6.3 外部工具与可更换末端执行器
外部工具与可更换末端执行器是拓展人形机器人应用场景的核心组件，其核心设计逻辑是“模块化适配”，通过标准化连接接口，将不同功能的末端装置（工具/执行器）与机器人手臂快速对接，使机器人从单一操作功能升级为“一机多用”，适配工业生产、家庭服务、特种作业等多元化场景。其设计需兼顾“连接可靠性、功能针对性、操作安全性”，同时通过标准化接口降低更换难度，提升作业效率。
外部工具与可更换末端执行器的核心价值在于打破机器人“功能固化”的局限：同一台机器人可通过更换末端执行器，完成抓取、装配、清洁、护理、焊接等不同任务，大幅提升设备利用率，降低场景落地成本。设计的核心前提是“接口标准化”与“负载/刚度匹配”——接口需要统一机械连接、电气通信与动力供给规格，负载与刚度需匹配机器人手臂的承载能力，避免过载或操作精度不足。
6.3.1 工业工具端
工业工具端是人形机器人适配工业生产场景的专用末端执行器，核心定位是高精度、高可靠性、强负载能力，旨在替代人工完成重复性强、劳动强度大、精度要求高或高危的工业作业（如装配、焊接、重载搬运、表面加工）。其设计需深度匹配工业生产的严苛环境（粉尘、油污、高频次作业）与标准化流程，同时兼顾作业效率、操作安全与设备兼容性，是机器人落地工业场景的核心功能载体。
1. 设计要点
人形机器人工业工具端的设计工作需要围绕“工业作业的刚性需求”展开，重点解决“精度、稳定、安全、适配”四大核心问题。
（1）高刚性与负载适配：保障作业精度与耐久性
工业作业常涉及重载（5~50kg）、高频次往复运动（日均作业次数≥1000次），工具端需要具备足够的结构刚性与负载承载能力，具体说明如下所示。
- 结构材质优先选用高强度铝合金、碳纤维增强复合材料或不锈钢，骨架采用一体化锻造或CNC精密加工，避免多零件拼接导致的刚度损失；
- 针对不同作业负载（如轻型电子元件装配、重型机械零件搬运），精准匹配机器人手臂的额定扭矩与功率，工具端自身重量控制在手臂负载能力的10%以内，避免过载导致的运动精度下降或结构疲劳；
- 关键传动部位（如夹爪关节、螺丝刀主轴）采用精密轴承与耐磨衬套，减少长期作业的磨损，确保连续作业寿命≥10000次无故障。
（2）标准化快速接口：实现高效换型与兼容
工业生产需频繁切换不同作业任务，接口的标准化与快速换型能力直接影响生产效率，具体说明如下所示。
- 采用工业级通用快换接口（如ISO9409-1机器人快换接头），集成机械锁紧、电气通信、压缩空气/液压供给功能，单次更换时间≤3秒，满足流水线快速换型需求；
- 接口需具备高重复定位精度（≤±0.02mm），确保更换后工具端与手臂的相对位置一致，无需重新校准即可投入作业；
- 电气接口采用防水防尘连接器（IP65级以上），通信协议支持Profinet、EtherCAT等工业以太网标准，实现与机器人控制系统、工厂MES系统的无缝对接，数据传输延迟≤10ms。
（3）环境适应性防护：应对工业恶劣工况
工业场景中的粉尘、油污、焊接火花、高低温（-10~60℃）等环境因素，对工具端的防护能力提出了严苛要求，具体说明如下所示。
- 整体防护等级需达到IP65及以上，外壳采用密封式设计，关键部件（电机、传感器、接口）加装防尘罩、防溅挡板或隔热护套；
- 针对油污场景，选用耐油密封件（如氟橡胶密封圈）与耐油涂层，避免油污侵入导致的部件卡滞；针对焊接、切割等高温场景，工具端前端增设耐高温陶瓷或金属防护板，防止火花灼伤线缆与壳体。
