值得收藏的“灵巧手”快速入门文章丨一文看懂。

灵巧手是一种新型末端执行器，模仿人手的结构和功能，在机器人与环境的交互中扮演着关键角色。目前，它主要应用于航空航天、医疗和智能制造等领域。随着机器人技术的发展，人形机器人领域有望成为灵巧手未来的主流应用方向。

灵巧手设计来源

灵巧手的设计主要基于对人手解剖结构的参考，以实现拟人化功能。在研究过程中，我们依托医学上的解剖结构进行灵巧手的设计。根据《系统解剖学 第9版_丁文龙、刘学政主编2018年》和《Grays Atlas of Anatomy (Richard Drake, Wayne Vogl, Adam W. M. Mitchell etc.》等主流解剖学著作的观点，手部的各个关节具有不同数量的自由度，从而使手能够实现多样化的运动。

其中，拇指的指尖关节被认为具有1个自由度，拇指的掌指关节(MCP)具有2个自由度，拇指的腕掌关节(CMC)也具有2个自由度，因此整个拇指总计拥有5个自由度。除了拇指外，其他手指每个都有四个指骨：掌骨、近端指骨、中间指骨和远端指骨。这三个关节分别称为掌指关节(MCP)、近端指间关节(PIP)和远端指间关节(DIP)，它们分别具有2、1和1个自由度，共计4个自由度。

关于手掌区域的自由度存在争议。根据主流解剖学观点，手掌区域不具备自由度。然而，基于实际的解剖观察，除拇指外的每根手指在腕掌关节(CMC)属于车轴关节，因此被认为具有一个自由度。食指和中指的腕掌关节运动范围受到严重限制，几乎可以认为是锁定的，只有无名指和尾指具有较小的活动范围。

根据上述推断，可以认为完整的人类手掌有——拇指5个自由度，食指4个，自指4个，无名指5个，尾指5个。实现完整手掌运动需要23个自由度。这也是绝大多数灵巧手显得“笨笨”的原因——缺乏腕掌关节，无法完全实现对指功能。

灵巧手与普通末端执行器的区别:

普通末端执行器通常是针对特定任务设计的，而灵巧手则是一种为多任务而研发的智能型通用机械手。灵巧的抓取能力是完成各种操作任务的先决条件，灵巧手能够模拟人类手部的复杂运动和功能，从而实现更加精细和多样化的操作。灵巧性指的是手的姿势可变性，可变性越高，手的灵巧性也越强。

灵巧手分类

灵巧手种类繁多，那么如何分类和区分呢？

灵巧手可以根据自由度数量、驱动方式、传动机构和感知技术等进行分类。

一、按自由度分类

灵巧手的驱动机构主要分为耦合驱动、全驱动和欠驱动。

耦合驱动是指当一个机构的关节数量大于自由度数量，并且其中一个关节的运动始终与相连关节的运动成正比时，称为耦合驱动。这种机构一般使用一个执行器来控制所有自由度，如果一个关节停止运动，所有关节都会随之停止。

耦合驱动方案（Coupled）

下图展示了一个经典的耦合驱动方案，该方案采用直线电机配合连杆机构，实现简单的仿生指关节运动。

这种方案的最大特点在于使用单个电机或推杆来移动主关节，随后通过连杆、滑轮等机构连接第二和第三关节。这两个关节的运动会随主关节的运动而变化，从而产生类似下图所示的固定指尖活动路径。

虽然这种仿生手的驱动结构设计方案相对简单，但依然能够完成各种任务。通常情况下，人类手指执行任务时，主要进行简单的抓握或单指点击。当拇指的结构设计合理时，这种简单方案能够提供更大的单指指尖力量和执行速度，同时使整体设计更加紧凑。

全驱动是指当一个机构的执行器数量等于自由度数量时，称为全驱动机构。全驱动方案的每个指关节都由独立的执行器控制，不受其他关节影响，具备最高的灵活性和自由度，能够实现更精细的控制和应用。

全驱动方案（Fully actuated）

这种方案的指关节具有四个自由度，每个关节都能独立运动，并且整个手指可以实现俯仰运动。

全驱动方案的优势在于其能够满足某些功能性和精细操作要求较高的场合，例如两个手指捏住一个球形物体并进行来回滚动的动作。此外，全驱动方案具有完全可重复的运动轨迹，在工业场合，如组装和测量等方面表现更佳。多一个执行器使得全驱动方案在握持物体时相比欠驱动方案具有更大的扭矩。

