1、靈巧手核心技術不斷發展,主流廠商產品百花齊放
人形機器人作為仿人的產品,終極目標是做到替人與仿人,因此靈巧手理應是人形機器人末端執行的最優選擇。人形機器人通過靈巧手能夠使用人類設計的工具,以人的形態感知世界,更好地融入應用場景。靈巧手本就以人手的結構和功能為模仿對象,研究的最終目標也是期望能夠像人手那樣對生產、生活中的各類物體進行穩定且靈活的抓持和操作。在靈巧手數十年的發展之中,多指靈巧手的自由度、傳感器數量持續提升,但高度系統集成的靈巧手具有靈活性和功能性的同時,卻也導致了高額的制造成本且降低了系統的可靠性和易維護性。
根據自由度數量、驅動方式、傳動方式以及傳感方式的不同,靈巧手可以分為若干類型。根據自由度與驅動源數量,可將靈巧手分為全驅動和欠驅動兩大類。全驅動靈巧手的驅動源數量與自由度相等,每個關節都有獨立驅動器,能夠實現高度靈活和精確的動作,適合復雜任務。相比之下,欠驅動靈巧手的驅動源數量少于自由度,部分關節通過耦合隨動。這種設計使得其結構簡單、成本低、能耗低,適合簡單抓取和搬運任務,如物流分揀、工業搬運等。然而,它的靈活性和控制精度相對較低,難以應對復雜精細的操作。
全驅動靈巧手與欠驅動靈巧手對比
/ | 全驅動靈巧手 | 欠驅動靈巧手 |
優點 | 控制精度高、功能全面 | 體積小、重量輕、成本低、抗沖擊性強 |
缺點 | 集成性差、成本高、控制系統復雜 | 控制精度低、靈活性受限 |
適用場景 | 精密裝配、醫療手術輔助 | 物流分揀、工業搬運 |
數據來源:觀研天下數據中心整理
按驅動源類型,可將靈巧手分為電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動等多種類型。驅動源是驅動系統的動力源,驅動源性能決定了驅動系統的驅動性能。目前,主流的驅動源有:電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動、形狀記憶合金(SMA)驅動。電機驅動是目前多指靈巧手的主要驅動方式之一,具有驅動力大、控制精度高、響應快、模塊化設計、易于更換維護等優點。但是電機本身固有的體積較大等缺陷,導致無論是外置還是內置,都會占用較大的物理空間,并且市場上很難匹配到通用電機。相比之下,液壓驅動式機械手的驅動系統一般由液動機、伺服閥、油泵和油箱等組成,驅動機械手完成任務,常被用于工業機械手中,適合大型抓取作業。液壓驅動能獲得較大的工作力,能帶動較大的負荷,但體積大,成本高,容易被污染。
電驅靈巧手與液壓靈巧手對比
/ | 電驅靈巧手 | 液壓靈巧手 |
優點 | 控制精度高、響應速度快、體積小 | 功率密度大、負荷高 |
缺點 | 功率密度低 | 控制精度低、響應速度慢、體積大 |
適用場景 | 精密裝配、醫療 | 重型機械操作 |
數據來源:觀研天下數據中心整理
按傳動方式劃分,可將靈巧手分為齒輪傳動、連桿傳動、腱繩傳動等多種類型。齒輪傳動是通過齒輪之間的嚙合來傳遞動力和運動的傳動方式,具有高傳動效率和精確的運動控制特性,但結構復雜且成本較高;連桿傳動利用連桿組件將動力源的運動轉化為手指的運動,其特點是剛度大、負載能力強且成本較低,不過結構相對復雜、體積較大且柔性不足;腱繩傳動則通過腱繩連接動力源與手指關節,實現動力傳遞,具有結構緊湊、重量輕、靈活性高的優點,但精度相對較低且腱繩易磨損,壽命有限。在實際運用上,連桿傳動方案較為成熟,在現有靈巧手傳動方案中使用較為常見;長期看腱繩傳動優勢更加明顯,有望成為未來的主流方案。
靈巧手不同傳動方式的對比情況
/ | 齒輪傳動 | 連桿傳動 | 腱傳動 |
定義 | 通過多個齒輪的相互嚙合,將輸入軸的運動和動力傳遞到輸出軸,實現速度、扭矩和方向的轉換 | 通過一系列剛性或半剛性的連桿組件將動力源的運動傳遞到末端執行器 | 模仿人類肌腱系統,通過腱繩牽引實現動力傳遞 |
優點 | 傳動效率高,手指動作相互獨立且靈活度高,抓取力大 | 剛度大,負載能力強,制造簡單,成本低 | 靈活性高,結構緊湊,重量輕,可實現遠距離傳動 |
缺點 | 結構復雜,重量大,故障率較高,成本高 | 自重重,抗沖擊能力弱,柔性不足,結構復雜,體積大 | 精度不高,抓取力不大,易磨損,裝配復雜性高,腱繩壽命有限 |
典型案例 | VincentHandi-limbultraHand | BeBionicHand因時機器人-RH56DFX | ShadowHandPISA/IITSoftHand |
數據來源:觀研天下數據中心整理
根據觀研報告網發布的《中國靈巧手行業發展趨勢分析與投資前景研究報告(2025-2032年)》顯示,靈巧手電機主要有空心杯電機、直流無刷電機和無框力矩電機??招谋姍C采用無鐵芯結構,具有高效能和低噪音優點,適用于高精度控制;直流無刷電機通過電子換向器控制磁場,具有高轉速和高效能特點;無框力矩電機設計特殊,能實現高精度力矩輸出,適用于要求快速響應和降低轉動慣量的場合。