（4）作业安全冗余：规避生产风险
工业作业的安全性直接关系到设备、工件与人员安全，工具端需要设计多重安全防护机制，具体说明如下所示。
- 集成过载保护功能：通过力矩传感器或压力传感器实时检测作业阻力，当阻力超过额定阈值（如拧紧螺栓时扭矩超标、抓取时夹持力过载），立即触发电机停机或反向动作，避免工件损坏或工具端卡死；
- 碰撞缓冲设计：工具端前端加装柔性缓冲垫（如聚氨酯材质，厚度5~10mm），当意外碰撞工件或设备时，通过缓冲垫吸收冲击能量，减少硬接触导致的损伤；
- 高危作业专项防护：焊接工具端需增设防辐射护罩与焊渣收集装置，切割工具端配备烟尘导流通道，避免对周边环境与人员造成危害。
2. 典型类型与应用场景
工业工具端的功能高度聚焦特定作业需求，常见类型与应用场景如下所示。
（1）高精度装配工具：适配精密制造与紧固作业
核心用于电子元件装配、汽车零部件紧固、机械精密组装等场景，核心要求是“扭矩精准、定位精准”，具体说明如下所示。
- 电动螺丝刀/螺栓拧紧轴：集成扭矩传感器（精度±0.01N・m）与转速控制器，支持扭矩分级调节（0.1~50N・m），可实现“拧紧-检测-反馈”闭环控制，避免过拧或漏拧；部分高端型号具备角度监控功能，确保螺栓拧紧角度符合工艺要求（如汽车发动机缸体螺栓紧固）；
- 气动压装头：配备位移传感器（精度±0.05mm）与压力反馈模块，用于轴套、轴承、密封圈等零件的压装作业，可实时监控压装深度与压力曲线，压装不合格时自动报警并停机，保障装配质量一致性。
（2）焊接与切割工具：适配金属加工场景
针对汽车制造、机械加工中的焊接、切割需求，工具端需与机器人运动轨迹精准同步，同时保障加工质量，具体说明如下所示。
- 电弧焊枪：与机器人焊接控制系统联动，支持电流、电压实时调节，适配碳钢、铝合金等不同材质的焊接；枪头集成自动清理装置（去除焊嘴焊渣）与防飞溅涂层，减少人工维护频次；
- 激光切割头：配备焦距自动调节模块与吹气防尘结构，可适配不同厚度的金属板材切割（0.5~10mm）；切割头前端装有视觉定位传感器，实时校正切割路径，确保切口平整、尺寸精度（±0.1mm）达标。
（3）重载抓取工具：适配物料搬运与分拣
用于工业零件、物料箱、板材等重物的抓取与搬运，核心要求是“抓取稳定、承载能力强”，具体说明如下所示。
- 气动夹爪：采用双活塞驱动或齿轮齿条传动，夹持力可达50~500N，适配不同尺寸的圆柱形、方形零件；夹爪指面可更换（如橡胶防滑指面、金属齿形指面），兼顾防滑与刚性抓取需求；
- 真空吸盘组：针对板材、异形件、光滑表面零件（如玻璃、塑料外壳）设计，通过多吸盘组合覆盖工件表面，真空压力传感器实时监控吸附状态，若出现漏气（如吸盘脱落），立即触发机器人停机，避免物料掉落损坏。
（4）表面加工工具：适配零件表面处理
用于零件的打磨、抛光、去毛刺等表面加工，核心要求是“力度可控、表面质量达标”，具体说明如下所示。
- 电动打磨头：集成转速调节（1000~5000rpm）与压力控制模块，适配金属、塑料等不同材质的表面打磨；打磨头采用快拆设计，可快速更换砂轮、砂纸等耗材，满足不同粗糙度要求（Ra0.8~6.3μm）；
- 柔性抛光轮：采用羊毛、海绵等柔性材质，配合压力传感器控制抛光力度，避免划伤工件表面；适用于汽车零部件、电子设备外壳的精细化抛光，确保表面无划痕、光泽均匀。
3. 关键技术要求
