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机器人灵巧手，不是简单增加电机和自由度。机器人手要完成抓握、夹持和精细操作，不仅需要手指屈伸，还要具备内收、外展、对置和腕部双自由度运动。随着自由度增加，执行器、腱绳、传感器和关节结构之间的空间冲突也会迅速加剧。
近期特斯拉公司公开了三篇中文专利，三项发明分别围绕机器人手的三个关键环节展开：
- 第一项解决如何产生运动，通过前臂内置线性致动器、腱绳传动和差动腕部机构，构建高自由度机器人手臂。
- 第二项解决如何传递运动，通过重构控制线缆穿越腕部及手指关节的路径，降低摩擦、串扰和张力损失。
- 第三项解决关节如何运动和长期工作，利用滚动接触与复合柔性构件，实现关节约束、被动回弹和跨关节通信。
- 三项技术共同构成了一套从动力产生、运动传递到关节执行与感知反馈的完整机器人手架构。
《机器人附肢》：以前臂内置执行器驱动高自由度机器人手
发明背景：自由度越高，手部空间越紧张 。机器人手需要适应不同形状和方向的物体。除手指屈曲外，还要实现横向张开、手指对置和腕部俯仰、偏转。但手掌和手指内部空间有限，难以直接容纳大量电机。该方案将主要执行器集中布置在前臂，通过拉伸构件向手指传递动力，在提高自由度的同时减轻手部重量。
核心创新：两个线性致动器驱动双自由度腕部。 腕部采用万向节结构，可分别围绕俯仰轴线和偏转轴线旋转。两套电动线性致动器通过刚性连杆连接手部
两个致动器同步运动时，驱动腕部俯仰
两个致动器产生差动位移时，驱动腕部偏转
这种结构利用两套线性执行器组合控制两个旋转自由度，减少了独立旋转执行器和复杂传动机构。腕部采用悬臂轴承、中央轨道和弯曲连杆，在保证活动范围的同时，为手指腱绳穿过腕部预留空间。
腱绳驱动手指屈曲、内收、外展和对置 。手指由多节指骨组成，动力来自前臂内的电动线性致动器。致动器张紧不同拉伸构件，控制手指运动。主要包括三类拉伸构件：屈曲构件
连接远侧指骨，张紧后带动手指向手掌方向弯曲；张开构件
成对布置，分别控制手指内收和外展；对置构件
控制拇指或小指整体转向手掌内部
两条张开构件还可采用差动控制：单独张紧其中一条，驱动手指横向运动；同时张紧两条，则可参与手指屈曲。在一个实施例中，17个手指致动器控制22个手部自由度。加上腕部两个自由度和前臂滚转自由度，整套机器人臂组件达到25个自由度。
主动抓握与被动回位 。手指关节中设置弹簧等偏压构件。致动器张紧腱绳时，手指主动屈曲并抓握物体；致动器释放张力后，弹簧推动手指恢复伸展状态。这种“主动抓握、被动回位”的设计减少了伸展方向的主动驱动需求，同时通过机械止挡限制关节运动范围，避免过度屈曲或伸展。
分布式触觉和位置感知 。触觉传感器可布置在指骨、手掌及对置结构上，用于检测接触状态、接触力和温度。位置感知则可通过编码器、惯性测量单元或视觉标记实现。控制器结合触觉和姿态信息，协调手指、腕部和前臂运动，形成闭环控制。
技术优势 。该方案的核心优势在于：
执行器集中于前臂，减轻手掌和手指重量
两个线性致动器实现腕部双自由度差动控制
腱绳结构支持屈曲、内收、外展和对置等复杂运动
弹簧回位与分布式传感器兼顾能效、柔顺性和控制精度
根据一个实施例的包括腕组件的机器人臂组件的侧视图
机器人臂组件的俯视图
机器人臂组件的腕组件处于围绕枢转轴线的第一位置时的透视图。腕组件处于围绕枢转轴线的第二位置时的透视图。腕组件处于围绕偏转轴线的第一位置时的透视图。 腕组件处于围绕偏转轴线的第二位置时的透视图
