（运动中不脱落），抓取力足够（20~50N） |
| 工业物流（零件搬运） | 零件盒、工具包、小型工件（1~5kg） | 负载能力强（额定负载≥5kg），适应不规则物体轮廓 |
| 户外作业（辅助操作） | 对讲机、灭火器、户外工具 | 抗干扰性好（如振动、轻微碰撞不脱落），握持牢固 |

（3）仿生手设计策略

结构要求：手指采用"多关节串联"结构（至少3关节/指），弯曲时能自然贴合物体轮廓（如圆形、方形物体）；手掌设计为"弧形包容空间"（模仿人类手掌弧度），避免物体在掌心滑动，手指长度比例适配（近节＞中节＞远节）；可以采用"关节耦合设计"（如PIP与DIP关节联动），减少驱动单元数量，降低控制复杂度。
驱动要求：手指弯曲驱动可采用"并联驱动"（多关节共用1个电机，通过连杆/肌腱联动），提升负载能力（扭矩≥0.1N・m/指）；电机需要具备过载保护功能（如负载超过50N时自动停止，避免结构损坏）。
感知要求：指腹覆盖分布式压力传感器（至少3个/指），检测压力分布，确保物体受力均匀（避免局部压强大导致损坏）；手掌内置重力传感器，检测物体重量，自动调整抓取力（重量越大，抓取力越大，但不超过阈值）。

（4）关键技术难点与解决思路

难点1：不规则物体抓取不稳定（如多边形零件）→解决方案：优化手指弯曲轨迹（通过仿真模拟不同物体轮廓），增加指腹柔性材料厚度（5~8mm）；
难点2：多手指协同控制复杂→解决方案：采用"关节耦合"减少驱动单元，通过简单的同步控制逻辑（如单电机驱动多手指弯曲）降低复杂度。
对比

两种抓取类型的核心差异与工程化策略选择如表6-5所示。

表6-5 两种抓取类型的对比

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| 对比维度 | 精细抓取 | 包裹抓取 |
| 核心特征 | 指尖对合，高精度、小负载 | 多指环绕，高稳定、大负载 |
| 适用物体 | 小尺寸（≤5cm）、轻重量（≤500g）、精密/易碎 | 大尺寸（≥3cm）、重重量（≥500g）、规则/不规则 |
| 手指动作 | 拇指对掌+单指/双指精准弯曲 | 多指协同弯曲+手掌包容 |
| 自由度需求 | 高（拇指3DOF+手指 2~3DOF/指） | 中（手指2~3DOF/指，可耦合） |
| 驱动方案 | 独立驱动（精准控制） | 并联/耦合驱动（简化控制） |
| 感知重点 | 指尖单点压力（精度 ±0.1N） | 指腹分布式压力（均匀性） |
| 控制复杂度 | 高（需精准姿态闭环） | 中（需协同弯曲闭环） |

在实际设计过程中，仿生手的抓取设计策略原则如下。

场景适配优先：服务型仿生手（家庭、医疗）需重点优化精细抓取，工业/物流型仿生手需强化包裹抓取；
结构简化平衡：无需两种类型都追求极致------如家庭机器人可采用"精细抓取为主+简易包裹抓取"（手指3指独立驱动+2指耦合），平衡性能与成本；
功能复用设计：通过传感器自适应切换抓取模式（如检测到小物体自动启动精细模式，大物体启动包裹模式），提升通用性。

总而言之，精细抓取与包裹抓取是仿生手的两大核心功能，分别对应"精准操作"和"稳定负载"的需求，其设计逻辑源于人类手指的运动特性（拇指对掌、多关节协同）。工程化实现时，需根据目标场景（服务、工业、医疗）明确优先级：精细抓取侧重"高精度驱动+灵敏感知"，包裹抓取侧重"协同结构+负载能力"，通过结构简化、驱动优化和感知适配，实现"功能够用、成本可控"的仿生设计，避免过度追求全场景覆盖导致的复杂度上升。

6.1.3 多关节耦合与独立驱动

多关节耦合与独立驱动是仿生手两大核心驱动架构，其设计逻辑直接决定手指的运动灵活性、控制复杂度、结构紧凑性及成本。两种方案无绝对优劣，核心是适配仿生手的目标场景（如精细操作、重载抓取）和硬件约束（如电机空间、成本预算）：多关节耦合追求"简化结构、降低成本"，独立驱动追求"极致灵活、精准控制"，实际应用中常采用"混合驱动"方案平衡二者优势。