工业工具端的技术指标需严格匹配工业生产的标准化要求，核心指标如下：
- 作业精度：定位精度≤±0.1mm，重复定位精度≤±0.05mm，扭矩/压力控制精度≤±1%；
- 负载能力：适配5~50kg工业负载，夹持/吸附力冗余系数≥1.5（即最大能力为额定负载的1.5倍）；
- 环境适应性：防护等级≥IP65，耐温范围-10~60℃，耐油污、抗粉尘，可在日均8小时连续作业环境下稳定运行；
- 换型与兼容：支持与主流工业机器人（如ABB、KUKA、FANUC）的接口兼容，单次换型时间≤3秒，接口重复定位精度≤±0.02mm；
- 安全性：具备过载保护、碰撞检测、紧急停机接口，符合ISO10218工业机器人安全标准。
4. 典型案例：Hi-Lok螺母自动化装配的工业工具端
在《Design and Analysis of a Robotic End-Effector for Automated Hi-Lok Nut Installation》这篇论文中设计了一款适配航空航天领域Hi-Lok螺母自动化装配的专用工业工具端（机器人末端执行器），旨在解决人工安装Hi-Lok螺母时的定位偏差、扭矩控制不准等问题，满足航空零部件装配的高精度、高一致性需求。
（1）该工业工具端核心结构集成了“内六角套筒+外六角键”双适配模块，如图6-11所示。通过图中间步骤清晰展示，工具端的外六角键可精准嵌入Hi-Lok螺栓的内六角孔，同时内六角套筒同步套合Hi-Lok螺母的外六角头，通过双结构协同对准，解决了传统人工安装中“工具-螺母”“工具-螺栓”的双重定位偏差问题，确保安装初始阶段的同轴度与对准精度。
（2）该工具端还配套了扭矩适配与同步动作机制：针对航空常用的M6规格Hi-Lok螺母，通过1:10的齿轮减速器将动力扭矩放大至5-15Nm，既满足螺母紧固需求，又匹配其4-6Nm的剪切断裂扭矩阈值（对应插图右侧螺母六角头沿断裂槽脱落的终态）；同时工具端支持“轴向进给+旋转拧紧”同步执行，结合校准模块实现全流程自动化，替代人工完成高重复、高精度的航空零部件装配，既提升了作业效率，又规避了人工操作的扭矩偏差风险。
图6-11 Hi-Lok螺母安装流程示意图
- Nut runner：螺母拧紧器，是执行Hi-Lok螺母拧紧动作的主体工具；
- Hex key：六角键，嵌入Hi-Lok螺栓的六角孔，用于定位与防螺栓转动；
- Hex socket：六角套筒，套合Hi-Lok螺母的六角头，传递拧紧扭矩；
- Hi-lok nut：Hi-Lok 螺母（航空专用紧固件），其附带的Hex head是螺母的六角头部、Break-off groove是断裂槽（扭矩达标时会断裂）、Thread collar是螺母的螺纹套；
- Hi-lok bolt：Hi-Lok螺栓，Hex hole是螺栓顶部的六角孔，用于配合六角键定位。
总而言之，工业工具端的核心价值是“用标准化、高精度、高可靠的机械作业替代人工”，其设计逻辑围绕工业生产的“刚性需求”展开——通过高刚性结构保障精度与负载，标准化接口提升换型效率，严苛防护适配恶劣环境，多重安全机制规避风险。不同类型的工业工具端精准匹配装配、焊接、搬运、加工等细分场景，是人形机器人融入工业生产线、实现自动化升级的关键组件，其性能直接决定机器人在工业场景的落地可行性与作业效率。
6.3.2 服务型末端
