深度科普：60年过去了，五指灵巧手还能走出实验室吗？
机械手，在科幻电影中一直是「酷」的代名词。
没有人能拒绝钢铁侠这身机械装甲的超能力
事实上，60年前的科学家就已经把它带到了现实，甚至比大荧幕来得还要早。而且它近在咫尺，在生活中也有着非凡「超能力」——为部分残障人士带来新生。
在我们熟悉的机器人领域，机械手被称为「多指灵巧手」，是一种通用灵巧的末端操作工具，一直是学术界的关注焦点。今天，我们就从机器人的角度，带你重新认识这项高科技。
01 发展历程
人类对机器人多指灵巧手的研究是从假肢开始的。1962年，Tomovic和Boni为南斯拉夫的一位伤寒病患者设计研制了Belgrade手，被认为是世界上最早的灵巧手。
1974年，日本成功研制了Okada手，是早期灵巧手的典型代表。它有３根手指和１个手掌，其中拇指有３个自由度，另外两根手指各有４个自由度。手指的每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，可以完成螺栓拧进螺母等操作。
早期灵巧手的典型代表Okada
1982年，美国犹他大学工程设计中心与麻省理工学院人工智能实验室研制出UTAH/MIT多指机械手，采用模块化结构设计。４根手指完全相同，都有４个自由度，选用气动伺服缸作为手指关节的驱动元件，通过绳索（腱）和滑轮实现远距离传动。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指，都连接手掌且相对于手掌进行运动。
与人类手指配置方式类似的UTAH/MIT
之后40年是多指机械手的快速成长期，驱动系统、传动系统、新型材料、新型传感器、电路技术以及控制系统等更新换代，为各国研究员在结构设计和控制策略等方面提供了便利。
德国宇航中心2000年研制出的DLR机器人多指机械手，被视为世界上复杂度、智能和集成化程度最高的仿人手多指机械手；英国Shadow机器人公司2004年研发的Shadow手，则是产品化的典型代表。
02 常见种类
驱控技术是研究多指灵巧手的基础。只要搞定了灵巧手的驱动装置，再接入传感器，就能让它准确、柔顺地执行任务。我们常根据结构形式、驱动方式以及传动机构的不同，来划分多指灵巧手的类型。
机器人多指灵巧手分类
驱动器外置式机器人多指灵巧手
早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，主要是受驱动器结构尺寸影响，难以嵌入手指内。这种方式给了驱动器选型极大自由，不用考虑体积空间，可以用更大的驱动电机来增加手指的输出力，手指部位也可以做到比较纤细。但也存在传感器不能反应关节信息，控制器难度大；标定难，非模块化设计，可维护性差等问题。
只有三根手指的Stanford/JPL灵巧手
以极具代表性的Stanford/JPL为例，整只手有3根手指，每根手指有3个自由度，采用最小化n+1腱(n根手指)设计，即4条腱绳驱动手指的3个关节。
驱动器内置式机器人多指灵巧手
随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式。这让手指各关节具有较好的刚性，更利于传感器的直接测量，且模块化设计利于更换维护。
相应的，驱动器的内置和分布也让通信和控制难度加大，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大，关节灵活度下降。
HIT/DLR–II多指灵巧手及其关节传动结构
典型的内置式灵巧手HIT/DLR–II，整体尺寸为人手的1.5倍。具有1个独立的手掌和5根模块化手指，每根手指集驱动、传感、控制等为一体，具有4个关节和3个自由度。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。
驱动器混合置式机器人多指灵巧手
驱动器内置很难做到驱动整根手指，于是混合式多指灵巧手的概念就出现了。即驱动器外置和内置相结合的方式，进一步提高手指的输出力矩，保证较高自由度的同时，控制体积大小。
电机驱动式机器人多指灵巧手
电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。但是电机本身固有的体积较大等缺陷，导致无论是外置还是内置，都会占用较大的物理空间，并且市场上很难匹配到通用电机。
气动驱动式机器人多指灵巧手
