Elles sont toutes correctes mais elles ne disent pas exactement la même chose.
C’est quand même la 2) la plus courante et la plus standard, peut-être que c’est la plus correcte.

1) Tout en caressant affectueusement son bras,  peu courant ==>c’est le bras de qui ?
3) Tout en lui caressant affectueusement un bras, …bizarre d’insister sur un bras…(il lui caresse un bras…)
6) Tout en caressant affectueusement l’un de ses deux bras, …super lourd ( on sait que la personne a deux bras).

Voilà une précision pour le choix entre la 4 et la 5 : Le l’ qui accompagne parfois les pronoms indéfinis un et une est présent surtout en langue soignée. Il n’est pas obligatoire, sauf dans des expressions figées comme de deux choses l’une.

Dans des tournures comme un de…, une de…, où l’on désigne une unité parmi d’autres, on peut placer un l’ avant le pronom indéfini un (ou une). Il s’agit d’un emploi facultatif, davantage présent dans la langue soutenue.

Nous avons rencontré un de ses collègues. (ou : l’un de ses collègues)

À mon sens, les 3 premières sont parfaites. Pour la 4 et la 5, il me semble superflu de préciser que vous caressez un seul de ses bras, et pour la sixième, je ne crois pas qu’il soit utile de préciser qu’elle a deux bras, cela tombe sous le sens, sauf accident ou malformation ;°)
Personnellement, je trouve les deux premières préférables.