服务型末端是人形机器人适配家庭、办公、医疗、零售等民生服务场景的专用末端执行器，核心定位是柔性安全、轻量化、场景化多功能适配，旨在替代或辅助人类完成生活化、低负载、高频次的服务类任务（如物品抓取、环境清洁、健康护理、办公辅助）。其设计需将“人机交互安全”置于首位，同时兼顾操作灵活性、低干扰性与场景适配性，适配非专业用户的使用习惯，是机器人融入民生场景的核心功能载体。
1. 核心设计要点
服务型末端的设计逻辑围绕“服务场景的柔性需求”展开，需要重点解决“人机安全、轻量化、多功能、易操作”四大核心问题。
（1）人机安全优先：柔性防护与主动防伤
服务场景中机器人需与人类近距离接触（如家庭环境中靠近老人、儿童），安全防护是设计核心：
- 结构与材料柔性化：末端执行器主体采用柔性材料（医用级硅胶、TPU，邵氏硬度30~50A），所有外露边缘采用圆角设计（圆角半径≥R2），杜绝尖锐结构；抓取部件（如夹爪）内置弹性缓冲层（厚度3~5mm），避免硬接触导致的夹伤或物品损坏；
- 主动防夹伤逻辑：集成分布式压力传感器（指腹/接触面向全覆盖，精度±0.1N），设定安全抓取力阈值（5~30N，适配鸡蛋、餐具等易碎/轻量化物品），当检测到压力超过阈值（如误夹人体），立即触发反向松开动作，响应时间≤50ms；
- 低冲击运动控制：采用微型驱动单元（空心杯电机、气动肌肉），配合柔性传动结构，运动加速度控制在0.5m/s²以内，减少意外碰撞时的冲击力，降低人体受伤风险。
（2）轻量化与低干扰：适配民生环境
服务场景对设备的重量、噪音、外观友好性要求严苛，需要避免对生活/工作环境造成干扰：
- 轻量化设计：末端执行器整体重量控制在500g以内，核心驱动与结构部件采用轻质材料（工程塑料、碳纤维复合材料），占机器人手臂负载能力的比例≤10%，确保手臂运动灵活无滞涩；
- 低噪音运行：驱动单元选用低噪音型号（运行噪音≤50dB，相当于日常交谈音量），传动部位采用柔性连接与润滑处理，避免金属摩擦产生的高频噪音，适配家庭休息、办公专注等安静场景；
- 外观与尺寸适配：采用圆润流畅的外观设计，颜色以浅色系、暖色调为主，弱化机械感；尺寸适配民生场景的操作空间（如厨房狭小台面、办公抽屉），末端最大尺寸≤20cm×15cm×10cm，便于狭小空间作业。
（3）场景化多功能适配：覆盖多元服务需求
服务场景任务繁杂（如家庭需兼顾抓取、清洁、护理），需要通过“模块化设计”实现多功能集成或快速切换：
- 核心功能模块化：采用“基础末端+功能附件”的组合设计，基础末端为通用柔性夹爪，可按需加装清洁刷头、餐具夹持器、护理辅助头、文件抓取件等功能附件，实现“一末端多用途”；
- 任务适配优化：针对不同场景优化结构细节——家庭场景的抓取末端增大指腹接触面积，提升对不规则物品（水果、衣物）的抓取稳定性；医疗场景的护理末端采用抗菌材料，表面做防污处理，便于消毒清洁；零售场景的分拣末端增加条码识别模块，适配商品分类需求。
（4）简易化操作与更换：适配非专业用户
服务机器人的使用者多为非专业人士（如家庭主妇、医护人员、办公职员），需要降低操作与更换门槛：
- 无工具快速更换：采用“磁吸+卡扣”组合连接方式，功能附件与基础末端的对接过程无需工具，手动操作即可完成，单次更换时间≤10秒；
- 防误操作设计：接口采用防误插结构（如异形接口、定位凸台），避免装错附件导致功能失效；末端集成状态指示灯，更换到位后亮绿灯提示，未到位则亮红灯并发出蜂鸣报警；
- 极简控制逻辑：通过机器人语音指令、触控面板或手机APP即可切换功能模式（如“抓取模式”“清洁模式”），无需复杂参数设置，适配全年龄段用户。
