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靈巧手作為機(jī)器人操作和動(dòng)作執(zhí)行的末端工具在機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域被稱(chēng)之為末端執(zhí)行器(End-Effector)，如同“百達(dá)翡麗”般昂貴和精密。本期技術(shù)干貨，我們邀請(qǐng)到了小米工程師——張佳俊，以機(jī)器人多指靈巧手為主要討論對(duì)象，從靈巧手的發(fā)展歷程到具體傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)，結(jié)合部分案例全方位多角度闡述靈巧手的發(fā)展與應(yīng)用。

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一、前言

末端執(zhí)行器是機(jī)器人執(zhí)行部件的統(tǒng)稱(chēng)，一般安裝于機(jī)器人腕部的末端，是直接執(zhí)行任務(wù)的裝置。末端執(zhí)行器作為機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對(duì)提高機(jī)器人的柔性和易用性有著極為重要的作用，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個(gè)機(jī)器人的工作性能。

二、靈巧手的發(fā)展歷程

機(jī)器人多指靈巧手的研究始于20世紀(jì)70 年代，圖1所示為日本“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”的Okada 靈巧手，該靈巧手具有3個(gè)手指和一個(gè)手掌，拇指有3 個(gè)自由度，另外兩個(gè)手指各有4個(gè)自由度，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和肌腱傳動(dòng)方式。

圖2所示為20世紀(jì)80年代初美國(guó)斯坦福大學(xué)研制成功的Stanford/JPL靈巧手，該手有3個(gè)手指，每指各有3自由度，采用12個(gè)直流伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，采用腱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

圖3所示為美國(guó)麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研制的Utah/MIT 靈巧手，該手具有完全相同的4個(gè)手指，每個(gè)手指有4個(gè)自由度，同樣采用腱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，整手有16個(gè)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器數(shù)量達(dá)到了32個(gè)。上述三只靈巧手是該領(lǐng)域研究初始階段的典型代表，為后續(xù)仿人型多指靈巧手研究建立了理論基礎(chǔ)。

圖1 Okada 靈巧手 | 圖2 Stanford/JPL 靈巧手 | 圖3 Utah/MIT 靈巧手

20 世紀(jì)末，隨著嵌入式硬件的發(fā)展，多指靈巧手的研究向著高系統(tǒng)集成度和豐富的感知能力提升的方向發(fā)展，進(jìn)入了快速發(fā)展階段。美國(guó)國(guó)家航空宇航局研制了用于國(guó)際空間站艙外作業(yè)的宇航員靈巧手Robonaut hand，由1個(gè)手腕和5個(gè)手指組成，共14個(gè)自由度，腱繩張力傳感器的加入使得整手的運(yùn)動(dòng)控制更加準(zhǔn)確。

德國(guó)宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ靈巧手，共集成了25個(gè)傳感器，包括類(lèi)似人工皮膚的觸覺(jué)傳感器、關(guān)節(jié)扭矩傳感器、位置傳感器和溫度傳感器等，使靈巧手在靈活性和感知能力方面都有顯著提升。意大利IIT研制的iCub手高度集成了12個(gè)觸覺(jué)傳感器，48個(gè)壓力傳感器和17個(gè)位置傳感器以實(shí)現(xiàn)靈巧的操作和豐富的感知能力，系統(tǒng)集成度的提高和感知能力的豐富使得多指手向靈巧操作的方向更進(jìn)了一步。

?圖4 Robonaut hand |?圖5 DLR-I |?圖6 DLR-Ⅱ

圖7 IIT-iCub

高系統(tǒng)集成的靈巧手具有靈活性和功能性的優(yōu)勢(shì)，但是復(fù)雜的系統(tǒng)導(dǎo)致了高額的制造成本并且降低了系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。因此近10年，多指靈巧手設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向是簡(jiǎn)化系統(tǒng)與提高魯棒性。

欠驅(qū)動(dòng)靈巧手通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以少于手指關(guān)節(jié)自由度的驅(qū)動(dòng)器控制手的運(yùn)動(dòng)，以降低整只手的系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)提高可靠性。凡事均有利弊，欠驅(qū)動(dòng)手雖然在一定程度上以較低的成本、簡(jiǎn)化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高魯棒性的抓取任務(wù)，但是由于欠驅(qū)動(dòng)自身特性使得該類(lèi)手在操作方面的能力受到了限制，這也是機(jī)器人手設(shè)計(jì)中的魯棒性和功能性之間辯證取舍的結(jié)果。

