设计五指灵巧手的技术与挑战

手是人获得认知的重要渠道，是人完成灵巧操作的最重要的器官。从机器人这一概念提出之日起，人们便把其想象成能够像人一样具有高度的智能，能够完成各种复杂的操作。目前，在日本和欧美等发达国家的工厂中，工业机械手已经被广泛地用来代替工人完成各类简单和重复性的工作。这些工业机械手基本上是限定在特定的环境中完成单一的操作，而对于一些在繁重、危险、恶劣、极限或一般的环境下需要人手才能完成的复杂作业，例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等，普通的工业机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有五个手指和手掌，并且分布触觉技能，五指灵巧手具有极强的功能和很高的通用性，它完全可以代替或者帮助人类在各种场合下灵巧地完成各类复杂的作业。

1.五指灵巧手设计的关键技术

通过对人手结构的研究，结合国内外多指灵巧手研究成果的分析，五指灵巧手的设计从宏观来看，首先应该有以下几个技术要点。

（1）手指的模块化设计 从人手结构来看，人手的五指互相独立、互相协作。因此，设计五指灵巧手时，五指可以独立设计。除了拇指，其余四指结构大致相同。它们的第3、4关节相互咬合一起运动；基本节都在手掌内，几乎不产生运动，所以设计时可以针对某一指重点展开，其他指头可以在其基础上做尺寸上的调整。这样的设计符合模块化的思想，既方便设计、装配与维护，又有利于设计质量的提高。对于人手来说，拇指是最灵活的，其每一个关节都能独立地运动，设计也较其他四指复杂。这些设计思想在NTU和Gifu HandⅡ的设计中都得以不同程度的体现。

（2）传感器设计 在机器人的设计中，传感器设计始终占有很大的比重。对于人手来说，与外界接触主要是通过触觉来完成的。触觉对于手的意义如同视觉对于眼，所以触觉传感器成为五指灵巧手的核心部件，而触觉传感器的设计也成了至关重要的部分。除了触觉传感器，力传感器的设计也很重要。

（3）控制系统研究 控制系统由放置在手外通过键控发展到嵌入手内部的压缩尺寸的微型控制，这将使五指灵巧手的尺寸和重量达到人手的水平。目前认为，设计五指灵巧手的控制算法是通过与人手的交互，使五指灵巧手获得灵巧操作所需的知识和技能，但是这不同于主从型机械手。主从型机械手是从手（机械手）接收引导手（一般是人手）的动作信号，并根据接收到的信号产生相应的反应动作；而五指灵巧手的研究则体现了更高的智能，该类型的手具有较强的自学习、自适应能力，通过反复的训练，还具有自主决策能力。所以，设计神经网络将成为控制算法设计的关键。

（4）结构优化 为了五指灵巧手高灵巧度的需要，有必要对多指灵巧手的结构进行深入的分析，并采用优化设计方法，设计出结构上最优化的五指灵巧手，为其实用化和其他方面的研究提供最理想的结构。对于多指灵巧手的结构优化设计，必须对以下十个方面进行优化分析或设计：

①手指关节运动形式。

②手指数目。

③手掌结构。

④手指结构形式（关节的数目及相对姿态）。

⑤各关节运动的驱动方式及传动方式。

⑥各关节的断面结构形式。

⑦手的材料（包括表面材料，即皮肤）。

⑧传感器设计及布局。

⑨各手指之间的相对位置及姿态。

⑩各关节的长度及可旋转关节的旋转角度范围。

对于五指形灵巧手的研究，上述十个问题大致分为四类：②和④是无需考虑的问题，⑤、⑦和⑧是需要专门研究的，①、③和⑥是需通过测试优化的，⑨和⑩则可以通过建立合适的优化算法来实现。(www.xing528.com)

（5）材料研究 机器人的发展始终是与材料科学的研究密切相关的。从五指灵巧手来看，无论是各个部件的制造还是手外层覆盖的皮肤，都对材料的要求十分苛刻。材料选择的优劣直接关系到五指灵巧手的重量、灵巧度、耐用性和制造难度等多个方面。例如在Gifu HandⅡ中，钛合金的应用对于增加关节间耐磨性能、减少由于摩擦带来的齿轮隙的增大作用明显。新的高硬度、低密度材料的应用对于减轻手的重量、增加手指的硬度、提高耐磨性等都会产生良性影响，因此，材料的研究同样至关重要。