2. 典型类型与应用场景
服务型末端的功能高度贴合具体服务任务，常见类型与应用场景如下所示。
（1）柔性抓取末端：服务场景的核心基础末端
作为服务型机器人的“基础配置”，适配绝大多数物品抓取类任务，核心要求是“适配多样物品、避免损伤”：
- 多指柔性夹爪：模仿人类手指多关节结构，采用硅胶指腹+弹性铰链设计，可自适应抓取圆形（水杯、水果）、方形（书本、饭盒）、异形（衣物、玩具）等不同形状的物品，抓取重量范围0.1g~2kg；针对易碎品（鸡蛋、玻璃器皿），内置压力反馈逻辑，抓取力自动降至5~10N，避免压损；
- 硅胶真空吸盘：针对光滑表面物品（玻璃水杯、陶瓷碗、亚克力板材）设计，采用食品级硅胶吸盘，吸附力柔和（10~20N），不损伤物品表面；集成真空度检测模块，吸附不稳定时自动触发重新吸附或缓慢放下动作，避免物品掉落。
（2）清洁服务末端：适配家庭与办公环境清洁
用于地面、桌面、窗户、家具缝隙等区域的清洁，需要兼顾清洁效率与环境适配性，具体说明如下所示。
- 模块化清洁刷头：采用可拆卸式设计，刷头材质按需切换——硬毛刷适配地面、桌面除尘，软毛刷适配家具、电器表面清洁，海绵刷头适配湿式擦窗、擦桌；部分型号集成微型水泵与喷淋功能，可实现“喷水-擦拭-吸干”一体化清洁，适配厨房油污清洁场景；
- 迷你吸尘吸嘴：针对办公桌面碎屑、沙发缝隙灰尘、车内死角等狭小空间设计，采用扁平状吸嘴+可弯曲吸管，适配复杂清洁路径；内置微型风机，吸力可调节（低吸力适配纸张、灰尘，高吸力适配零食碎屑），运行噪音≤45dB，避免干扰办公或休息。
（3）医疗护理末端：适配健康护理与辅助场景
用于老年/残障人士助行、康复训练、日常护理、药品管理等医疗相关场景，需要满足生物相容性与精准辅助要求，具体说明如下所示。
- 助行扶握与康复辅助末端：扶握部位采用防滑抗菌硅胶握把，集成压力传感器（检测用户握持力度，避免用力过度导致手部疲劳）；康复训练型末端可调节运动阻力，配合机器人控制系统引导用户完成手部屈伸、抓握等康复动作，实时反馈训练数据；
- 护理与药品管理末端：伤口护理辅助头配备微型高清摄像头与柔性擦拭棉，辅助医护人员观察伤口状态并完成清洁、上药；药品分发末端采用精准夹持结构，可识别并抓取不同规格的药片、药瓶，配合视觉识别模块避免发药错误，适配家庭护理或社区药房场景。
（4）办公与零售辅助末端：适配商务服务场景
用于办公室文件整理、打印材料分发、零售商品分拣等商务场景，核心要求是“精准高效、低干扰”，具体说明如下所示。
- 办公文件辅助末端：采用薄型柔性夹爪设计，夹爪间隙可调节（0.5~5mm），适配纸张、文件夹、信封等不同厚度的办公物品，抓取时避免纸张褶皱或撕裂；集成红外定位模块，可精准定位打印机出纸口、文件架位置，实现自动取纸、分类堆叠；
- 零售分拣末端：针对超市、便利店的商品分拣需求，末端集成条码识别模块与柔性抓取结构，可快速识别商品条码并分类抓取至对应货架；抓取生鲜商品时，采用食品级硅胶接触件，避免污染商品，同时控制抓取力（≤15N），避免损伤果蔬。
3. 核心技术要求
在人形机器人的工程设计中，服务型末端的技术指标需精准匹配民生服务场景的核心需求，核心指标如下所示：
- 安全指标：抓取力安全阈值≤50N，外露边缘圆角半径≥R2，接触材料符合食品级（FDA认证）或医疗级（ISO10993认证）标准，具备主动防夹伤与碰撞缓冲功能；