腕组件中的轴承的侧视图
根据一个实施例的包括手的图1的机器人臂组件的透视图。 机器人臂组件的底视图。的手的底部透视图。
手的底部透视图。 图8的手的示意图
《机械致动的机器人手》：重新设计腱绳穿越腕部与手指的路径手
发明背景：线缆运动会干扰手指和腕部控制 。远置执行器需要依靠大量控制线缆向手指传递力量。当线缆穿过具有两个旋转自由度的腕部时，如果距离旋转轴线过远，腕部运动就会改变线缆长度和张力，引发手指误动作；手指致动也可能向腕部施加额外扭矩。线缆进入手指后，还要跨越多个关节。走线位置不合理，会增加摩擦、发热和张力损失，并产生非预期关节力矩。
核心创新：线缆排列在腕部两侧发生转换 。控制线缆在腕部前臂侧采用横向堆叠，进入手部侧后转换为竖直堆叠。横向排列用于缩小线缆相对于俯仰轴线的力矩臂；竖直排列用于缩小线缆相对于偏转轴线的力矩臂。两种排列之间的过渡区尽可能靠近腕部旋转中心。
这一设计能够减少腕部运动引起的线缆路径变化和寄生扭矩，降低手指与腕部之间的运动串扰。腕部两侧还设置线缆支撑结构，用于保持线缆排列顺序，防止线缆在运动过程中散开、交叉或相互挤压。
按照五根手指对控制线缆分组 。控制线缆按照拇指、食指、中指、无名指和小指进行分组，并根据目标手指在手掌中的位置排列。靠近线缆堆叠一侧的线缆连接同侧手指，中间线缆连接中部手指。这种提前分组的方式，可以减少线缆进入手掌后的交叉和横向移动。
用线缆走向决定关节运动方向 。控制线缆在不同关节的前方或后方通过。由于线缆与关节旋转轴线 的相对位置不同，同一方向的拉力可以产生不同方向的关节力矩。部分线缆连接远侧指骨并跨越多个关节，用于驱动手指整体屈曲；另一些线缆连接近侧结构，用于控制掌 指关节屈曲、内收和外展。线缆路径因此不仅承担动力传递功能，也直接决定手指的运动方向和关节耦合关系。
指骨内部设置连续线缆通道 。各段指骨中设置与关节连通的线缆通道。相邻指骨上的通道保持横向对准，使线缆能够沿预定路线跨越关节并到达终端结构。这种设计可以：
防止线缆在指骨内部横向游移
减少额外弯曲和摩擦
避免线缆错位产生非设计方向的力矩
降低端接位置的应力集中
控制线缆还可采用编织材料、低摩擦涂层、耐磨套管和润滑结构，以减少长期运行中的磨损、发热和力量损失。
技术优势 。该方案的价值主要体现在：
降低腕部运动造成的线缆长度变化
减少腕部与手指之间的运动串扰
减少线缆交叉、摩擦和张力损失
提高手指动作的精度、一致性和耐久性
对于腱绳驱动机器人手而言，执行器决定力量上限，线缆路径则决定力量能否准确到达目标关节。
图1是根据一个实施例的机器人臂组件的侧视图。图2是根据一个实施例的图1的机器人臂组件的俯视图。 图3是根据一个实施例的机器人臂组件的透视图
图4是根据一个实施例的控制线缆布置的透视图。图5是根据一个实施例的支撑图4的控制线缆布置的腕关节的透视图
图6是根据一个实施例的附肢构件的透视图。图7是根据一个实施例的图6的附肢构件的透视图，其中移除了部分手指构件。图8是根据一个实施例的图6中附肢构件的侧视图
《用于机器人附肢的关节组件》：复合柔性构件与滚动关节
发明背景：关节既要柔顺，也要稳定 。机器人手指关节需要允许目标方向的屈曲，同时限制横向平移、结构分离和扭转。此外，触觉传感器和其他电子设备的线束需要反复跨越关节。如果线束长期承受拉伸和压缩，容易影响电气连接和关节寿命。该方案利用弯曲接触表面和复合柔性构件，将运动、约束、回弹和跨关节通信整合在同一结构中。
