一、人形机器人胳膊设计的重要性
人形机器人胳膊在生产、生活等领域发挥着至关重要的作用。无论是在工业制造、医疗服务、军事防御还是日常生活中，人形机器人胳膊都展现出了巨大的潜力。
在工业领域，人形机器人胳膊可以承担搬运、操作等任务，提高生产效率和精度，降低生产成本。例如，超轻量仿人形机械臂能够应用于导轨、底盘等各种移载平台，实现全空间内的操作任务需求。在大型数据中心，平均每天要更换 2000 多块硬盘，排列紧凑，而 7 轴机械臂伸缩自如，能搭载在约 50*50 厘米的小车上，最高可以升到 3 米，并能负重 5 千克，可以完全满足大型数据中心使用需求。
在医疗领域，人形机器人胳膊可以进行精细的手术操作，提高手术的准确性和安全性。同时，在康复治疗中，人形机器人胳膊也可以帮助患者进行康复训练，促进患者的恢复。
在日常生活中，人形机器人胳膊可以为人们提供各种服务，如家庭清洁、照顾老人和孩子等。随着科技的不断进步，人形机器人胳膊的应用范围还将不断拓展，为人们的生活带来更多的便利。
总之，人形机器人胳膊的设计直接影响机器人的性能和应用范围，对于推动各个领域的发展具有重要意义。
二、设计案例展示
（一）中国小伙设计的机器人手臂
五位中国小伙设计的机器人手臂叫 dobott，这款机器人手臂引起了美国科技界的广泛关注。它能够在短时间内快速完成穿针引线的任务，对于老年人来说是一个非常好的帮手。其控制开关采用 arduino 技术，通过这一技术，用户能够自己进行编程，以控制机器人手臂的功能。
（二）一种人形机器人手臂的制作方法（X 技术）
1、夹持装置包括连接圆柱、定位壳等，两个滑动夹板均滑动连接在定位壳内，通过第一连接柱与外部连接。连接圆柱右侧设有一端锥面，可与转动固定装置配合。这种设计可滑动连接实现不同姿态放置物体。
2、驱动装置通过连接架、第一电机、齿轮、齿条和限位滑槽等结构实现功能。第一电机固定连接在连接架左端上部，齿轮固定连接在第一电机的输出轴上，两个齿条分别滑动连接在两个滑槽内且均与齿轮啮合，连接架下端固定连接在定位壳上端中部。
3、转动固定装置可拆分，方便维修保养。转动固定装置包括第二电机、连接圆筒、固定架、夹持圆环、第一气缸和夹持体。连接圆筒固定连接在第二电机的输出轴上，两个固定架分别固定连接在连接圆筒上下两端，夹持圆环固定连接在两个固定架左端，多个第一气缸均固定连接在夹持圆环内部，多个夹持体分别固定连接在多个第一气缸内，连接圆柱左端位于连接圆筒内，多个夹持体位于连接圆柱右侧设的锥面处。
3、移动装置实现手臂的旋转和上下移动。移动装置包括第二连接柱、滑块、丝杠架、第三电机和丝杠。滑块左端滑动连接在第二连接柱上，丝杠架固定连接在第二连接柱右侧，第三电机固定连接在丝杠架内部上顿，丝杠上端固定连接在第三电机上，丝杠下端转动连接在丝杠架下端，滑块右端螺纹连接在丝杠上，第二电机固定连接在滑块左端。
（三）手臂机构及人形机器人的制作方法（X 技术）
手臂机构包括肘臂结构、手部结构和腕接结构，通过电连接和螺纹连接配合固定。其中手部结构可互换，拆装便利，连接刚度和整体结构强度较高，能够满足不同的使用需求。
三、胳膊的功能需求
（一）满足不同应用场景
1、超轻量仿人形机械臂可加装各种传感器，满足多行业应用扩展需求。
超轻量仿人形机械臂尺寸按照人类手臂尺寸设计制造，小巧灵活，还可以加装包括力量控制、行程、视觉反馈等多种传感器，以完成不同任务。在普通工况下功率≤22W，具备丰富的末端接口、控制器接口，满足多行业应用扩展需求。产品目前在新零售、新餐饮，医疗康复、工业检测、生物医药、教育教学等领域获得了广泛的应用。例如在大型数据中心，这款 7 轴机械臂伸缩自如，能搭载在约 50*50 厘米的小车上，最高可以升到 3 米，并能负重 5 千克，可以完全满足大型数据中心使用需求。随着科技的不断进步，潜在应用场景不断涌现，比如人类无法完成的高精度仪器操作、危险区域操作，高强度的重复性工作如快递分拣、零件组装等，残障人士等特殊人群也有着多种使用需求。当下的科技已能够实现机械臂与其它设备的组装，机械臂可通过遥控设备进行远程控制。未来，随着脑机接口技术的不断发展，机械臂在人类身上的使用将逐步实现。
2、在工业生产、仓储物流、医疗康复等领域广泛应用。