- 轻量化与低干扰：整体重量≤500g，运行噪音≤50dB，外观无尖锐结构，颜色适配民生环境；
- 适配能力：可抓取物品尺寸范围5mm~300mm，重量0.1g~2kg，适配圆形、方形、异形等不同形状物品，抓取成功率≥90%；
- 操作与更换：支持无工具手动更换，单次更换时间≤10秒，接口防误插，配备状态提示功能；
- 环境适应性：防护等级≥IP44（防溅水、防粉尘），可在常温（0~40℃）、湿度30%~80%的环境下稳定运行，表面易清洁消毒。
4. 典型策略：丝杠自锁式拟人高灵巧服务手技术
《Krysalis Hand: A Lightweight, High-Payload,18-DoF Anthropomorphic End-Effector for Robotic Learning and Dexterous Manipulation》提出了一款适配服务场景的拟人化机器人末端设计，核心亮点是兼顾轻量化（含腕部仅790g）、18自由度高灵巧性与超10lbs（约4.5kg）被动负载能力，完美适配家庭辅助、办公协作等服务型需求。
（1）该设计的服务适配性可通过图6-12直观体现，在图中展示了末端手安装于协作机器人上（a），能完成握电钻等重载操作（b）、与人握手的友好交互（c），还能做出“V字”“我爱你”等拟人手势（d、e），甚至支持实时遥操作（f），证明其既能应对服务场景中的实用任务，又能通过拟人动作实现自然人机交互。
图6-12 开发的Krysalis机器人手
（2）核心机械设计：图6-13聚焦丝杠驱动机构的核心构造与原理，其中（a）展示了手指完整装配形态，（b）-（d）则拆解其驱动逻辑：每个指节（DIP、PIP、MCP）均由独立电机驱动定制丝杠，配合不锈钢定制螺母构成两连杆摇杆机构，通过丝杠旋转产生的轴向力，转化为驱动关节转动的扭矩。该结构自带自锁紧特性（摩擦角大于导程角），无需电机持续输出动力即可稳定承载重物，既降低能耗又提升服务场景的操作安全性；同时紧凑的布局设计，让18个自由度能高效集成于拟人化手掌内，可支持递物、开瓶盖等精细抓握动作，完美适配服务型场景的操作需求。
图6-13 丝杠驱动式拟人手指关节的装配及机构原理拆解图
总而言之，服务型末端的核心价值是“以安全柔性的设计，让机器人适配民生服务场景的多元需求”，其设计逻辑与工业工具端形成鲜明差异——摒弃了对高负载、高精度的极致追求，转而聚焦“人机安全、轻量化、易操作、场景适配”。不同类型的服务型末端通过模块化设计、柔性结构与简易操作，精准匹配家庭、医疗、办公、零售等细分场景，既降低了非专业用户的使用门槛，又保障了近距离人机交互的安全性，是人形机器人从工业场景走向民生领域、实现“生活化服务”的关键组件。
6.3.3 自适应末端设计
自适应末端设计是人形机器人末端执行器的高端形态，核心定位是无需更换即可智能适配多种形状、材质、重量的物体，通过“结构仿生、多维度感知、可变刚度控制”的协同设计，实现“一物多抓、一机多用”，打破传统末端执行器“一物一用”或“需模块化更换”的局限，大幅提升机器人在混合任务场景中的作业灵活性与效率。自适应末端设计的核心是“让末端具备‘感知-判断-调整’的自主适配能力”，适配多品种、小批量的工业生产或任务繁杂的民生服务场景。
1. 核心设计逻辑
自适应末端的设计突破了传统末端“结构固定、功能单一”的思路，核心逻辑是“被动结构柔性适配+主动智能调控补偿”的双轮驱动，具体说明如下所示。
