干货 | 机器人中的“百达翡丽” — 五指精密仿生灵巧手技术浅析

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灵巧手作为机器人操作和动作执行的末端工具在机器人学领域被称之为末端执行器(End-Effector)，如同“百达翡丽”般昂贵和精密。本期技术干货，我们邀请到了小米工程师——张佳俊，以机器人多指灵巧手为主要讨论对象，从灵巧手的发展历程到具体传动形式实现，结合部分案例全方位多角度阐述灵巧手的发展与应用。

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一、前言

末端执行器是机器人执行部件的统称，一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。

二、灵巧手的发展历程

机器人多指灵巧手的研究始于20世纪70 年代，图1所示为日本“电子技术实验室”的Okada 灵巧手，该灵巧手具有3个手指和一个手掌，拇指有3 个自由度，另外两个手指各有4个自由度，采用电机驱动和肌腱传动方式。

图2所示为20世纪80年代初美国斯坦福大学研制成功的Stanford/JPL灵巧手，该手有3个手指，每指各有3自由度，采用12个直流伺服电机作为关节驱动器，采用腱驱动系统传递运动和动力。

图3所示为美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MIT 灵巧手，该手具有完全相同的4个手指，每个手指有4个自由度，同样采用腱驱动系统传递运动和动力，整手有16个关节，驱动器数量达到了32个。上述三只灵巧手是该领域研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。

图1 Okada 灵巧手 | 图2 Stanford/JPL 灵巧手 | 图3 Utah/MIT 灵巧手

20 世纪末，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究向着高系统集成度和丰富的感知能力提升的方向发展，进入了快速发展阶段。美国国家航空宇航局研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手Robonaut hand，由1个手腕和5个手指组成，共14个自由度，腱绳张力传感器的加入使得整手的运动控制更加准确。

德国宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手，共集成了25个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，使灵巧手在灵活性和感知能力方面都有显著提升。意大利IIT研制的iCub手高度集成了12个触觉传感器，48个压力传感器和17个位置传感器以实现灵巧的操作和丰富的感知能力，系统集成度的提高和感知能力的丰富使得多指手向灵巧操作的方向更进了一步。

 图4 Robonaut hand | 图5 DLR-I | 图6 DLR-Ⅱ

图7 IIT-iCub

高系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是复杂的系统导致了高额的制造成本并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此近10年，多指灵巧手设计的一个重要方向是简化系统与提高鲁棒性。

欠驱动灵巧手通过合理的结构设计以少于手指关节自由度的驱动器控制手的运动，以降低整只手的系统复杂度，同时提高可靠性。凡事均有利弊，欠驱动手虽然在一定程度上以较低的成本、简化的系统实现了高鲁棒性的抓取任务，但是由于欠驱动自身特性使得该类手在操作方面的能力受到了限制，这也是机器人手设计中的鲁棒性和功能性之间辩证取舍的结果。

总结成一句话就是：在紧凑、高效、与可靠性的前提下完美“复制”人手高自由度的灵巧性，依然还有很长的路要走。

三、灵巧手实现形式

 >>>> 3.1 人手自由度分析

机器人多指灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，其研究的最终目标也是期望能够像人手那样对生产、生活乃至自然界中的各种物体进行稳定并且灵活的抓持和操作。

人类手的进化是通过不断的劳作而缓慢渐进的, 经历了数百万年才成为现在这双最具灵活特性的灵巧手。由于人手的灵巧特性, 现已成为机器人学者进行机器人手设计及实现其灵活控制的思考源泉。因此，在研究机械灵巧手之前，让我们先来分析一下真实人手的自由度(Degree of Freedom)。

如上图所示，我们暂且定义每根手指闭合屈曲(Flexion)的方向为Pitch，那么对于Pitch方向的自由度：食指-中指-无名指-小拇指-大拇指每个都有3个，所以总计为3*5=15个；对于Roll方向的自由度：食指-中指-无名指-小拇指，在每根手指的指根关节（Metac Arpophalangeal Joint）都有1个Roll，而大拇指则比较特殊，具有2个Roll，所以Roll方向l总计为4+2=6个。那么整体人手的自由度为15+6=21个。（我们这里不统计手腕关节带来的6个自由度)

也许大家对21个自由度没有明确的概念，我们可以做一个简单的对比：一条机器人单腿是6个自由度，一条机械臂一般是7个自由度，而一只手需要21个自由度，其复杂程度不言而喻。由于真实人手的高自由度、结构紧凑、复杂等特征，绝大多数机械手都无法完美“复制”人手的功能，其设计和功能都是在某些特定场合和功能要求下的简化和权衡。

>>>> 3.2 机器人灵巧手的传动分析

机器人灵巧手在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上都存在很大的区别，造成这些区别的主要原因是由于灵巧手采用的驱动和传动方式不同。灵巧手按照驱动源的方式可以分为电机、液压、气动以及形状记忆合金等。

机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动合力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动，传动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响灵巧手体积重量的重要因素，但是抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动系统，这里按照传动方式，将灵巧手分为以下几种类型，并分别列举采用相应传动方式的灵巧手案例：

传动方式	特点介绍
腱传动	特点：由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者软管实现传动。腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种柔顺传动方式。 缺点：腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。
	典型案例
	Shadow Hand	PISA/IIT SoftHand