靈巧手電機類型及特點
項目 | 空心杯電機 | 直流無刷電機 | 無框力矩電機 |
結構 | 采用無鐵芯轉子,也叫空心杯型轉子,屬于直流永磁的伺服、控制電機。 | 由電動機主體和驅動器組成,電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,轉子上粘有已充磁的永磁體。 | 由轉子、定子和力矩控制組件等構成,無外框結構,轉子和定子設計特殊,利于實現高精度力矩輸出,減少機械限制和轉動慣量。 |
原理 | 采用無鐵芯轉子,這種轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗,同時其重量和轉動慣量大幅降低,從而減少了轉子自身的機械能消耗。 | 無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品,通過電子換向器控制電機的磁場,實現無接觸的換向。 | 基于電磁感應,精確控制定子繞阻電流產生的磁場與轉子永磁體磁場相互作用,無框結構優化磁場分布和力矩傳遞效率。 |
效率 | 最大效率一般在80%以上,部分產品達到90%以上 | 可達90%以上,部分高性能的直流無刷電機效率能達到95%左右 | 一般在80%-90%左右,受多種因素影響,優化設計可使部分電機達到90%以上。 |
轉速 | 轉速非常高,可以達到數萬轉每分鐘 | 可以實現較高的轉速,但通常在10000轉/分鐘以下 | 通常在每分鐘數千轉以下,側重穩定力矩輸出,高轉速時受散熱和機械強度影響。 |
轉動慣量 | 轉動慣量最低 | 相對較高 | 轉動慣量較低,能快速響應力矩變化,實現高精度動態控制。 |
響應速度 | 起動、制動迅速,響應極快,機械時間常數小于28毫秒,部分產品可以達到10毫秒以內。 | 響應速度相對無刷空心杯電機較慢。 | 響應速度極快,能在毫秒級甚至微秒級對控制信號進行精確力矩調整。 |
噪音 | 噪音水平極低。 | 噪聲也較低,沒有電刷摩擦和換向電流的噪聲。 | 噪音小,運行平穩,無明顯機械振動和電磁噪聲。 |
運行穩定性 | 轉速波動很小,作為微型電動機其轉速波動能夠容易地控制在2%以內。 | 穩定性好 | 運行穩定,能長時間保持穩定力矩輸出,受干擾小,可通過閉環控制提高穩定性。 |
數據來源:觀研天下數據中心整理
靈巧手作為機器人技術中的關鍵末端執行器,近年來在工業自動化、服務機器人、醫療康復、教育娛樂等多個領域展現出巨大的應用潛力。隨著技術的不斷進步和市場需求的日益增長,靈巧手行業正迎來前所未有的發展機遇。在國際上,靈巧手技術的發展已經相對成熟,具有代表性的國外企業包括Qbrobotics、SCHUNK、ShadowRobot和Tesla。這些企業成立較早,具有明顯的先發優勢。例如,SCHUNK于1982年開始從事機器人抓取技術的研究,其產品以工業級的可靠性和模塊化設計著稱;ShadowRobot則成立于1997年,專注于高自由度靈巧手的研發,并且在AI融合方面有深厚的技術積累。近年來,我國的靈巧手企業也迅速崛起,發展勢頭迅猛。以因時機器人、兆威電機、傲意科技和帕西尼為代表的企業,在技術創新和產品應用方面取得了顯著成就。例如,因時機器人是國內最早實現靈巧手商業化量產的企業之一,其產品在性價比方面具有突出優勢;兆威電機則憑借其在微型傳動系統領域的技術優勢,自主研發了電動直驅多指仿生靈巧手。
國內外靈巧手產品對比
/ | 產品 | 成立時間 | 自由度 | 驅動方式 | 傳動方案 |
Qbrobotics | QbSoftHand | 2011 | 19 | 電機 | 腱繩 |
SCHUNK | SVH | 1945 | 20 | 電機 | 連桿 |
Shadow | Dexterous | 1997 | 24 | 電機 | 腱繩 |
Robot | RobotHand | 1997 | 24 | 電機 | 腱繩 |
Tesla | OptimusGen3 | 2003 | 22 | 電機 | 腱繩 |
因時機器人 | RH56BFX系列 | 2016 | 6 | 電機 | 絲杠 |
兆威機器人 | 兆威靈巧手 | 2001 | 17/20 | 電機 | 絲杠 |
傲意科技 | ROHand | 2015 | 6 | 電機 | 絲杠 |
帕西尼 | DexH5 | 2021 | 13 | 電機 | 連桿 |
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2、人形機器人產業加速落地,靈巧手東風已至
2022年底ChatGPT的推出引發了生成式AI熱潮,作為AI具身智能最佳落地實體的人形機器人,成為2023年以來熱度最高的投資方向之一。從產業端來看,受益于政策、產業巨頭等方面的加持,人形產業趨勢提速,其大小腦訓練路徑、硬件架構方案等持續明晰、成熟,盡管靈巧手精準性、關節扭矩、續航仍存制約,但產業發展趨勢明晰,人形機器人應用落地指日可待。資本有力賦能人形產業發展,市場規?;蜓杆僭鲩L。從投資數據來看,2023年我國人形機器人相關投資金額54.31億元,投資事件21起;2024年投資金額132.7億元,投資事件52起,資本支持持續賦能產業發展。