總結(jié)成一句話就是：在緊湊、高效、與可靠性的前提下完美“復(fù)制”人手高自由度的靈巧性，依然還有很長(zhǎng)的路要走。

三、靈巧手實(shí)現(xiàn)形式

?>>>>?3.1?人手自由度分析

機(jī)器人多指靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能為模仿對(duì)象，其研究的最終目標(biāo)也是期望能夠像人手那樣對(duì)生產(chǎn)、生活乃至自然界中的各種物體進(jìn)行穩(wěn)定并且靈活的抓持和操作。

人類(lèi)手的進(jìn)化是通過(guò)不斷的勞作而緩慢漸進(jìn)的, 經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年才成為現(xiàn)在這雙最具靈活特性的靈巧手。由于人手的靈巧特性, 現(xiàn)已成為機(jī)器人學(xué)者進(jìn)行機(jī)器人手設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)其靈活控制的思考源泉。因此，在研究機(jī)械靈巧手之前，讓我們先來(lái)分析一下真實(shí)人手的自由度(Degree of Freedom)。

如上圖所示，我們暫且定義每根手指閉合屈曲(Flexion)的方向?yàn)镻itch，那么對(duì)于Pitch方向的自由度：食指-中指-無(wú)名指-小拇指-大拇指每個(gè)都有3個(gè)，所以總計(jì)為3*5=15個(gè)；對(duì)于Roll方向的自由度：食指-中指-無(wú)名指-小拇指，在每根手指的指根關(guān)節(jié)（Metac Arpophalangeal Joint）都有1個(gè)Roll，而大拇指則比較特殊，具有2個(gè)Roll，所以Roll方向l總計(jì)為4+2=6個(gè)。那么整體人手的自由度為15+6=21個(gè)。（我們這里不統(tǒng)計(jì)手腕關(guān)節(jié)帶來(lái)的6個(gè)自由度)

也許大家對(duì)21個(gè)自由度沒(méi)有明確的概念，我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比：一條機(jī)器人單腿是6個(gè)自由度，一條機(jī)械臂一般是7個(gè)自由度，而一只手需要21個(gè)自由度，其復(fù)雜程度不言而喻。由于真實(shí)人手的高自由度、結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜等特征，絕大多數(shù)機(jī)械手都無(wú)法完美“復(fù)制”人手的功能，其設(shè)計(jì)和功能都是在某些特定場(chǎng)合和功能要求下的簡(jiǎn)化和權(quán)衡。

>>>>?3.2?機(jī)器人靈巧手的傳動(dòng)分析

機(jī)器人靈巧手在體積、重量、靈活性和可操作性等各項(xiàng)性能指標(biāo)上都存在很大的區(qū)別，造成這些區(qū)別的主要原因是由于靈巧手采用的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方式不同。靈巧手按照驅(qū)動(dòng)源的方式可以分為電機(jī)、液壓、氣動(dòng)以及形狀記憶合金等。

機(jī)器人靈巧手傳動(dòng)系統(tǒng)把驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)合力以一定的方式傳遞到手指關(guān)節(jié)，從而使關(guān)節(jié)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)器密切相關(guān)。雖然驅(qū)動(dòng)源是影響靈巧手體積重量的重要因素，但是抓取穩(wěn)定性和靈活性等重要指標(biāo)取決于傳動(dòng)系統(tǒng)，這里按照傳動(dòng)方式，將靈巧手分為以下幾種類(lèi)型，并分別列舉采用相應(yīng)傳動(dòng)方式的靈巧手案例：

傳動(dòng)方式	特點(diǎn)介紹
腱傳動(dòng)	特點(diǎn)：由腱（鋼絲繩、迪力馬繩等）加上滑輪或者軟管實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。腱一般具有很高的抗拉強(qiáng)度和很輕的重量，容易實(shí)現(xiàn)多自由度和遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳輸，節(jié)省空間和成本，是一種柔順傳動(dòng)方式。 缺點(diǎn)：腱本身的剛度有限，影響位置精度；控制時(shí)需要一定的預(yù)緊力，容易產(chǎn)生摩擦；腱的布局容易產(chǎn)生力矩和運(yùn)動(dòng)的耦合。這些因素都增加了手爪抓取控制的難度和復(fù)雜性。
	典型案例
	?
	Shadow Hand?	PISA/IIT SoftHand