如今，随着机器人技术的高速发展，越来越多的移动和操作机器人进入了工业生产、仓储物流、医疗康复、商业服务、家庭等领域，大大解放了人力，提高了生产效率。在工业生产中，人形机器人胳膊可以承担搬运、操作等任务，提高生产效率和精度，降低生产成本；在仓储物流领域，机械臂能够应用于导轨、底盘等各种移载平台，实现全空间内的操作任务需求；在医疗康复领域，人形机器人胳膊可以进行精细的手术操作，提高手术的准确性和安全性，同时也可以帮助患者进行康复训练，促进患者的恢复。
（二）对应碳纤维市场
百万台人形机器人的机械臂对应万吨级碳纤维市场，机械臂需满足重量轻且坚固的需求。
机械臂作为运动性部件，必须满足重量轻且坚固的需求，碳纤维及碳纤维复材较于镁合金、铝合金具有重量减轻 42%、刚度提高 30%、更高的机械臂承载能力、更高的机械臂操作速度、更长的使用寿命 / 耐用性以及时尚、高科技哑光黑色外观等优势。国内不少企业已开始对碳纤维机械臂专业领域的研究，根据苏州挪恩复材公司碳纤维机械臂产品的尺寸及重量，中信证券推测，Optimus 的机械臂碳纤维用量或约为 6 – 10kg，以 100 万台人形机器人进行计算，仅机械臂可对应长期万吨级碳纤维需求市场。
四、如何设计人形机器人胳膊
（一）设计原则
例如，可以采用高性能的嵌入式控制器，集成各种传感器，如位置传感器、力传感器、视觉传感器等，实现对胳膊的状态和环境信息的实时监测。同时，设计开放式的接口，方便与其他设备和系统进行连接和通信，实现更复杂的功能和应用。
1、结构合理，具备稳定性和刚性，减小自重。
在人形机器人胳膊的设计中，结构合理至关重要。一方面，要确保胳膊具备足够的稳定性和刚性，以在执行各种任务时保持稳定的姿态。例如，采用高强度的材料和合理的结构设计，如优化的连杆结构和关节连接方式，能够提高胳膊的稳定性和刚性。另一方面，减小自重可以提高机器人的运动效率和灵活性。通过选择轻质材料，如铝合金、碳纤维等，以及优化结构设计，减少不必要的部件和重量，可以实现胳膊的轻量化。
2、功能丰富，有足够自由度完成复杂任务。
为了满足不同应用场景的需求，人形机器人胳膊需要具备丰富的功能。这意味着要有足够的自由度，能够完成各种复杂的任务。例如，多关节的设计可以提供更多的运动自由度，使胳膊能够在不同的方向上进行伸展、弯曲和旋转。同时，还可以通过集成各种传感器和执行器，如力传感器、位置传感器、视觉传感器等，实现对环境的感知和精确的操作控制。
3、控制灵活，高精度、高速度、高可靠性。
控制灵活是人形机器人胳膊设计的关键要求之一。高精度的控制可以确保胳膊在执行任务时的准确性和稳定性。通过采用先进的控制算法和传感器技术，可以实现对胳膊的精确位置控制、速度控制和力控制。高速度的控制可以提高机器人的工作效率，使其能够快速响应任务需求。高可靠性的控制则可以保证机器人在长时间运行过程中的稳定性和安全性，减少故障发生的概率。
4、制造成本低。
在设计人形机器人胳膊时，制造成本也是一个重要的考虑因素。通过优化设计、选择合适的材料和制造工艺，可以降低制造成本。例如，采用模块化设计可以提高生产效率，减少制造过程中的复杂性和成本。同时，选择成本较低但性能满足要求的材料和零部件，也可以降低制造成本。
（二）结构设计
1、关节设计：高刚度、低摩擦、多自由度、紧凑结构。
关节是人形机器人胳膊的关键组成部分，其设计直接影响胳膊的性能和灵活性。高刚度的关节可以承受较大的力和扭矩，保证胳膊在执行任务时的稳定性。低摩擦的关节可以减少能量损失，提高运动效率和精度。多自由度的关节可以使胳膊能够在不同的方向上进行运动，适应各种复杂的任务需求。紧凑结构的关节可以减小胳膊的体积和重量，提高机器人的可操作性。
例如，可以采用先进的轴承技术和精密的制造工艺，实现关节的高刚度和低摩擦。同时，通过合理的结构设计，如采用多轴关节和球面关节，可以增加关节的自由度。此外，还可以采用紧凑型的设计，将电机、减速器和传感器等集成在关节内部，减小关节的体积和重量。
2、运动机构设计：齿轮传动、电机驱动、弹簧补偿。