然而，该方案的缺点在于对控制策略的要求较高。如果没有合理的运动学分析控制，其整体灵活性可能不如欠驱动方案。

欠驱动是指当一个机构的执行器数量少于自由度时，该机构被称为欠驱动机构。在机械手应用中，欠驱动机构允许自适应抓握，因此其抓取物体的方式比全驱动方案更接近人类。

欠驱动方案（Underactuated）

这种方案在掌指关节设置了两个执行器，而在近端指间关节设置了一个执行器。左MCP线和右MCP线可控制掌指关节的旋转和俯仰运动，远端指间关节与近端指间关节相互耦合。

与耦合驱动方案相比，这种方案具有更好的灵活性，更能够像人类手指一样完成各种任务。与全驱动方案相比，少一个或两个执行器显著节省了手臂和手腕的空间与重量，同时还具备更好的顺应性。然而，该方案的缺点也很明显，它不具备完全重复的运动轨迹，在需要精密操作的情况下，其表现可能不如全驱动方案，甚至不如耦合方案。

二、按驱动方式分类

按驱动方式分类

驱动系统是整个系统的动力源，是系统输出力的保障。根据驱动方式，可以将其分为两类：

第一类：根据驱动器的布置方式，可以分为三种类型：内置驱动器、外置驱动器和混合驱动器。

第二类：根据驱动方式，可以分为四类：液压驱动、电机驱动、气压驱动和形状记忆合金驱动。

第一类:

驱动器内置式灵巧手

优点：

1.刚性和精度：各关节具有较好的刚性，有利于传感器的直接测量，模块化设计便于更换和维护。

2.紧凑设计：驱动器被集成在手指内部，减少了外部空间的占用，提高了灵巧手的灵活性。

缺点：

控制难度增加：内置型设计导致通信和控制难度增大。

体积较大：手指尺寸及整体尺寸增大，关节灵活度可能下降。

代表产品：

DLR/HIT II：德国宇航中心研制，针对复杂的空间环境，将驱动器和电气系统集中在手掌内，具有1个独立手掌和5根模块化手指，可以通过配置拇指位置满足不同抓取要求。

驱动器外置式灵巧手

优点：

设计灵活性：驱动器外置使得机械手本体设计能够在更大空间内展开，从而实现更为拟人化的外观设计，使手指更加纤细。

驱动选型自由度高：可采用更大功率的驱动电机，从而增加手指的输出力，提升抓取能力。

缺点：

控制复杂性：由于驱动器与手本体之间距离较远，必须通过腱绳连接，导致传感器获得的信息无法直接反映手指关节位置和驱动力，增加了控制器设计的难度。

维护难度大：当某根腱断裂时，需要进行灵巧手整体拆卸，维护工作量大。

代表产品：

DARPA Extrinsic 灵巧手：由美国国防部研制，具有5个手指，电机和传动系统集成在前臂，配备30W的动力电机和15个操纵电机，能够根据需要调整转矩和速度。

Robonaut 2：由NASA与通用汽车联合研制，具备18个活动关节和12个自由度，能够有效承载超过9kg的负载，指尖速度超过200mm/s。

驱动器混合置式灵巧手

特性：

驱动器混合置式灵巧手结合了外置和内置的优点，部分驱动器置于手臂，部分置于手掌。此设计使得灵巧手能够在保证驱动力的同时，减少整体体积，使外观更为拟人化。

缺点：

尽管混合置式灵巧手兼具内置和外置的优点，仍然存在由于使用腱绳传动而增加的维修难度。

代表产品：

iCub：意大利研制，有20个活动关节，9个自由度，只有2个电机集成在手掌内，其余7个放置在前臂。

RoboRay：由韩国三星公司研制，具有五根手指和12个自由度，7个大载荷驱动器放置在前臂内用于主要抓取力，5个小载荷驱动器放置在手掌内用于精准抓取。

第二类:

灵巧手的驱动器类型主要包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动（SMA），其中电机驱动因其技术成熟和应用广泛，成为大多数灵巧手的主要驱动方式。

1、电机驱动

电机驱动通过电动机产生的力或力矩，直接或通过减速机构驱动灵巧手，以实现所需的位置、速度和加速度。这种驱动方式由于其成熟的技术和广泛的应用，已成为灵巧手的主流选择。电机驱动的灵巧手可分为旋转型驱动和直线型驱动：