傳動(dòng)方式	特點(diǎn)介紹
連桿傳動(dòng)	特點(diǎn)：采用平面連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)的軌跡的要求。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高。
	典型案例
	BeBionic Hand	因時(shí)機(jī)器人-RH56DFX

傳動(dòng)方式	特點(diǎn)介紹
齒輪/蝸輪蝸桿傳動(dòng)	特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和手指之間的彈簧來(lái)驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生動(dòng)作，手指部分采用金屬連接，各個(gè)手指動(dòng)作相互獨(dú)立，具有多種的抓取構(gòu)形，和別的多指靈巧手相比，驅(qū)動(dòng)更加靈活，但是手指的閉合時(shí)間較長(zhǎng)。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高，手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障。
	典型案例
	Vincent Hand	i-limb ultra Hand

傳動(dòng)方式	特點(diǎn)介紹
人工肌肉（液壓/氣動(dòng)）	特點(diǎn)：液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是近年來(lái)興起的一種重要的驅(qū)動(dòng)方式，是模擬人肌肉的一種驅(qū)動(dòng)方式。 缺點(diǎn)：由于材料和技術(shù)的限制，這些“人工肌肉”技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人手爪實(shí)現(xiàn)可靠、快速和精確地抓取功能。
	典型案例
	浙江工業(yè)大學(xué)全驅(qū)氣動(dòng)靈巧手	Festo OctopusGrabberi-limb ultra Hand

四、靈巧手的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

雖然靈巧手的應(yīng)用需求凸顯并日趨旺盛，這些需求也引領(lǐng)著機(jī)器人多指靈巧手的研發(fā)方向和發(fā)展趨勢(shì)，但目前的技術(shù)和產(chǎn)品依然存在諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，亟待解決。

1.深度仿生：制造出像人手一樣的機(jī)器人靈巧手是研究人員不懈的追求，深度仿生包含外形仿生，內(nèi)在結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)原理的仿生，以及靈巧手操作過(guò)程的仿生。

2.柔性感知技術(shù)：由于人手結(jié)構(gòu)精巧復(fù)雜、功能多樣、感覺(jué)豐富，實(shí)現(xiàn)仿生的機(jī)器人靈巧手必然需要像人類(lèi)皮膚一樣能夠感知豐富信息的柔性感知技術(shù)和傳感器。然而，電子皮膚的研發(fā)涉及材料、機(jī)械、信息、人工智能乃至生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)類(lèi)人皮膚的復(fù)雜、柔性結(jié)構(gòu)并保持優(yōu)良的信息采集與處理技術(shù)依然任重而道遠(yuǎn)。

3.信息的融合技術(shù)的發(fā)展：實(shí)現(xiàn)仿人的靈巧操作能力是機(jī)器人多指靈巧手研發(fā)的重要目標(biāo)。雖然眾多實(shí)驗(yàn)室采用機(jī)器視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法進(jìn)行了特定動(dòng)作或任務(wù)的學(xué)習(xí)建模，但是鮮見(jiàn)人手操作過(guò)程的基本原理分析研究。從基本原理和規(guī)則角度剖析人手的靈巧操作過(guò)程，并運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法加以描述，更具有科學(xué)性和通用性，是進(jìn)行機(jī)器人多指靈巧手靈巧操作規(guī)劃與控制的理論基礎(chǔ)。

4.成本控制：現(xiàn)有的機(jī)器人多指靈巧手的銷(xiāo)售價(jià)格普遍奇高，例如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)-德國(guó)宇航中心合作開(kāi)發(fā)的HIT/DLR靈巧手售價(jià)在90萬(wàn)元人民幣以上，Shadow Dexterous Hand報(bào)價(jià)約30萬(wàn)美元，德國(guó)SCHUNK公司的SVH 五指手報(bào)價(jià)70萬(wàn)元人民幣以上，高昂的價(jià)格是推廣應(yīng)用一大障礙。