核心定义与设计逻辑

多关节耦合驱动是指多个手指关节（如同一手指的PIP与DIP关节、或多根手指的同名关节）通过机械结构（连杆、肌腱、齿轮）联动，共用一个驱动单元（电机/舵机），实现"单动力源带动多关节协同运动"。其设计灵感源于人类手指的"被动协同"（如弯曲手指时，PIP关节与DIP关节自然联动，无需刻意控制），核心是"用机械结构替代部分控制逻辑"。

核心实现方式

在人形机器人工程落地场景中，常用的耦合机构类型如表6-6所示。

表6-6 常用的耦合机构类型说明

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| 耦合机构类型 | 结构原理 | 核心优势 | 适配场景 |
| 连杆耦合（平行四边形） | 用平行四边形连杆连接同一手指的PIP与DIP关节，关节转动角度成固定比例（如PIP弯曲30°→DIP弯曲20°） | 运动轨迹稳定、力传递效率高（＞85%） | 包裹抓取（手指需贴合物体轮廓）、重载场景 |
| 肌腱联动耦合 | 同一手指的多关节共用一根传动肌腱（如屈肌腱同时拉动PIP与DIP关节弯曲），通过滑轮改变力的方向 | 结构紧凑、重量轻（单指重量可降低 30%） | 轻量化仿生手、空间受限的手指设计 |
| 齿轮耦合 | 多根手指的掌指关节（MCP）通过齿轮啮合，实现手指同步开合（如食指与中指同时弯曲/伸展） | 协同性强、控制简单 | 批量抓取（如抓握书本、盒子）、低成本量产机型 |

（3）结构简化：

减少电机数量（如单指3关节仅需1个电机，而非3个），降低手指体积和重量（适合紧凑空间）；
控制简单：无需独立控制每个关节的角度，仅需控制单一驱动单元，降低算法复杂度和编程难度；
成本可控：电机、传感器数量减少30%~50%，量产成本显著降低（适合消费级、工业级量产仿生手）；
运动平稳：机械结构强制关节协同，避免运动卡顿或关节角度不协调（如手指弯曲时指尖歪斜）。

（4）关键设计要点

耦合比例优化：通过调整连杆长度、肌腱固定点位置，设定关节联动比例（如PIP:DIP=3:2），确保手指弯曲时能自然贴合物体轮廓（如圆形、方形物体）；
机械限位保护：在关节处设置机械限位（如弯曲角度≤110°、伸展角度≤0°），避免过载导致关节损坏；
传动效率提升：耦合机构的运动副（如连杆轴、齿轮）采用POM或黄铜材质，配合润滑脂，降低摩擦损耗（传动效率≥80%）。
独立驱动：精准灵活的全自由度控制方案

（1）核心定义与设计逻辑

独立驱动是指每个手指关节（如同一手指的MCP、PIP、DIP关节）均配置独立的驱动单元（微型电机/舵机）和位置传感器（编码器），关节运动互不干涉，可通过控制算法实现"任意关节的独立角度调节"。其核心是"用多驱动单元和复杂控制，换取极致的运动灵活性"，完美适配精细抓取对"精准姿态控制"的需求。

（2）核心实现方式

在人形机器人的实际工程应用中，不同场景需要搭配不同的驱动单元，常用驱动单元的具体类型说明如表6-7所示。

表6-7 常用的驱动单元类型说明

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| 驱动单元类型 | 结构原理 | 核心优势 | 适配场景 |
| 微型舵机直接驱动 | 微型舵机（尺寸≤15mm×15mm）直接连接关节轴，输出扭矩控制关节转动 | 结构简单、响应快（启动时间＜10ms） | 小尺寸仿生手、低负载精细操作 |
| 电机+丝杠传动 | 微型直流电机（直径≤8mm）通过滚珠丝杠将旋转运动转为直线运动，拉动关节弯曲/伸展 | 扭矩大（≥0.1N・m）、定位精度高（±0.5°） | 中重载仿生手、工业精密装配 |
| 电机+肌腱传动 | 电机通过钢丝绳/碳纤维绳（模拟人类肌腱）传递拉力，控制关节转动，电机远程布置（手掌/前臂） | 手指轻量化（单指重量≤20g）、空间占用小 | 高仿生人形机器人、需要纤细手指的设计 |