基于气动驱动的灵巧手是近年来的研究热点，它是比较接近人体肌肉驱动的一种方式。具有易于控制、能量储存方便、柔性等特点，但其刚度低、动态性能差。典型的有Festo的气动灵巧手、上海交大联合MIT开发的气动灵巧手[2]等。
Festo-BionicSoftHand气动灵巧手
上海交大联合MIT开发的灵巧手
形状记忆合金驱动式机器人多指灵巧手
形状记忆合金(SMA)是美国海军在研究时无意发现的一种金属材料，之后更多种类的SMA被大量研发。其中，Ni-Ti形状记忆合金的性能较为优良，广泛应用于多个领域[3]。国内电子科技大学、南京航天航空大学、中国计量大学均有相关灵巧手的研究，一般通过增加SMA的使用量来实现较大驱动位移输出。
中国计量大学基于SMA驱动的三指灵巧手
齿轮驱动式机器人多指灵巧手
齿轮组的传动方式可以实现精确的传动比，传动精度高、传动扭矩大，通过集成关节传感器可以实现精确控制。但这种方式设计较复杂，安装精度要求高，成本高。一般齿轮驱动难以实现远距离传动，常与连杆、同步带结合来实现传动，以佐治亚理工学院的Naist hand[4]较为典型。
佐治亚理工学院Naist hand 灵巧手
Naist hand有4根手指，每根手指有3个自由度，共12个自由度。其中MP关节有2个自由度，PIP关节有1个自由度，DIP关节与PIP配对(耦合)。所有的执行器都嵌入在手掌中，所有接头均由齿轮和连接机构驱动，而不使用电线，每根手指都按模块设计。
腱绳驱动式机器人多指灵巧手
腱绳驱动是最常用的灵巧手驱动方式，具有控制灵活、结构简单、柔性高的特点，特别适合自适应的抓取动作。但控制精度不高、抓取力不大，腱绳需要额外的张紧装置、易磨损。早期DLR系列、DLR Dexhand/Space、DLR_Hand Arm System，以及商用化的shadow hand等都采用腱绳驱动。
DLR_Hand Arm System
通过位于小臂的电机带动绕线盘拉动手指
Shadow hand灵巧手
03 研究现状
当前，不管是刚性、柔性，还是刚柔相济的机器人多指灵巧手，大多还处于实验室研究阶段。主要是受到技术、市场等因素的限制：
1、仿生机理是实现多指灵巧手的研究应用的基础和关键，涉及多维度、多学科和全方位的仿生理论和技术还未有重大进展；
2、驱动与控制技术不够成熟，不能在有限的空间内，协同控制诸多的驱动器实现仿人的运动和动作；
3、人手遍布传感系统的仿生目标未达成，大面积、多信息融合的柔性传感技术待突破；
4、成本居高不下，市场接受机器人多指灵巧手还有些距离。
尽管如此，许多研究机构仍在开展灵巧手的相关研究，并取得了一些成效。
耶鲁大学基于单电机腱绳驱动开发的多指灵巧手[7]，实现抓取力10N；哥伦比亚大学开发的高度欠驱动(单电机腱绳驱动)灵巧手，具备精确触觉反馈和位置反馈的能力，有助于理论分析与预测抓握特定物体时的接触力[8]；韩国亚洲大学开发的基于连杆驱动的灵巧手能实现15自由度，指尖力达到28N[9]。
总的来说，不比软体夹爪、气动夹爪等其他末端夹具，多指灵巧手是面向未来的机器人产品。它的价值不在于当下，而是人类的明天。
图片来源于网络
参考资料：
[1]《仿人多指灵巧手机器操作控制》刘宏、姜力 著
[2]A soft neuroprosthetic hand providing simultaneous myoelectric control and tactile feedback
[3]李达宏等中国计量大学机电工程学院,新型形状记忆合金驱动器与三指灵巧手设计,中国计量大学机电工程学院
[4]Development of the NAIST-Hand with Vision-based Tactile Fingertip Sensor
[5]dexhand: a space-qualified multi-fingered robotic hand
[6]Spacehand: a multi-fingered robotic hand for space
[7]The highly adaptive SDM hand: Design and performance evaluation
[8]A highly-underactuated robotic hand with force and joint angle sensors
[9]Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand