仿人灵巧手结构设计综述（一）

       仿人灵巧手已成为人形机器人不可或缺的关键组件之一。然而，设计一个在尺寸、灵活性以及负载能力上均与人手相匹配的机械手仍然是一项困难的挑战。为开发一种能够高度模拟人手运动的仿生机械手首先需要了解人手的解剖结构，以明确其操作参数。通过理解手的实际运动方式，以确保灵巧手的设计能够尽可能地贴近真实人手的功能与表现。

1. 人手的基本结构与驱动原理

       这里简单定义人手的自由度是指手掌、手指(不包括手腕、手肘以及肩部)能够执行各种独立运动的数目，而将不同运动互相组合则赋予了人手极高的灵活性和操作能力。通常认为人手共有21个(也有观点认为是20个)自由度，除拇指外的每个手指具有4个自由度，这些自由度分别用于手指的屈伸、外展和内收；相比之下，拇指的结构较为复杂，拥有5个(4个)自由度，这使得它能在更大范围内灵活运动，对于多姿态抓取和物体精细化操作至关重要。除手指外，手腕至肩部还有6个自由度用于旋转和平移，进一步增强了人手的操作能力和灵活性，使我们能够完成各种复杂的动作。然而在设计机械手时，通常会考虑空间、重量和控制难度等因素，将自由度限制在较低的数量，以达到既实用又易于操作的目的。
  从解刨学角度来看，每个手指(不包括拇指)都由四块指骨组成，两指骨之间的连接部分被称为关节，从指尖到手掌依次为远端指关节(Distal interphalangeal joint, DIP)、近端指关节(Proximal interphalangeal joint, PIP)和掌指关节(Metacarpophalangeal joint, MCP)。手掌中的掌骨则将这些指骨连接到位于手掌根部的腕骨上。拇指结构较为复杂，其指节比另外四指少一节，但具有更高的自由度，其与掌骨的连接部分可大致理解为球形万向副。如果把人手比作机构中的构件，那么指骨就相当于连杆，关节则为连接连杆的运动副，而肌肉就是机构中的驱动部件。简单来说，肌肉通过肌腱连接于指骨，通过肌肉的收缩与舒展驱动指骨绕关节旋转，从而实现人手的不同运动。此外，人手通常无法独立控制DIP关节运动，因此大部分灵巧手的DIP关节都被设计为耦合关节，与PIP关节一起运动。

  手掌的这些自由度协同工作，使得人手能够完成各种动作，从简单的抓取和放下物体，到复杂的精细操作如写字、coding等。因此，手掌的自由度是人手灵活性和操作能力的重要保障，也是人类进行各种生产活动的重要基础。

参考文献：

[1] 周思远. 基于并联机构的多指灵巧手设计与分析[D]. 北京交通大学.

[2] Z Hu, C Zhou, J Li, Q Hu. Design of a compact anthropomorphic robotic hand with hybrid linkage and direct actuation[C]// 2023 Intelligent Robotics and Applications, Hangzhou, China, 2023: 322-332.