旋转型驱动：以Stanford/JPL手为代表，采用直流电机和齿轮减速机构，通常体积较大，驱动系统主要集中在手掌部位，通过腱绳实现手指关节的远距离驱动。

直线型驱动：如德国DLR灵巧手，采用直线驱动器来驱动关节，将旋转电机与转换结构集成在手内部，模块化设计使每根手指均具有良好的自由度和灵活性。

2、气压驱动

气压驱动通过动力元件推动气体在缸体内产生压力差，从而驱动执行元件。与其他驱动方式相比，气压驱动具有较大的输出功率密度、易于实现远距离控制等优点。

不足之处：

1.操控气压的复杂性可能导致灵巧手运动不平稳。

2.驱动元件体积较大，不利于机械与驱动单元的集成设计。

典型代表：

Festo气动灵巧手：采用柔性硅胶和气动波纹管材料作为手骨架，具备很强的柔顺性和安全性，能够通过气体压力的变化使手指弯曲或恢复初始状态。

3、液压驱动

液压驱动通过液体在缸体内产生压力差，驱动执行元件。该驱动方式尤其适用于需要大输出力的场景。

不足之处：

1.液压驱动的运动不够平稳，难以实现手指位置的精确控制。

2.驱动元件集成在手指结构中，导致手指结构复杂，影响抓握性能。

3.高度集成设计导致抓握输出力较小。

典型应用：

微液压驱动灵巧手，例如由Stefan Schulz等人研发，具有8个关节，关节处集成柔性流体执行器，通过微型液压系统进行驱动。

4、形状记忆合金（SMA）驱动

形状记忆合金是一种能够记住自身形状的材料，当其被加热到特定温度时，可以恢复到原始形状。该驱动方式具有驱动速度快、负载能力强的优点，但也面临疲劳和寿命的问题。

典型代表：

Hitachi手：由3个四自由度手指和1个拇指组成，采用形状记忆合金驱动。

中国计量大学等机构也开展了基于形状记忆合金的灵巧手研究，通过增加SMA的使用量，达到较大的驱动位移输出。

综合比较四种驱动器类型，电机驱动的综合性能更好，具有标准化、稳定可靠、精度高、 响应快、驱控一体等优势，是目前技术成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手采用。

三、按传动机构分类

根据传动机构的不同，灵巧手可分为腱传动、连杆传动和齿轮/蜗轮蜗杆传动等类型。这些传动方式对灵巧手的抓取稳定性和灵活性起着至关重要的作用。

腱传动

腱传动是灵巧手中最常见的驱动方式。其工作机制是：置于灵巧手前臂中的电机通过齿轮箱驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠上的螺母将转动转换为平动，腱绳则套在螺母上，拉动连接在手指上的腱绳以实现手指的转动。为避免腱绳之间的干扰，通常采用腱绳外包裹导管的形式。

优点：

1.驱动器与手指本体分离，支持远距离驱动，减小手指的尺寸和质量。

2.结构紧凑，制造灵活，成本低。

3.零回差设计使得力控制器的设计简化。

缺点：

1.控制精度相对较低，抓取力有限。

2.腱绳易磨损，需要额外的张紧装置。

Utah/MIT 手：由麻省理工学院和犹他大学于1980年联合研制，采用气动伺服缸和腱绳传动。

CEA Dexterous 手：由西班牙国防中心大学与法国交互式机器人实验室于2014年设计，采用腱传动，避免了腱绳之间的耦合运动。

Shadow Hand：由英国Shadow公司于2004年研制，采用腱绳驱动，所有驱动器外置，减小灵巧手本身的尺寸。

连杆传动

连杆传动通过多个连杆的串并联组合来传递运动和力矩。以手指为例，手指的不同关节通过连杆实现屈曲和伸展。

优点：

1.连杆机构刚性大，能够实现强力抓取，传动精确，动态响应高。

2.除拇指外，其余四指可由一个电机共同驱动，降低成本。

缺点：

1.传动机构复杂，要求高的制造精度。

2.柔性差，抓握不规则物体时的适应性不足。

3.拟人化程度低，受机械结构限制，手指小型化困难。

KIST Hand：由韩国科学技术研究院开发，采用2UPS-RR并联机构，手指运动由耦合连杆实现。

Panipat Wattanasiri团队的仿生灵巧手：采用曲柄滑块连杆机构，各手指具有伸曲自由度，通过单个直流电机驱动。

齿轮/蜗轮蜗杆传动

齿轮/蜗轮蜗杆传动通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转运动转换为直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指。