运动机构是实现人形机器人胳膊运动的关键部分。齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点，可以实现精确的位置和速度控制。电机驱动可以提供稳定的动力输出，响应速度快，易于控制。弹簧补偿可以提高胳膊的稳定性和工作精度，减少运动过程中的振动和冲击。
例如，可以采用高精度的齿轮传动系统，实现胳膊的精确运动控制。同时，选择高效、低噪音的电机作为驱动源，提供稳定的动力输出。在运动机构内部设置弹簧补偿装置，可以根据不同的任务需求和负载情况，自动调整弹簧的预紧力，提高胳膊的稳定性和工作精度。
3、控制系统设计：嵌入式控制器、传感器集成、开放式接口。
控制系统是人形机器人胳膊的大脑，负责发送指令和监控胳膊的动作。嵌入式控制器具有高速、高精度和高可靠性的特点，可以实现对胳膊的精确控制。传感器集成可以实时获取胳膊的状态和环境信息，为控制决策提供依据。开放式接口可以与其他设备和系统进行无缝连接，实现更复杂的功能和应用。例如，可以采用高性能的嵌入式控制器，集成各种传感器，如位置传感器、力传感器、视觉传感器等，实现对胳膊的状态和环境信息的实时监测。同时，设计开放式的接口，方便与其他设备和系统进行连接和通信，实现更复杂的功能和应用。
（三）制造过程
1、零件制作。
人形机器人胳膊的制造过程首先是零件制作。根据设计图纸，选择合适的材料和制造工艺，制作出胳膊的各个零部件。例如，可以采用先进的加工技术，如数控加工、3D 打印等，制作出高精度的关节、连杆和末端执行器等零部件。同时，还需要对制作好的零部件进行质量检测和表面处理，确保其符合设计要求和使用性能。
2、装配调试。
零件制作完成后，进行装配调试。将各个零部件按照设计要求进行组装，同时进行系统调试和功能测试。在装配过程中，要确保各个零部件的安装位置和连接方式正确，运动机构和控制系统的工作正常。通过调试和功能测试，可以发现和解决制造过程中存在的问题，确保胳膊的性能和可靠性。
3、表面处理。
为了提高人形机器人胳膊的外观质量和耐久性，可以进行表面处理。例如，可以采用喷涂、镀铬等表面处理工艺，使胳膊的表面更加光滑、美观，同时提高其耐腐蚀性能和耐磨性。
4、测试验证。
表面处理完成后，进行全面的测试验证。对人形机器人胳膊进行负载能力、运动精度、控制性能等方面的测试，确保其符合设计要求和使用性能。同时，还可以进行实际应用测试，验证胳膊在不同应用场景下的性能和可靠性。
5、改进优化。
根据测试结果，对人形机器人胳膊进行改进优化。针对测试中发现的问题，采取相应的改进措施，如优化结构设计、调整控制参数、更换材料等，提高胳膊的性能和可靠性。通过不断的改进优化，使人形机器人胳膊能够更好地满足实际应用的需求。
五、设计要点
（一）关节设计
1、关节类型选择：旋转关节、直线关节、球面关节。
人形机器人胳膊的关节类型有多种选择。旋转关节能够实现多角度的旋转运动，使胳膊在不同方向上灵活转动；直线关节则主要负责直线方向的运动，适用于需要精确直线位移的任务；球面关节具有更高的自由度，可以模拟人类关节的复杂运动，使机器人胳膊更加灵活多变。
2、驱动方式：电动、液压、气动。
在驱动方式上，电动驱动具有响应速度快、控制精度高的优点，适合需要精确操作的场景。液压驱动能够提供较大的输出力，适用于重载任务。气动驱动则具有清洁、成本低的特点，在一些对环境要求较高的场合有优势。
3、传动机构：齿轮传动、皮带传动、连杆传动。
齿轮传动具有传动效率高、精度高的特点，可以实现准确的位置控制。皮带传动则较为平稳，噪音低，适用于对运动平稳性要求较高的场合。连杆传动可以实现复杂的运动轨迹，增加机器人胳膊的运动多样性。
（二）连杆设计
1、材料选择：铝合金、碳纤维、钛合金。
连杆材料的选择对机器人胳膊的性能至关重要。铝合金具有质量轻、成本低的优点，广泛应用于机器人领域。碳纤维材料强度高、重量轻，能够提高机器人胳膊的刚性和运动性能。钛合金则具有高强度、耐腐蚀的特点，适用于恶劣环境下的应用。
2、截面形状与尺寸：矩形、圆形、工字形。
连杆的截面形状和尺寸会影响其强度和刚度。矩形截面在某些方向上具有较高的抗弯能力，圆形截面则具有较好的均匀性，工字形截面则结合了两者的优点，在保证强度的同时减轻重量。
3、连接方式：焊接连接、螺栓连接、销轴连接。
