仿人灵巧手结构设计综述（三）

  机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，而机器人灵巧手作为一种新型末端执行器，是机器人研究的重要课题之一。其设计研发涵盖机械、电气、材料、计算机等多学科交叉领域，具有多自由度、多传感集成、抓取策略多样等特点。具备人手操作能力的机器人灵巧手能够适应各种形状复杂的目标物体，实现不同场景下的工作任务。本贴将进一步分析灵巧手的结构形式，结合驱动原理进行阐述。

3. 灵巧手驱动原理及分类

  根据自由度与驱动源数量，可将灵巧手分为全驱动和欠驱动两大类。全驱动灵巧手的自由度数与驱动源数量相等，相当于每个关节都有独立驱动器以实现主动控制，但存在驱动器数量多、体积大、难以集成等问题。欠驱动灵巧手的自由度数多于驱动源数目，通过传动结构实现耦合联动，虽然灵巧性较差但体积小、质量轻，是目前研究的主流方向。这里对几种驱动、传动方式做一个简单总结，以加强对不同种类灵巧手的认识。
  驱动方式：包括电机驱动、流体（气液）驱动、智能材料（如形状记忆合金、电活性材料）驱动、化学反应驱动等。商用灵巧手大多以电机驱动为主，一个驱动源对应一个（主动）自由度；而其余几种仍处于论文研究阶段，其驱动源与自由度的对应关系不明确，在可靠性及批量制作方面存在劣势。
  传动方式：包括连杆传动、齿轮/丝杆/蜗轮蜗杆、腱绳传动等。连杆传动通过多个连杆串并联混合驱动手指并提供输出力，结构设计紧凑；齿轮传动多用于需要提供较大扭矩的场合，传递效率高、传动比稳定；腱绳传动在一定程度上模拟了人手的肌腱结构，由于排布灵活适合手指内部空间较小且自由度较多的场合；而丝杆则多用于驱动电机的输出轴端。
  以下结合具体结构，对设计优缺点进行分析：
  北京理工大学于2023年提出一种13自由度的小体积灵巧手，通过齿轮与连杆的组合实现更高运动精度及抓握稳定性。手指齿轮传动原理见附图，通过锥齿与端面齿轮配合，将电机轴向（手指长度方向）的转动转化为手指径向（宽度方向）的转动，从而实现关节弯曲，并通过连杆带动指尖耦合运动。其余部分的纯连杆驱动原理与上一帖韩国手类似，通过电机丝杆旋转，带动螺母沿手指轴向（前后）运动，拉动手指绕根部弯曲。特别地，电机丝杆分为左右两组，反向运动时可实现手指的（左右）侧摆。
  清华大学研究人员提出一种基于气动软体驱动器（分为气动网格型和纤维增强型，感兴趣的可以自行了解）的柔性灵巧手，通过将可拉伸光学传感器嵌入柔性材料中检测实时应变，反映灵巧手受力、弯曲曲率等信息，相较刚性机械手在自适应物体抓取及表面识别方面更具优势。见附图，软体驱动器的弯曲形状近似圆弧，理论上具有无限自由度，缺点在于无法实现对弯曲位置的主动控制。近年来有通过在柔性材料中嵌入刚性骨架以限制驱动器弯曲位置、实现仿人设计刚柔耦合灵巧手，一定程度上弥补了结构的不足。
  腱绳驱动灵巧手是目前应用最广的设计形式，得益于传动长度上的优势，其驱动电机通常布置在手腕处。而大部分连杆及齿轮传动的灵巧手均将电机布置于掌内，因此手掌只是被动地起着安装座的作用，但整体体积相比腱绳驱动更紧凑、适合商品化落地。特别地，腱绳驱动灵巧手还可在手掌处设置自由度，显著增强了指尖可达工作空间以及物体抓握的稳定性。其绕线方式是灵巧手设计的核心，这里提供华中科技大学的研究以供参考。此外，由于软体灵巧手的驱动源（如泵、阀等）通常设置在本体结构外，在手掌变形能力上存在先天优势。附图提供的是16自由度气动RBO Hand 3。
  至此，几种主流灵巧手的结构设计与驱动原理介绍完毕。

参考文献：
[1] Hu Z, Zhou C, Li J, Hu Q. Design of a compact anthropomorphic robotic hand with hybrid linkage and direct actuation[C]. Intelligent Robotics and Applications: 16th International Conference, Hangzhou, China, 2023: 322-332.
[2] Zhao H, O’Brien K, Li S, Shepherd R F. Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides[J]. Science Robotics, 2016, 1(1): eaai7529.
[3] Chu D, Xiong C, Z Huang, et al. Human palm performance evaluation and the palm design of humanoid robotic hands[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2024, 9(3): 2463-2470.
[4] Puhlmann S, Harris J, Brock O. RBO Hand 3: A platform for soft dexterous manipulation[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2022, 38(6): 3434-3449.
[5] 刘伟, 肖钊, 瞿寅朋, 等. 机器人灵巧手研究综述[J]. 机械传动, 2024, 48(9): 167-176.