传动方式	特点介绍
连杆传动	特点：采用平面连杆机构传动，刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求。 缺点：结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高。
	典型案例
	BeBionic Hand	因时机器人-RH56DFX

传动方式	特点介绍
齿轮/蜗轮蜗杆传动	特点：驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长。 缺点：结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高，手指的结构比较复杂，容易出现故障。
	典型案例
	Vincent Hand	i-limb ultra Hand

传动方式	特点介绍
人工肌肉（液压/气动）	特点：液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式，是模拟人肌肉的一种驱动方式。 缺点：由于材料和技术的限制，这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。
	典型案例
	浙江工业大学全驱气动灵巧手	Festo OctopusGrabberi-limb ultra Hand

四、灵巧手的趋势与挑战

虽然灵巧手的应用需求凸显并日趋旺盛，这些需求也引领着机器人多指灵巧手的研发方向和发展趋势，但目前的技术和产品依然存在诸多问题和挑战，亟待解决。

1.深度仿生：制造出像人手一样的机器人灵巧手是研究人员不懈的追求，深度仿生包含外形仿生，内在结构，驱动和传动原理的仿生，以及灵巧手操作过程的仿生。

2.柔性感知技术：由于人手结构精巧复杂、功能多样、感觉丰富，实现仿生的机器人灵巧手必然需要像人类皮肤一样能够感知丰富信息的柔性感知技术和传感器。然而，电子皮肤的研发涉及材料、机械、信息、人工智能乃至生物学等多个学科领域。实现类人皮肤的复杂、柔性结构并保持优良的信息采集与处理技术依然任重而道远。

3.信息的融合技术的发展：实现仿人的灵巧操作能力是机器人多指灵巧手研发的重要目标。虽然众多实验室采用机器视觉和深度学习相结合的方法进行了特定动作或任务的学习建模，但是鲜见人手操作过程的基本原理分析研究。从基本原理和规则角度剖析人手的灵巧操作过程，并运用数学的方法加以描述，更具有科学性和通用性，是进行机器人多指灵巧手灵巧操作规划与控制的理论基础。

4.成本控制：现有的机器人多指灵巧手的销售价格普遍奇高，例如：哈尔滨工业大学-德国宇航中心合作开发的HIT/DLR灵巧手售价在90万元人民币以上，Shadow Dexterous Hand报价约30万美元，德国SCHUNK公司的SVH 五指手报价70万元人民币以上，高昂的价格是推广应用一大障碍。

五、经典案例分享

 >>>> 5.1 Schunk(德国)-商业产品

高度仿生设计，高度集成化，优化后的高效 9 x DoA (Degree of Actuation) 设计，能够实现绝大部分人手的运动。

视频：Anthropomorphic Schunk 5 Finger Hand Gripper

视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=3knfeR1Frd4

 >>>> 5.2 Ottobock(德国)-商业产品(BeBionic被Ottobock收购)

高度仿生设计，6DOF连杆传动灵巧手，具备极佳的可靠性与实用性。假肢应用（Prosthetic Application）领域的龙头旗舰产品。

视频：bebionic hand - 14 grip patterns _ Ottobock

视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=tCAgGVcxrb8

 >>>> 5.3 DLR-HIT Hand II(德国&中国)-德国宇航局&哈尔滨工业大学-科研性质

该灵巧手是刘宏老师在DLR设计的产品。高度仿生设计，手指模块化设计带来独立的手指和手掌运动，具备极佳的灵巧性，多种传感器的运用（角度、力矩，指尖力及阵列触觉传感器）给予了机械手良好的反馈能力。秉承DLR一贯的风格，令人瞠目结舌的高度机电系统集成化——所有的电机、减速箱、机械传动结构、传感器、驱动电路都集成在如上图人手大小的系统中。

视频：DLR-HIT II Robotic Hand

视频来源：https://www.youtube.com/shorts/i-HJTJkFHMA

 >>>> 5.4 FESTO ExoHand(德国)-商业产品

动力源是气动可以说是这只手的最大特点，巧妙的连杆设计给予了手指欠驱动的特性。这只手还可以作为外骨骼（Exoskeleton）的应用，去对机械手的手指运动进行遥操（Teleoperation）。

视频：Festo ExoHand

视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=EcTL7Hig8h4

 >>>> 5.5 PISA/IIT SoftHand(意大利)-科研性质

高度仿生设计，高集成度，Synergies理念使用，单电机控制所有的自由度，极佳的环境适应柔性。

视频：SoftHand - Istituto Italiano di Tecnologia

视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=fsg-6y1KKnw

六、结语

机器人多指灵巧手的本体、传动、建模、感知、规划与控制的复杂性，源于人类社会对它的拟人化灵活操作能力预期。人们在使用自己的双手执行生活和生产中的各种操作任务时，常常是潜意识中即完成了目标任务的理解、分解和手指协同工作的过程规划与控制。这些看似习以为常，简单至极的工作能力是人类经历数百万年进化才具有的，因此研制复现人手功能和能力的机器人多指灵巧手必然也将经历艰难、复杂、曲折的过程。

虽然在紧凑、高效、与可靠性的前提下完美“复制”人手高自由度的灵巧性，依然还有很长的路要走，But,we are always on the way and never stop.

注：

*图1-6来源：https://s.r.sn.cn/nR9caB。

*其余图片来源于相应产品官网。