用“记忆金属 + 电机”混合驱动，中科大团队做出 21 自由度仿人灵巧手 CYJ Hand-0
中国科学技术大学（USTC）董二宝副教授团队发表了一款名为 CYJ Hand-0的拟人灵巧手。它最大的亮点在于把“形状记忆合金（SMA）”和“直流电机”两种驱动方式塞进同一套肌腱驱动系统里：电机负责手指屈曲，SMA 负责手指伸展和侧向摆动，试图兼顾出力、响应速度与控制精度。论文已上传 arXiv（2507.14538）。01｜一只“像人”的手：1:1 骨骼 + 21 DOFCYJ Hand-0 的设计从人手的真实解剖出发。它包含拇指、食指、中指、无名指、小指，以及腕骨、掌骨、腕部等结构，共 18 类零件、80 个独立部件，全部按 1:1 比例复刻人手的骨骼形态。整手质量只有 380 g，低于一个成年人手的平均质量（约 413 g）。图 1｜CYJ Hand-0 的整体结构设计、零件分解、与人手对比，以及自由度骨架对比。自由度方面，CYJ Hand-0 在不含腕部的情况下实现了 21 个自由度。其中，拇指的腕掌关节（CMC）被拆成两个独立的 1 自由度段：一个负责内收/外展，一个负责屈伸/伸展，既保留了对掌能力，又简化了机械结构。其余四指采用统一的 4 关节设计（MCP 屈伸 + 侧摆、PIP、DIP），小指只在指骨长度上与另三指略有不同。02｜混合驱动：把 SMA 和电机“各司其职”灵巧手常用的电机驱动固然精确，但全部塞进手掌里会导致重量和体积爆炸；纯 SMA 驱动虽然轻巧、功率密度高，却有响应慢、非线性、难精确控制的毛病。CYJ Hand-0 的思路是：让两者各干自己擅长的事。电机模块采用丝杠-螺母线性电机（GA12-N20-298），专门负责手指屈曲。额定输出力 400 N，工作行程 20 mm，具备自锁能力，控制精度高。 SMA 模块采用 DYNALLOY Ni-Ti 合金丝，专门负责手指伸展和侧向外展。通电加热后收缩，配合弹簧复位，最大位移 18 mm，最大输出力 784 N。 图 2｜CYJ Hand-0 的驱动布局：正面/背面肌腱走线，以及集成到机械臂中的驱动模块实物。整只手共有 32 个驱动器：15 个电机模块负责屈曲，17 个 SMA 模块负责伸展/侧摆。这些驱动器并没有全部塞进手掌，而是集成在手掌后方一个白色树脂 3D 打印的“机械臂背包”里，通过中空结构把肌腱引到手腕。这个设计把重量尽量留在手上方的支撑结构上，是手本身能只有 380 g 的重要原因之一。03｜它能做什么？32 种手势、Kapandji 全过、还能抓水瓶实验主要验证三件事：单指运动、手势灵巧度和实际抓取。图 3｜CYJ Hand-0 带上仿真人皮肤后的外观，能做出握拳、竖指、OK 等手势。Kapandji 拇指测试CYJ Hand-0 能完成人手 10 种拇指对掌组合动作。 32 种手势包括人手可自然完成的 28 种和通常需要外力辅助的 4 种，CYJ Hand-0 全部复现。 单指负载从 200 g 逐步加到 1200 g 的拉伸测试全部通过；结构承载极限超过 4 kg，但超过 1.5 kg 时电机会过载烧毁。按单指 1.2 kg 估算，整手可支撑约 8 kg 负载。 图 4｜CYJ Hand-0 抓取笔和 550 ml 满瓶矿泉水的实验，验证其负载抓取能力。在 Schlesinger 的 6 类抓取中，它实现了圆柱抓、球抓、三指捏、侧捏、两指捏（未测钩抓）；在 Cutkosky 更细分的 16 类抓取中，实现了 9 类。此外，实验还展示了握笔和抓取 550 ml 满水瓶等日常操作。04｜一句话总结CYJ Hand-0 的核心贡献在于展示了一条“SMA + 电机 + 肌腱驱动 + 金属 3D 打印”的仿生灵巧手路线：用混合驱动扬长避短，把驱动器外置减重，同时保留接近人手的自由度和负载能力。团队也坦承，当前版本仍是开环控制、缺少完善传感器，未来会在结构优化、闭环控制和传感器系统上继续迭代。📚 来源说明论文：Jin Chai, Xiang Yao, Mengfan Hou, Yanghong Li, Erbao Dong. A 21-DOF Humanoid Dexterous Hand with Hybrid SMA-Motor Actuation: CYJ Hand-0. arXiv:2507.14538 [cs.RO], 2025.作者单位：中国科学技术大学精密机械与精密仪器系、类人机器人研究所、精密与智能化学重点实验室。译注：中文翻译由 AI 辅助完成，仅供学习交流，学术引用请以英文原文为准。来源：机械图纸狗