五、經(jīng)典案例分享

?>>>>?5.1 Schunk(德國(guó))-商業(yè)產(chǎn)品

高度仿生設(shè)計(jì)，高度集成化，優(yōu)化后的高效 9 x DoA (Degree of Actuation) 設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕大部分人手的運(yùn)動(dòng)。

視頻：Anthropomorphic Schunk 5 Finger Hand Gripper

視頻來(lái)源：https://www.youtube.com/watch?v=3knfeR1Frd4

?>>>>?5.2?Ottobock(德國(guó))-商業(yè)產(chǎn)品(BeBionic被Ottobock收購(gòu))

高度仿生設(shè)計(jì)，6DOF連桿傳動(dòng)靈巧手，具備極佳的可靠性與實(shí)用性。假肢應(yīng)用（Prosthetic Application）領(lǐng)域的龍頭旗艦產(chǎn)品。

視頻：bebionic hand - 14 grip patterns _ Ottobock

視頻來(lái)源：https://www.youtube.com/watch?v=tCAgGVcxrb8

?>>>>?5.3?DLR-HIT Hand II(德國(guó)&中國(guó))-德國(guó)宇航局&哈爾濱工業(yè)大學(xué)-科研性質(zhì)

該靈巧手是劉宏老師在DLR設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。高度仿生設(shè)計(jì)，手指模塊化設(shè)計(jì)帶來(lái)獨(dú)立的手指和手掌運(yùn)動(dòng)，具備極佳的靈巧性，多種傳感器的運(yùn)用（角度、力矩，指尖力及陣列觸覺(jué)傳感器）給予了機(jī)械手良好的反饋能力。秉承DLR一貫的風(fēng)格，令人瞠目結(jié)舌的高度機(jī)電系統(tǒng)集成化——所有的電機(jī)、減速箱、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)電路都集成在如上圖人手大小的系統(tǒng)中。

視頻：DLR-HIT II Robotic Hand

視頻來(lái)源：https://www.youtube.com/shorts/i-HJTJkFHMA

?>>>>?5.4?FESTO ExoHand(德國(guó))-商業(yè)產(chǎn)品

動(dòng)力源是氣動(dòng)可以說(shuō)是這只手的最大特點(diǎn)，巧妙的連桿設(shè)計(jì)給予了手指欠驅(qū)動(dòng)的特性。這只手還可以作為外骨骼（Exoskeleton）的應(yīng)用，去對(duì)機(jī)械手的手指運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遙操（Teleoperation）。

視頻：Festo ExoHand

視頻來(lái)源：https://www.youtube.com/watch?v=EcTL7Hig8h4

?>>>>?5.5?PISA/IIT SoftHand(意大利)-科研性質(zhì)

高度仿生設(shè)計(jì)，高集成度，Synergies理念使用，單電機(jī)控制所有的自由度，極佳的環(huán)境適應(yīng)柔性。

視頻：SoftHand - Istituto Italiano di Tecnologia

視頻來(lái)源：https://www.youtube.com/watch?v=fsg-6y1KKnw

六、結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人多指靈巧手的本體、傳動(dòng)、建模、感知、規(guī)劃與控制的復(fù)雜性，源于人類(lèi)社會(huì)對(duì)它的擬人化靈活操作能力預(yù)期。人們?cè)谑褂米约旱碾p手執(zhí)行生活和生產(chǎn)中的各種操作任務(wù)時(shí)，常常是潛意識(shí)中即完成了目標(biāo)任務(wù)的理解、分解和手指協(xié)同工作的過(guò)程規(guī)劃與控制。這些看似習(xí)以為常，簡(jiǎn)單至極的工作能力是人類(lèi)經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化才具有的，因此研制復(fù)現(xiàn)人手功能和能力的機(jī)器人多指靈巧手必然也將經(jīng)歷艱難、復(fù)雜、曲折的過(guò)程。

雖然在緊湊、高效、與可靠性的前提下完美“復(fù)制”人手高自由度的靈巧性，依然還有很長(zhǎng)的路要走，But,we are always on the way and never stop.

注：

*圖1-6來(lái)源：https://s.r.sn.cn/nR9caB。

*其余圖片來(lái)源于相應(yīng)產(chǎn)品官網(wǎng)。

文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-493411.html