- 被动结构柔性：通过仿生结构设计（如多关节弹性连杆、柔性材料接触件），让末端在接触物体时能自然产生形变，贴合物体轮廓，为适配不同形状提供基础；
- 主动智能调控：通过多维度传感器采集物体特征（形状、重量、材质硬度），由控制算法动态调整抓取力、末端刚度与抓取姿态，弥补被动结构的适配局限，确保抓取稳定且不损伤物体。
二者协同实现“无需人工干预、无需更换末端，即可完成对不同物体的精准抓取与操作”。
2. 核心设计要点
（1）仿生可变结构：适配多样形状的基础载体
借鉴人类手指“多关节协同、弹性形变”的特征，通过结构设计赋予末端被动适配能力，同时保证结构强度：
- 核心结构形式：采用“弹性铰链+柔性连杆”的串联设计，单指通常包含2~3个弹性关节，关节处选用高韧性、抗疲劳的材料（如聚氨酯弹性体、碳纤维增强TPU），允许在抓取时产生±10°~±20°的自适应偏转；
- 高端结构升级：部分高精度自适应末端采用形状记忆合金（SMA）或气动肌肉驱动，通过温度变化或气压调节控制结构形变，可实现更复杂的姿态调整（如指尖独立微调），适配微小或异形物体；
- 接触端优化：指腹/接触面向全覆盖柔性硅胶垫（厚度3~5mm），表面做防滑纹理，既增大摩擦系数，又通过材料形变分散接触压力，避免局部压强大导致物体损坏（如易碎品）。
（2）多维度感知集成：智能适配的“感官基础”
传感器是末端实现“自主判断”的核心，需集成多维度感知模块，全面采集物体特征数据，具体说明如下所示。
- 分布式压力感知：指腹/接触面均匀布置压力传感器阵列（单个传感单元尺寸≤5mm×5mm，精度±0.1N），实时检测接触压力分布，判断物体接触状态（是否贴合、是否滑动）与重量；
- 视觉辅助感知：末端集成微型高清摄像头与激光测距模块，快速识别物体轮廓、尺寸与空间位置，为抓取姿态规划提供依据（如判断物体是圆形、方形还是异形）；
- 材质与硬度感知：通过触觉传感器（如压阻式、电容式）检测物体表面硬度与材质（柔性/刚性、光滑/粗糙），为刚度调节与抓取力设定提供数据支撑（如柔软物体需降低抓取力）。
（3）可变刚度控制：平衡稳定与防护的核心技术
通过动态调整末端刚度，实现“抓取易碎品柔、抓取重物刚”的自适应效果，是自适应末端的核心技术突破，具体说明如下所示。
- 主流实现方式：在关节处串联“电机+可变刚度弹性元件”（如磁流变弹性体、形状记忆聚合物），通过控制信号调节弹性元件的刚度——例如采用磁流变弹性体时，改变磁场强度即可快速调整刚度，响应速度≤20ms；
- 刚度调节逻辑：根据传感器采集的物体重量与硬度数据，自动切换刚度模式——抓取重量≤500g的易碎品（如鸡蛋、玻璃）时，切换至柔性模式（刚度5~10N・m/rad）；抓取重量≥1kg的刚性物体（如金属零件、书本）时，切换至刚性模式（刚度15~25N・m/rad）；
- 过载防护冗余：当检测到抓取力或关节扭矩超过安全阈值时，自动降低刚度并减小抓取力，避免物体损坏或结构过载。
（4）智能控制算法：自主适配的“决策核心”
在人形机器人应用中，智能控制算法将传感器数据转化为具体的操作指令，实现“感知-决策-执行”的闭环控制，具体说明如下所示。
- 物体特征识别算法：基于视觉与触觉数据，快速分类物体类型（尺寸、形状、材质、重量），建立“物体特征-抓取策略”映射模型；
- 抓取姿态规划算法：自动匹配最优抓取方式——如小型光滑物体采用“指尖对捏+轻微吸附”，大型异形物体采用“多指包裹”，扁平物体采用“面接触夹持”；