图9-17 Gifu HandⅠ和Gifu HandⅡ五指灵巧手

2.五指灵巧手的应用实例

20世纪80年代末以来，在原有多指灵巧机械手研究的基础之上，五指灵巧手的研究逐渐开展起来，涌现出了一些比较优秀的成果。例如1987年，前南斯拉夫Venkataraman等研制的贝尔格莱德USC灵巧手；1996年，中国台湾省的台湾大学研制的NTU五指灵巧手；日本Gifu大学Haruhisa Kawasaki等已经研制和正在研制的Gifu系列手，现已经完成Gifu HandⅠ和Gifu HandⅡ的设计，如图9-17所示。USC手是五指灵巧手研究的早期成果，它设计简单、机构精简，堪称经典。现在，五指灵巧手研究追求结构精简，控制系统的复杂度较低和USC手不无关系。该手的5个手指仅有4个电动机作为动力部件，其中两个电动机驱动拇指，另外两个驱动其他4指。每个手指有3个平行的轴关节，却只有1个自由度，所以它仅仅能完成简单的灵巧抓取而不能执行复杂的灵巧操作。此外，英国Shadow机器人公司在2003年设计的五指灵巧手，无论是外观还是结构，都达到相当高的仿人程度。2005年，该公司又将五指灵巧手做了改进，如图9-18所示。

图9-18 Shadow公司开发的五指灵巧手

20世纪60年代后期，国内一些著名的高等院校和研究机构，例如北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、中国科学院、北京工业大学、华南理工大学等都相继展开了五指灵巧手的研究。北京航空航天大学机器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4等四种型号的灵巧手，如图9-19所示。哈尔滨工业大学于2001年研制成功了我国第一个具有多种感知功能的DLRHIT多指灵巧手，并且与德国宇航中心合作，于2003年研制成功了尺寸更小、集成化程度更高的新型五指灵巧手，如图9-20所示。

图9-19 北航BH-4灵巧手

图9-20 DLRHIT灵巧手

3.五指灵巧手的发展趋势

当然，五指灵巧手研发中需要研究的课题还很多，许多实际的问题还有待在研究中发现、解决。随着仿人机器人的发展，研发五指灵巧手具有重要的理论和实践意义。机器人学的发展方向始终是高度仿人形。对于机械手来说，尽管二指就可以实现简单的夹、捏操作，三指形的手可以完成二维物体的封闭抓取，四指形手就可以实现三维物体的灵巧操作，而且少一个指头可能在设计和实现上都比较容易，但是高度仿人手始终是最高目标。所谓的高度仿人手，不仅仅是机械手所能完成的操作复杂性，接近人的水平，而且其外形也要接近人手。这对机械设计、控制系统设计、传感器设计都提出了更高的要求。

1）双手协作。事实上，大多数的工具操作需要双手协作以简化操作，例如人用剪刀时，往往需要一只手操作剪刀、另一只手握住待操作的物体，而且人通过双手协作，使得手的作用得以更大的发挥，完成更多的复杂操作。举操作就是双手协作以更好地发挥手的作用的实例。所以在五指灵巧手设计时，就应需要考虑双手的协作，这样不仅能简化某些操作，还可能扩大手的作用。要实现双手协作问题，双手必须能够即时通信，所以设计一套完美的通信系统对于双手的协作效能会起到至关重要的作用。有关设计已经做了这方面的努力，例如Gifu HandⅡ就设计了左、右两只手，但是并未实现双手操作。

2）手-腕-前臂一体化设计。从整体、系统的观点来看，人的各个器官，尤其是相邻器官关联较强，相互起到辅助、补充作用。对于手来说，腕和前臂就对其起到了很大的辅助作用，而且五指灵巧手的成功设计最终是要与腕和前臂连接起来的，尤其是五指灵巧手与手腕需要大量的信号传递，所以手-腕-前臂一体化设计可能会简化手与腕连接的复杂程度，进而提高手的灵巧性。