用乐高组件，布里斯托大学团队造出拟人机器手，实现12自由度抓取

随着机器人技术的发展，如何让机器人的设计更加贴近人类的形态与功能，以满足更多复杂场景的需求，已成为行业研究的重点方向之一。

其中，仿照人手设计的机器人手不仅能应用于诸多机器人场景，还能帮助人们更好地理解自身以及所创造的机器，对行业发展具有重要意义。但现有的乐高机器人手存在一定局限性，缺乏经过学术同行评审的设计，也未能为现代机器人研究贡献先进设计，因此，研发一款新型的拟人化机器人手迫在眉睫。

▍仅依靠乐高，构建拟人化机器人手原型Educational SoftHand-A

纵观“机器人手的百年发展史”，我们可以清晰地看到现代机器人手的设计正逐渐呈现出两大趋势。

一方面，研究者在不断探索原则性简化的方向，即在保留拟人化结构优势的前提下，尽可能降低驱动和控制的复杂性，从而提升机器人手的实用性与可操作性。

另一方面，软体机器人技术的兴起，使得越来越多的研究开始采用柔顺结构或欠驱动机制，通过材料的柔性和结构自适应特性，让机器人手能够在复杂环境中灵活应对、稳健抓取。

这两条路线都在尝试回答同一个问题：如何让机器的“手”既灵巧又高效。

在机器人手研发实践中，具有高度适应性的拟人化肌腱驱动手PISAIIT SoftHand是个典型代表，其采用肌腱驱动系统，仅用一个电机就能实现自然流畅的动作。在设计思路高度，PISAIIT SoftHand也还原了人手的结构特点：坚硬的指骨通过具有弹性的关节相连，弹性韧带在运动后能够被动复位，共同的肌腱驱动则实现了手指间的协同动作。这种设计不仅简化了控制系统，也极大增强了抓取的稳定性和适应性，为后续的仿生机器人手设计奠定了重要基础。

来自英国布里斯托文法学校、布里斯托大学以及布里斯托机器人实验室的研究团队，在PISAIIT SoftHand和耶鲁大学OpenHand系列3D打印抓取器的启发下，仅依靠乐高®MINDSTORMS®系统中的标准积木与绳索（作为肌腱的替代物），构建出一款具备先进功能的拟人化机器人手原型Educational Educational SoftHand-A，实现了让中小学生通过动手实践，即可理解机器人手设计的基本原理与现代机器人技术的发展方向。

在设计过程中，研究团队对Educational SoftHand-A进行了定制化设计，引入了新型拮抗肌腱布局，并借助离合齿轮实现了柔性协同运动，从而同步控制手指动作。通过适用于家庭或学校场景的简易测试方法，验证了该乐高机器人手具备良好的反应能力与可控性，同时展示其对不同形状与尺寸物体的自适应抓取性能。

在此基础上，Educational SoftHand-A在驱动方式上作出重要改进，将电机数量增至两个，使每根手指配置为一对激动肌与拮抗肌组合，均采用柔和的协同作用，更贴近生物力学原理。新的拮抗肌腱布局与离合齿轮结构有效提升了手指运动的同步性，增强了整体反应能力与力量传递效率。

▍四大组成板块，Educational SoftHand-A结构设计与驱动系统详解

具体来说，Educational SoftHand-A采用四指拟人化构型，包含食指、中指、小指与拇指，通过两组相对布置的肌腱系统实现手的开合控制。四指设计在保留人手基本功能与形态的基础上，有效降低了结构的复杂程度与系统控制难度。

每根手指均设计有三个旋转关节，整手共具备12个运动自由度。肌腱系统与差动驱动机构相连，使各手指在接触物体时能够依据外部约束自主调整运动姿态，呈现出协同而自适应的抓握特性。这一设计理念延续了PISAIIT SoftHand系列所倡导的柔顺抓握思想。

• 组件构成与驱动系统

整台Educational SoftHand-A完全采用乐高教育套装中的标准组件搭建，包括梁连接器、齿轮、轴杆、销钉及导向轴承等。驱动系统由两台MINDSTORMS EV3大型伺服电机（型号45502）及一个可编程控制器（编号95646）构成，支持用户通过图形化编程方式调节肌腱张力，实现手的开合与自适应抓取。

在肌腱引导方面，Educational SoftHand-A沿用了精密轴承阵列的设计思路，使用超过100个塑料轴承替代传统金属轴承，既满足功能需求，也兼顾了乐高组件的兼容性。所有结构设计均在LEGOBricklinkStudioV3软件中完成，该平台不仅支持虚拟建模与装配分析，也便于设计图纸与说明的共享，有利于后续的复现与二次开发。

