苏黎世联邦理工学院研发的ORCA机械手以低于2000瑞郎的成本实现了17自由度的仿人灵巧性。其创新设计包括腱驱动系统、可复位弹出式关节和手动棘轮卷轴机制，兼顾了耐用性与精确控制。机械手采用策略性仿人设计，集成自动校准算法和触觉反馈，在远程操作、强化学习和模仿学习等任务中表现优异。这一开源项目为研究实验室提供了高性价比的灵巧机器人平台，显著降低了硬件成本门槛。

Ref：https://arxiv.org/pdf/2504.04259

ORCA 机械手标志着灵巧机器人领域的一次重大飞跃，它解决了长期以来仿人灵巧性与硬件高昂成本之间的矛盾。由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发的 ORCA（开源、可靠、经济、仿人）是一款拥有 17 个自由度（DoF） 的机器人手，其材料成本低于 2,000 瑞郎，且单人组装时间不到 8 小时。

1. 机械创新：灵巧且“耐造”的腱驱动

ORCA 采用了腱驱动（Tendon-driven）驱动系统，模拟了人类肌肉和肌腱的生物结构。通过将电机集成在底座“动力塔”而非手指内部，该设计实现了极低的手指惯性和纤细的仿人外形。

为了解决 3D 打印机器人易碎的痛点，ORCA 引入了**“可复位弹出式关节”（Poppable Pin Joints）**：

• 碰撞鲁棒性： 在受到过度负载时，关节会脱位（弹出）而不是直接折断，随后可以用手轻松将其按回原位。

• 稳定性： 这种设计保留了传统销轴关节的运动学精度，同时具备了基于韧带的滚动接触关节的耐用性。

• 腱绳管理： 配备手动棘轮卷轴机制，用户可以在几秒钟内重新张紧腱绳，有效解决了腱驱动系统常见的松弛问题。

2. 策略性仿人设计

这款机械手拥有五根手指和一个动力腕关节，其比例和重量（约 1.2 kg）与人类高度契合。

• 拇指设计： 具备 4 个自由度和 15° 的旋后角度，实现了真实的**“对指”能力**。

• 关节优化： 四根手指的远端指间关节（DIP）被设计为固定式。这降低了机械复杂性和松弛风险，且不会影响功能灵活性，因为人类在操作时也很少独立移动 DIP 关节。

• 手腕集成： 皮带驱动的手腕可提供 60° 的屈伸范围，使机械手能够平齐于桌面等表面，解决了许多无手腕设计在抓取时的角度受限问题。

3. 通过自动校准实现精准控制

腱驱动系统的一大弱点是缺乏直接的关节位置反馈。ORCA 通过一套三步自动校准算法攻克了这一难题。通过将腱绳引导至每个关节的旋转中心，系统建立了电机位置与关节角度之间的线性映射。这使得 ORCA 能以极高的精度和低延迟执行指令，表现可媲美高端直接驱动机械手，极大地便利了**从仿真到现实（Sim-to-Real）**的迁移。

4. 集成触觉反馈

指尖配备了集成的力敏电阻（FSR），并由硅胶模制皮肤保护。这些传感器提供二进制触觉反馈，使机器人能够“感知”接触。传感器接线通过手指内部结构引导，既防止了挂蹭，又保持了外观的整洁。

5. 性能基准测试

ORCA 已经在三类主要的学习范式中得到了验证：

• 远程操作： 成功完成了倒水、使用电钻和写字等复杂任务。

• 强化学习（RL）： 经过仅一小时的训练，便实现了从仿真到现实的零样本迁移（Zero-shot），实现在手中旋转网球。

• 模仿学习（IL）： 演示了抓取红块并放置的任务，在无人工干预的情况下，硬件持续自主运行超过 7 小时（2,000 多次循环），未出现任何故障。

💡 总结

ORCA 项目提供了一个开源蓝图（可在 srl.ethz.ch/orcahand 获取），使研究实验室能够以仅为 Shadow Hand 等商业产品几十分之一的价格，部署可靠且高自由度的硬件平台。