焊接连接具有较高的连接强度，但不利于拆卸和维修。螺栓连接方便拆卸和安装，适用于需要经常更换部件的场合。销轴连接则具有较好的转动性能，适用于关节部位的连接。
（三）末端执行器设计
1、类型选择：抓取型、操作型、特殊型。
末端执行器的类型根据不同的任务需求进行选择。抓取型末端执行器主要用于抓取物体，如夹钳式末端执行器。操作型末端执行器可以进行各种精细操作，如工具式末端执行器。特殊型末端执行器则针对特定任务设计，如集成传感器的执行器。
2、驱动方式：电动、液压、气动。
电动驱动的末端执行器具有控制精度高、响应速度快的优点。液压驱动能够提供较大的抓取力，适用于重载抓取任务。气动驱动则具有清洁、成本低的特点，在一些对环境要求较高的场合有优势。
3、传感器配置：位置传感器、力传感器、视觉传感器。
传感器的配置可以提高末端执行器的智能化水平。位置传感器可以实时监测末端执行器的位置，力传感器可以感知抓取力的大小，视觉传感器可以识别物体的形状和位置，为机器人的操作提供准确的信息。
六、创新方向
（一）外观与性能创新
1、韩国仿生机械臂进化成人形，电缆驱动减轻重量，外观采用极简风设计。
韩国的双臂机器人 Ambidex 使用电缆驱动机构，将重型执行器放置在肩部和身体部位，减轻了手臂重量，单只机械臂仅重 2.6 公斤，比成年男性手臂还轻。在外观上采用 “极简风” 设计，用黑色区域隐藏传感器和螺栓连接部件，降低视觉复杂性，同时最小化盖板配置，专注分型线细节，便于盖板分离，保留布线并将其重新诠释为设计元素，在展示基本结构的同时提高整体视觉的平衡和统一性。
2、升级触觉设备，学习人类物理智能，可完成更多复杂任务。
Ambidex 升级了触觉设备，以双边方式提供位置和力数据，让人通过触觉设备控制机器人执行任务，同时机器人间接获得人类的物理智能。升级后的触觉设备拥有更大运动空间，复杂和详细运动的任务性能显著提高，能执行涉及快速运动的复杂任务，如打乒乓球。目前 Ambidex 虽未实现自主执行任务，但以双边触觉设备作为收集高质量训练数据的工具，有望提高其智能水平，最终实现自行执行任务。
（二）技术突破
1人形 / 双臂可重构机器人研究突破，提出无模型事件触发分布式协调控制方法。
近日，一篇名为《Model-free event-triggered distributed coordination control for dual-arm reconfigurable manipulators with unknown object constraints》的论文提出了面向未知工具约束的双臂可重构机器人无模型事件触发分布式协调控制方法。该方法有望应用于人形机器人以及双臂协作机器人等模态的异构任务处理。
2、采用中科深谷实时仿真控制系统及三轴机械臂进行验证，有望向类人化操作迈出重要一步。
长春工业大学智能机械与机器人创新团队采用中科深谷的实时仿真控制系统以及三轴机械臂进行了实际协作抓取可行性验证。通过建立双臂机器人和抓取工具的动力学模型，采用基于梯度模型的自适应工具质心位置估计算法，利用李雅普诺夫稳定性理论证明系统的一致最终有界稳定性，最后通过中科深谷的两台 3 自由度机器人进行实验，验证了协调控制方法的有效性。中科深谷的三轴机械臂及实时仿真控制系统具有高精度和灵活性，适用于多种实验和教育场景，加速了研究进展。
（三）专利技术推动
1、上海临滴科技获得 “一种手臂关节组件及人形机器人” 专利。
上海临滴科技有限公司取得一项名为 “一种手臂关节组件及人形机器人” 的专利。该专利通过螺旋弧杆和 S 型弹性件的结构设计，使得传递至线缆上的扭力削弱，线缆产生的扭转角度小于关节转动的角度，保障线缆始终处于绷直状态，不会与空心传动轴内壁接触。
2、优化关节设计，减少线缆扭力，提高机器人可靠性和生动感，拓展应用前景。
上海临滴科技的专利设计提高了人形机器人的可靠性和生动感。在实际应用中，该技术使得机器人在家庭和工业环境中的应用前景更加广阔。在家庭场景中，机器人可以更安全地进行家务工作；在工业应用中，能更高效地完成复杂的装配任务。同时，该技术也能与当前 AI 及机器人协同工作的趋势产生良好契合，结合机器学习和深度学习算法，使关节运动更加人性化与智能化。此外，当前 AI 领域的发展也为机器人研发带来