• 手指模块化结构

Educational SoftHand-A手指部分采用统一模块化设计，每指由基节、两节中节与一节远端指骨构成，总长约145毫米，宽度为30毫米。各指骨结构一致，仅基部的连接与肌腱导向布局存在差异。三处旋转关节分别对应掌指关节、近端指间关节与远端指间关节。拇指设计中以标准掌指关节替代复杂的腕掌关节，在维持功能的前提下实现了控制简化。每个关节通过轴杆与指骨连接梁实现纯旋转运动，并设有限位结构以防止过度伸展。

• 肌腱布局与掌部结构

Educational SoftHand-A采用典型的双肌腱系统布局，包含四条负责屈曲的激动肌腱与四条负责伸展的拮抗肌腱。所有肌腱自手腕下方的差动驱动单元引出，经掌部轴承导向后固定于各指尖梁端。掌部结构承担三类功能：以拟人方式排布四指及导向组件、引导肌腱在掌根处的路径分布，以及在抓握过程中为手指提供支撑。

肌腱在掌部呈对称分布，掌面侧的蓝色肌腱控制闭合，背面侧的红色肌腱控制张开。两组肌腱由独立电机驱动，借助差动齿轮机构实现力的共享与运动的协调。当部分手指接触物体受阻时，系统可自动分配各指运动量，形成符合人手抓握逻辑的自然动作。

• 差动驱动与离合结构

Educational SoftHand-A差动驱动单元采用共用轴与齿轮结构，将两个电机的扭矩分配至八个线轴，其中前部四个控制激动肌腱，后部四个控制拮抗肌腱。关键创新在于引入离合齿轮机构：当某手指因外部阻力达到5Ncm扭矩阈值时，相应离合齿轮可脱离啮合，使该指暂停运动，其余手指仍继续动作，从而保障整手在抓握过程中的自适应与协调性。

驱动电机最大输出扭矩为40Ncm，内置编码器用于实时检测转动角度。通过可编程控制器，用户可对驱动力、运动范围与控制策略进行灵活调整，适用于算法测试与教学演示等多种场景。

▍系列测试，考察Educational SoftHand-A响应时间与负载能力

为评估Educational SoftHand-A的动态性能，研究团队设计了一系列适用于教学场景的测试项目，重点考察其响应时间与负载能力：

1）在单指响应时间测试中，研究人员记录了手指在完全张开与闭合状态间往复运动所需时间，通过视频录像进行精确计时；

2）承载能力测试通过在静态条件下对中节指骨施加负重，测量指尖下沉超过10毫米时的临界载荷；

3）推力测试则评估了手指在伸展状态下推动静止障碍物时所能克服的最大阻力。

整手测试采用相同方法，测量全手在完全张开与闭合状态间的转换时间。所有测试数据均汇总于统一表格中进行对比分析。

• 测试结果分析

对比实验显示，Educational SoftHand-A的单指完成一次完整屈伸循环约需1秒，而采用金属轴承和3D打印结构的同型版本仅需0.5秒。在负载能力方面，教育版单指承载与推力约为5-6牛顿，略低于3D打印版本的6-8牛顿。

值得关注的是，尽管教育版电机功率相对有限，但其拮抗肌腱机制无需依赖被动弹性元件即可产生可观推力。整手运动速度与单指表现基本一致，完整动作周期保持在1秒左右。虽然运动速度约为高品质电机版本的一半，但其整体性能仍完全满足教育应用需求。

• 自适应抓取能力验证

为评估Educational SoftHand-A的抓取适应性，研究人员将其垂直安装，测试在重力环境下稳定抓取各类家居物品的能力。测试对象包括风扇、塑料杯、碗、胶带、鞋子、轮子、大小球体及毛绒玩具等，重量范围在0.1-0.8公斤之间。

实验过程中，通过驱动激动肌腱使手部闭合，同时放松拮抗肌腱以保持手指柔顺性。测试结果显示，该手能成功抓取九类不同物体，并对其中三种物品实现了两种不同的抓取方式：例如风扇可通过手柄或头部抓取，杯子可从侧面或底部持握，碗则能采用正握或反握方式。

抓取适应性进一步体现在不同物体的处理策略上。以碗和线轴为例，虽然二者形状相似，但抓取时手部闭合程度因物体深度差异而自动调整。在从底部抓取杯子时，小指、中指和拇指形成主要接触点，食指则自适应地闭合于物体侧面。这些观察到的抓取模式与Pisa/IIT SoftHand所展现的协同操作特性一致，体现了良好的生物力学仿生性能。

以上综合测试结果表明，尽管完全采用乐高标准组件构建，Educational SoftHand-A在响应速度、力量传递与自适应抓取等方面的性能仍与其他SoftHand版本相当，部分应用场景下甚至更具优势，其为机器人教育与研究提供了一个兼具创新性与实用性的平台方案。

参考文章：

https://arxiv.org/html/2510.15638v1#abstract