- 实时闭环控制算法：动态修正抓取力与姿态，若检测到物体滑动（压力分布突变＞5N），立即微调抓取力（不超过阈值）或调整手指姿态，确保抓取稳定；若检测到物体硬度低于预期，立即降低刚度避免压损。
3. 典型类型与应用场景
自适应末端的核心优势是“适配混合场景”，常见类型与具体应用场景如下所示。
（1）多指自适应夹爪（3~5指）：这是最主流的自适应末端类型，集成多关节弹性结构与分布式压力传感器，可适配尺寸φ5mm~300mm、重量0.1g~5kg的多种物体（从药片、鸡蛋到书本、工具）。典型应用场景包括：家庭混合物品整理（同时抓取餐具、水果、衣物）、零售行业商品分拣（不同规格的零食、日用品）、工业多品种小批量零件搬运（金属件、塑料件、异形结构件）。
例如6-14是一个典型的人形机器人多指自适应夹爪（3~5指）设计图，展示了结构（驱动电机、连杆机构）、状态（张开/抓取）、细节（指尖传感器、驱动机构剖视）等夹爪设计的关键信息，完整体现了多指自适应夹爪的设计逻辑。
如6-14 个典型的人形机器人多指自适应夹爪（3~5指）设计图
（2）变刚度真空-夹爪复合末端：结合真空吸附与柔性夹爪的双重优势，通过传感器判断物体表面特征：光滑平整表面（如玻璃、板材）自动切换真空吸附模式，粗糙/异形表面切换夹爪包裹模式。适配场景包括：家电制造中的面板搬运（光滑玻璃/金属面板）、物流行业的异形包裹分拣（纸箱、布袋、不规则包裹）。
（3）仿生自适应手部（5指15~20自由度）：高度模仿人类手部结构，集成肌电传感器、触觉反馈与高精度驱动单元，可实现精细操作（如拧瓶盖、拿笔写字、组装微型零件）与重载抓取（如提重物）的自适应切换。典型应用场景：高端医疗护理（辅助残障人士完成日常操作）、科研实验（仿生机器人研究）、工业精密装配（微型电子元件组装）。
4. 核心技术要求
在人形机器人设计中，自适应末端的技术指标需要兼顾“适配范围、响应速度、控制精度”，核心要求如下所示。
- 自适应范围：可适配物体尺寸φ5mm~300mm，重量0.1g~5kg，材质覆盖柔性（布料、海绵）、刚性（金属、塑料）、易碎（玻璃、鸡蛋）、光滑/粗糙等多种类型；
- 响应速度：物体特征识别时间≤100ms，刚度调整响应时间≤20ms，抓取姿态修正响应时间≤50ms；
- 控制精度：抓取力控制精度±0.5N，关节姿态修正精度±1°，重复抓取成功率≥95%（针对常见家庭/工业物品）；
- 结构性能：连续作业寿命≥5000次无故障，接触材料符合食品级/医疗级标准（如FDA认证硅胶），整体重量≤800g（适配服务型机器人）或≤1.5kg（适配工业机器人）；
- 安全防护：具备过载保护、防夹伤功能，抓取力安全阈值≤50N，意外碰撞时冲击力≤10N，保障人机交互安全。
总之，在人形机器人的设计工作中，自适应末端设计的核心价值是“打破末端执行器的功能固化局限”，通过“仿生结构赋予柔性、多维度感知获取信息、可变刚度与智能算法实现调控”，实现“无需更换即可适配多元场景与物体”的突破。相较于工业工具端的“专用高效”与服务型末端的“模块化适配”，自适应末端更侧重“智能灵活”，能大幅降低末端更换成本、减少作业中断时间，尤其适配多品种、小批量的工业生产与任务繁杂的民生服务场景。作为未来人形机器人末端执行器的核心发展方向，其技术突破将进一步提升机器人的环境适应性与作业自主性，推动机器人从“专用设备”向“通用智能设备”升级。
