机器人多指灵巧手研究进展（一）
原创
1 多指灵巧手类型
机器人灵巧手操作特征 | 具体阐述 |
|---|---|
自适应抓取 | 多指灵巧手可以抓取不同形状，不同质量的物体，对不同属性的物体抓取具有自适应的通用抓取能力。 |
抓取稳定性 | 灵巧操作的抓取稳定性主要是指抓取目标体的可靠抓取，灵巧手/被抓取物体系统能够在各种干扰下保持稳定抓取。 比如在受到外力干扰， 被抓取物体特征估测存在误差的条件下能够稳定抓取物体并保证一定抓取柔性以防止过大抓取内力。 |
灵巧操作性 | 灵巧手指的自由度配置，输出力配置和零部件布置方式等均会对灵巧性产生重大影响。手指的外形，关节数目，关节驱动形式，传动形式等都会在机器人灵巧手的灵活抓取中体现。此外，拇指的设计，多指的配合协同抓取都会影响灵巧性。 |
灵巧手的有多种划分形式，一般对于人直观的印象主要分为 以下三种
- 驱动器外置式机器人多指灵巧手
- 驱动器内置式机器人多指灵巧手
- 驱动器混合置式机器人多指灵巧手
按照驱动形式划分，仿人多指灵巧手可以划分为：
- 气动
- 电机驱动
- 形状记忆合金驱动
按照传动形式划分，仿人多指灵巧手可以划分为：
- 齿轮驱动
- 腱绳驱动
从多指灵巧手的研制过程中知道，早期的多指灵巧手都是属于驱动器外置式多指灵巧手，且自由度不够高；随着电子元器件的发展，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式方式；
但是目前的机器人多指灵巧手研制中，发现完全的驱动内置式多指灵巧手很难做到整个手指的全部驱动，逐步有混合式多指灵巧手的出现。即便这样，仍然很难出现位置和力控制精度很高的全驱动多指灵巧手。
2 人手自由度配置说明
自 然人手的近指关节一般具有弯曲 / 伸展以及外展 / 并拢两个自 由度， 其余两个关节各具有一个自 由度。 拇指的掌骨具有极高的灵活度， 可以轻易实现相对于手掌平面的垂直位姿。人手的三个关节中基关节以及中关节在一定范围内可以独立转动， 而远关节为欠驱动， 各关节遵循一定的运动规律。
3 灵巧手驱动放置方式分析
驱动放置方式 | 优缺点 | 内容 |
|---|---|---|
外置式多指灵巧手 | 优点 | 1外置使得机械手本体的设计可以在足够的空间内展开，从而使得机器人多指灵巧收的外观设计可以更加拟人化，手指本体设计可以更加纤细，尺寸和本体可以做到完全一致 |
2驱动器选型可以更加自由，更大的驱动电机可以被采用，从而可以增大手指的输出力 | ||
缺点 | 1 绳索机构广泛应用于外置式灵巧手。 传感器获得信息并不能反映灵巧手手指关节位置和关节驱动力（驱动电流）， 这更增加了控制器设计的难度 | |
2 腱驱动所采用的绳索机构预紧和标定均非常困难， 而且由于外置式灵巧手手指的非模块化设计， 使得其可维护性和互换性较差 | ||
内置式多指灵巧手 | 优点 | 1 近端驱动使得手指的传动系统柔性低，传感器直接测量，误差小 |
2 机器人手指的模块化设计使各手指之间的互换性和可维护性大大增强 | ||
缺点 | 1 内置使得驱动器的内置和分布式使得通信和控制的难度加大 | |
2 手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大， 关节灵活度下降； |
4 典型的外置式多指灵巧手
(1) Stanford/JPL 多指灵巧手
Stanford/JPL多指灵巧手有三个手指，最初研发于1982年，整个手共有9个自由度，每个手指有三个自由度，每个手指使用最小化 n+1 腱(n个手指) 设计.即对于该手中的每个手指，采用4条腱绳驱动手指的3个关节。
(2) Utah/MIT 多指灵巧手
Utah/MIT 灵巧手有 4 个手指， 共16个自 由度。采用腱加滑轮驱动方式， 采用 2n 腱（ n 个手指） 驱动设计， 总共使用 了 32 条腱。采用 了气动驱动方式， 具有基于霍尔效应的位置传感器和基于应变片的腱张力传感器。
(3)Shadow 五指灵巧手
Shadow 灵巧手的拇指和小指具有 5 个自 由度， 其他手指均具有 4 个自 由度， 加上腕部的两个自 由度， 总共具有 24 个自 由度。 Shadow 手是第一个具有与人手类似自由度设计的多指灵巧手。 其气动肌肉驱动控制器均置于前臂.
(4)Robonaut 机器人灵巧手
Robonaut 灵巧手具有 5 个手指， 具有与人手相仿的尺寸和外形。 该灵巧手的食指和中指具有 3 个自 由度， 而其他手指具有2 个自 由度， 加上手腕关节的两个自 由度， Robonaut 总共有 14 个自由度. 为了代替人类完成复杂精细的太空任务（如舱外维修任务）， Robonaut 手采用了 传感器和灵巧手本体分离的设计方式， 灵巧手本体具有位置传感器， 而 Robonaut手套则集成了位置， 力和触觉等多种传感器。here
(5) Hasy(Hand Arm System) 手-臂联合系统
DLR研制Hasy(Hand Arm System) 手-臂联合系统. 它由 5 个手指构成， 除无名 指具有 3 个自 由度以外， 其他手指均具有 4 个自 由度， 加上腕部的 2 个自 由度， 总共具有 21 个自 由度.
5 典型的内置式多指灵巧手
驱动内置式的多指灵巧手最具典型的是HIT/DLR–II 灵巧手，HIT/DLR–II 灵巧手是新一代具有相对位置、 绝对位置、 力/力矩、 触觉和温度等多种感知能力的五指灵巧手。该手指集驱动、 传感、 控制等为一体， 它具有一个独立的手掌和五个模块化的手指。 其中拇指与手掌之间有一个类似人手的外张/收敛自由度， 可以通过配置拇指的位置来满足不同的抓取要求。 每个手指具有四个关节和三个自由度。 新一代灵巧手的整体尺寸为人手的 1.5 倍， 相当于 HIT/DLR –I 灵巧手的三分之二。 here,here
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