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國家高度重視人形機器人產業發展,2025年《政府工作報告》首次提出“要培育具身智能,發展智能機器人”,各地均在資金、產業配套等方面給予充分支持,紛紛出臺相關支持政策,地方性產業投資基金接續成立,賦能行業培育壯大。
人形機器人產業相關政策
時間 | 文件名稱 | 發布機構 | 內容及意義 |
2025.3 | 《珠海市推動人工智能與機器人產業高質量發展若干措施(征求意見稿)》 | 珠海市工業和信息化局 | 深入貫徹落實國家、省發展人工智能與機器人產業的決策部署,構筑高技術、高成長、大體量的產業新支柱,加快建設“云上智城” |
2025.3 | 四川省人工智能產業專項支持政策 | 四川省人民政府 | 目前已經建立人工智能重點產業鏈推進機制,擬對人工智能技術攻關、產業發展、算力和數據供給、要素保障等方面予以支持,全面推動四川省人工智能產業持續發展壯大。 |
2025.3 | 《廣東省推動人工智能與機器人產業創新發展若干政策措施》 | 廣東省人民政府辦公廳 | 為深入貫徹落實國家發展人工智能與機器人產業的戰略決策,著力構筑高技術、高成長、大體量的產業新支柱,打造全球人工智能與機器人產業創新高地. |
2025.3 | 廣東省屬人工智能與機器人產業投資基金 | 中國工商銀行廣東省分行 | 該基金首期規模為20億元人民幣,將重點投資于省內外人工智能、機器人等科技創新和先進制造領域產業鏈。目前,基金已儲備擬投資項目10余個,顯示出廣東省在推動科技創新和產業升級方面的積極布局。 |
2025.3 | 《武漢市2025年人工智能產業發展行動方案》 | 武漢市人民政府 | 武漢市財政部門“專項資金+產業基金”大力支持人工智能產業發展,設立3000億規?;?,建立容錯免責機制。 |
2025.3 | 《深圳市具身智能機器人技術創新與產業發展行動計劃(2025-2027年)》 | 深圳市科技創新局 | 通過技術突破和企業培育,到2027年將具身智能機器人產業規模提升至1000億元以上。 |
2025.3 | 《政府工作報告(2025)》 | 國務院 | 2025年《政府工作報告》中首次提出要培育具身智能,發展智能機器人。持續推進“人工智能+”行動,將數字技術與制造優勢、市場優勢更好結合起來,支持大模型廣泛應用,大力發展智能網聯新能源汽車、人工智能手機和電腦、智能機器人等新一代智能終端以及智能制造裝備。 |
2025.2 | 《蘇州工業園區具身智能機器人產業發展行動計劃(2025-2027年)》 | 蘇州市人民政府 | 搶抓發展機遇,緊扣園區發展實際,積極推動產業創新,加快塑造新動能、新優勢,助力高水平推進新型工業化,更好賦能區域高質量發展。 |
2025.2 | 《杭州市人民政府辦公廳關于印發杭州市促進人形機器人產業創新發展的若干政策措施的通知》 | 杭州市人民政府辦公廳 | 打造人形機器人產業集群的規劃部署,培育新質生產力,賦能機器人產業高質量發展 |
2025.2 | 萬臺機器人創新應用計劃 | 北京經開區機器人與智能制造產業局 | 北京亦莊將發布機器人九大標桿場景機會清單,亦莊將在2年內釋放超萬臺、近50億元具身機器人應用機會,并發布養老、醫療、園林等機器人標桿示范場景具體需求和企業需求。 |
2025.2 | 《北京具身智能科技創新與產業培育行動計劃(2025-2027年)》 | 北京市科學技術委員會等 | 到2027年,北京具身智能的量產總規模將率先突破萬臺,培育千億級產業集群;支撐不少于100家創新主體開展技術創新,提升產品迭代速度。 |
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根據2024年首屆中國人形機器人產業大會發布的《人形機器人產業研究報告》,2024年,中國人形機器人市場規模約27.6億元,隨著技術進步、應用范圍擴大以及需求增長,到2029年,規模有望增長至750億元,到2035年進一步增至3000億元。
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2023年全球機器人靈巧手市場容量為66.69萬只,市場規模為15.07億美元。隨著研究不斷深入和技術突破,其應用領域持續拓展,市場前景廣闊。預計到2030年,市場容量有望達到141.21萬只,市場規模將實現30.35億美元,CAGR為14.5%。
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