优点：

1.能够进行精确传动，传递效率高，稳定性好。

2.各个手指动作相互独立，能够实现多种抓取构形。

缺点：

1.结构较为复杂，增加灵巧手的惯性和自重。

2.当手指较长时，所需的齿轮数量增加，限制了其应用。

为了解决普通蜗轮蜗杆所产生的缺点问题，可采用微型环面包络蜗轮蜗杆减速器。其结构简单，最小中心距可以做到4.5mm，多齿啮合结构，实现承载力的大幅提升，可以达到普通蜗轮蜗杆3倍以上，也极大延长了产品寿命，保证其高精度，噪音低，体积小的特点。

若在每个关节都采用，可实现手指全驱动，极大提高了灵巧手自由度。

HIT/DLR-I灵巧手：由哈尔滨工业大学与德国宇航中心共同研发，采用齿轮和连杆传动。

BH-985灵巧手：由北京航空航天大学研制，采用齿轮传动，将动力传输到各个关节。

四、灵巧手感知技术

根据传感器在机器人手中的布局和功能，可将传感器分为两类：内在传感器和外在传感器。

机器人灵巧手的分类

来源：Ziwei Xia《Dexhand aSpace qualified multi-fingered robotic hand》

外部感知传感器

触觉传感器

触觉传感器是机器人技术中至关重要的组成部分，使机器人能够精细、准确地感知和与周围环境互动。常见的触觉传感器类型包括：

压阻式触觉传感器：通过测量电阻变化来检测压力，适合大测量范围和鲁棒性的应用。

压电式触觉传感器：利用压电材料在受力时产生电压变化，具有快速响应和宽频率响应范围，但分辨率可能不足。

电容式触觉传感器：通过电容变化检测接触力，具有高空间分辨率和低功耗，但抗干扰能力较弱。

电磁式触觉传感器：较少见，利用电磁感应原理检测物体接近或接触。

光学触觉传感器：通过检测光参数变化感知接触，具有高空间分辨率和强抗干扰能力。

不同类型的触觉传感器各有优缺点，设计时需依据具体应用需求和环境条件做出选择。随着技术不断进步，未来的触觉传感器将集成更多智能算法，提供更精准的感知能力。

发展阶段：

早期触觉传感器：主要测量力的方向，缺乏接触位置的精确检测。

多阵列触觉传感器：通过柔性材料和压阻单元点阵列提高接触位置的分辨率，如腾讯的TRX-Hand灵巧手。

多模态传感器：如光学触觉传感器，能同时获取多种触觉信息。

多区域感知传感器：开发能够覆盖整个机器人手的电子皮肤，增强触觉感知。

触觉传感器的实现技术主要有MEMS和电子皮肤两种路线：

MEMS压力阵列触觉传感器：高灵敏度，适用于精细力控制的应用。

柔性触觉传感器（电子皮肤）：模拟人类皮肤感知，具有高灵敏度和快速响应等特点。

接近/迫近传感器

接近传感器使机器人能够检测物体与自身之间的相对位置，常见类型包括超声波传感器、红外传感器、激光传感器和电容传感器。这些传感器为灵巧手提供物体的位置信息，提升操作成功率。

内部感知传感器

力/力矩传感器

关节扭矩传感器：提供关节在运动过程中所受扭矩的实时反馈，确保灵巧手的稳定和精确操作。

腱绳张力传感器：利用应变计或压电材料等感应物体所受的拉力或压力，为灵巧手提供力反馈控制。例如，Robonaut 2手使用弹性体构建腱张力传感器，允许精确的力控制。

动作/运动传感器

位置传感器：关节位置传感器用于闭环控制，常用类型包括电位计、编码器和磁敏传感器。Robonaut 2 hand采用霍尔传感器监测关节角度变化。

弯曲传感器：弯曲传感器用于控制腱绳的张力，提升灵巧手的精确度和灵活性。五邑大学的碳基柔性弯曲传感器和西安交通大学的压电式弯曲传感器均展示了高灵敏度和稳定性。