核心创新：旋转轴线随接触点移动 。相邻指骨分别设置相对的弯曲接触表面。关节运动时，两段指骨沿表面滚动，而不是围绕固定销轴旋转。随着接触位置改变，关节的瞬时旋转轴线也沿接触表面移动。这种滚动结构能够形成更加连续的指骨运动。复合柔性构件连接两段指骨，使接触表面保持贴合，同时限制指骨分离和横向错位。
弹性体与高强度中间层形成复合韧带 。复合柔性构件由两层柔性材料和中间增强层组成。柔性层可采用橡胶、硅树脂等弹性体，负责弯曲、缓冲和回弹；中间层可采用织物或金属材料，用于限制纵向拉伸、横向平移和扭转。这种结构具有方向性刚度：
在手指屈曲方向保持柔顺
在非目标运动方向保持较高刚度
因此，复合柔性构件同时承担关节韧带、回位弹簧和运动约束件的作用。柔性层硬度可处于肖氏硬度10A至80A之间，中间增强材料则提供更高的抗拉强度，以适应长期循环运动。
不同关节采用不同厚度 。手指近端关节承受的载荷和力矩通常大于远端关节。因此，靠近手掌的复合柔性构件可以设计得更厚，靠近指尖的构件则相对更薄，使不同关节的强度和柔顺性与实际载荷相匹配。
将柔性线束嵌入中性弯曲区域 。柔性线束可直接设置在复合柔性构件内部，用于传输传感器数据和电能。线束靠近关节中性弯曲平面布置。关节弯曲时，这一区域的长度变化较小，可以减少线束反复承受拉伸和压缩。这种设计将机械连接和电气连接结合起来，降低独立线束跨越关节时的疲劳和损坏风险。
技术优势 。该方案的核心优势包括：
滚动接触结构形成连续、柔顺的关节运动
复合柔性构件同时提供连接、约束、缓冲和回弹
方向性刚度限制平移和扭转等非目标运动
不同厚度设计适配不同关节载荷
中性平面布线降低跨关节线束的循环应力
图1是根据一个实施例的手指一部分的底部透视图。图2是图1的手指的侧视图。 图3是图1的手指的截面图
图4是图1的手指处于延伸构造时的侧视图。图5是图1的手指处于弯曲构造时的侧视图。 图6是根据一个实施例的图1的手指的柔性构件的透视图
图7是根据一个替代实施例的图1的手指的柔性构件的透视图。图8是图7的柔性构件的第二视图
组成一套完整的机器人手技术架构
将三项发明放在一起，可以看到一条完整的动力与信息链路。
动力首先由前臂内的电动线性致动器产生。腕部通过两套致动器、刚性连杆和万向节完成俯仰与偏转。手指致动器则张紧不同拉伸构件，控制手指屈曲、内收、外展和对置。
随后，控制线缆以特定排列穿过腕部。前臂侧采用横向堆叠，手部侧切换为竖直堆叠，过渡区靠近两条腕部旋转轴线。进入手掌后，线缆按照五根手指分组，再通过指骨上的连续通道到达相应端接位置。
在线缆将力量传递到指骨后，复合柔性关节控制相邻指骨沿弯曲表面滚动。柔性韧带限制非期望运动，并提供被动回弹。触觉和位置传感信号则通过位于中性弯曲区域的线束传回控制器，形成闭环控制。
这套体系可以概括为三个层次：
第一层是运动生成。通过前臂内置线性致动器和差动机构产生腕部及手指运动。
第二层是运动传递。通过低串扰、低摩擦、低路径变化的腱绳布线，将力量准确送到目标指骨。
第三层是运动约束与状态反馈。通过复合柔性滚动关节、触觉传感器和位置感知，控制关节运动边界，并将接触与姿态信息反馈给控制器。
这三层结构共同解决了高自由度机器人手最核心的工程矛盾：执行器可以提供足够多的运动自由度，但只有在腕部布线、指骨走线、关节寿命和传感反馈同时成立时，这些自由度才真正具有可用性。
文章资料：特斯拉公司专利
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