（3）核心优势

运动灵活性极致：每个关节可独立调节角度（如单独弯曲DIP关节实现指尖微调），支持复杂精细动作（如捏起硬币、拧细小螺丝）；
姿态适应性强：可根据物体形状（如不规则零件、曲面物体）灵活调整各关节角度，实现"定制化抓取姿态"；
故障冗余性好：单个关节驱动单元故障时，其他关节仍可正常工作，不会导致整根手指失效。

（4）关键设计要点

驱动单元选型：优先选用微型化、高扭矩密度的电机（如空心杯电机、扁平舵机），单关节电机重量≤10g、尺寸≤12mm×12mm，避免手指过于粗壮；
闭环控制：每个关节配置微型编码器（角度精度±0.5°），实现"位置闭环控制"，确保关节角度重复精度（避免动作偏差）；
布线优化：多电机布线采用"内部走线+柔性线缆"，避免运动时线缆缠绕或断裂（尤其肌腱传动方案）。
混合驱动方案（实际应用主流）

纯耦合驱动灵活性不足，纯独立驱动成本高、结构复杂，实际应用中混合驱动方案成为最优选择------即"核心关节独立驱动，次要关节耦合驱动"，精准匹配抓取需求：

（1）混合驱动的典型设计逻辑

拇指：3个关节全独立驱动（对掌、弯曲、外展）------拇指是精细抓取的核心，需极致灵活；
食指/中指：MCP关节独立驱动（实现侧向微调），PIP与DIP关节连杆耦合------兼顾精细对捏（MCP独立调节）和包裹抓取（PIP-DIP耦合协同）；
无名指/小指：完全耦合驱动（与中指通过齿轮联动）------主要参与包裹抓取，无需独立调节，简化结构。

（2）混合驱动的优势

性能平衡：拇指+食指/中指的独立驱动满足精细操作，无名指/小指的耦合驱动控制成本和体积；
场景覆盖：既能实现捏硬币、拧瓶盖等精细动作，又能稳定抓取水瓶、书本等重物；
成本可控：电机数量比纯独立驱动减少40%~50%，兼顾性能与量产可行性。
耦合驱动的参数优化：以拟人化关节运动为目标

多关节耦合驱动的核心痛点是"耦合比例固定，难以匹配人类手指的自然运动轨迹"，而在《Design and Optimization of an Anthropomorphic Robot Finger》中提出了几何约束+均方误差优化方法，为耦合驱动的拟人化参数设计提供了可落地的技术路径，其核心是通过精准的连杆参数设计，让耦合关节的运动比例接近人类手指的自然协同规律。

（1）核心设计方法

以"人类手指关节的运动范围与比例"为约束，针对四杆连杆耦合机构（适配 PIP 与 DIP 关节的耦合），通过几何建模与优化算法确定连杆参数，具体逻辑如下：

关节与连杆的对应关系：如图6-6所示，连杆AF、FH、HJ分别对应仿生手指的近节、中节、远节指骨；角度α（MCP关节）、β（PIP关节）、γ（DIP关节）对应各关节的转动角度，其最大运动范围参考人类手指设定为：αₘₐₓ=90°、βₘₐₓ=102°、γₘₐₓ=68°。
优化目标：以"关节耦合运动比线性化"为核心目标，即让PIP与DIP关节的转动角度保持接近人类手指的自然比例（如PIP:DIP≈3:2），避免耦合运动时指尖姿态歪斜。
优化方法：先通过拟人化设计原则确定部分连杆参数，再结合几何约束（指骨长度、关节位置）与均方误差优化，计算剩余连杆参数，确保耦合机构的运动轨迹与人类手指的偏差最小。

图6-6 四杆连杆耦合机构的几何约束与关节角度定义

（2）技术价值

该方法的核心价值在于解决了传统耦合驱动"运动轨迹非拟人化"的问题，让耦合驱动的手指既能保持 "单动力源、结构简化" 的优势，又能在包裹抓取时更自然地贴合物体轮廓，同时避免了独立驱动的高成本与复杂控制，是工业级、消费级仿生手耦合驱动设计的重要参考方案。

总而言之，多关节耦合与独立驱动的核心取舍是"灵活性与复杂度"，其中场景优先于技术------若目标是消费级服务机器人（需低成本、高可靠性），优先选择多关节耦合驱动；若目标是科研级仿生手或精密操作机器人（需高灵活性），优先选择独立驱动；若需兼顾全场景需求，混合驱动是最优工程方案。设计时无需追求"极致性能"，而是以"满足核心抓取需求、控制结构复杂度"为目标，通过机械结构优化（如耦合比例）和控制算法简化（如姿态模板），实现"功能够用、成本可控"的驱动架构设计。