淺析多指仿生靈巧手結構設計

陳玉瑜 權潔

摘要：多指仿生靈巧手可以在人手無法操作的環境中靈活、準確、精細的完成一系列動作。本文分析了多指仿生靈巧手在設計過程中的關鍵技術和手指機構的傳動方案，概述了靈巧手的應用和發展趨勢。

關鍵詞：靈巧手；結構設計；關鍵技術

中圖分類號：TP241文獻標識碼：A

多指仿生靈巧手是一種集機構、驅動、傳感和控制為一體的機器人系統，具有通用性強、感知能力豐富、操作靈活等優點，可在日常或極限環境下代替人手執行多種操作。

1 應用

多指靈巧手采取仿生學原理，由多個擁有2～3個回轉關節的手指組成，每一個關節的自由度都是獨立控制的。因此，它可以模仿人手完成設備操作、維修、裝配等各種復雜的動作。它可以在深海、太空航天器的艙外、自動化生產線、核電站、化工廠等危險、惡劣的工作環境下從事探測、取樣、裝配、修理等作業；此外，在工業生產中，大量的重復動作可以讓靈巧手準確的復現，大大提高工作效率，減少人力成本。

2 設計的關鍵技術

通過研究人手結構，分析國內外多指仿生靈巧手的研究成果，靈巧手的設計從宏觀來看，應該在以下幾個方面研究。

2.1 手指的設計

分析人手結構發現，人類的五個手指除了拇指，其余四指結構大致相同，所以可以進行模塊化設計，即重點設計其中某一手指，別的手指可以在其基礎上做尺寸上的調整。拇指最靈活，人手的大部分動作都是依靠拇指與其他手指的配合來完成的，所以拇指的設計也較其他手指復雜。

2.2 傳感器設計

觸覺是人手與外界接觸的主要途徑，而觸覺傳感器是仿生靈巧手感知外界的重要介質，所以觸覺傳感器的設計至關重要，它的優劣在很大程度上影響和決定著靈巧手的功能實現。

2.3 控制系統研究

為了使多指仿生靈巧手的尺寸和重量達到人手水平，在設計控制系統時，要通過優化算法、合理建模等方法盡量壓縮結構尺寸，將控制系統嵌入手的內部。

3 設計的基本原則

設計多指仿生靈巧手需要根據用途確定其功能要求和設計指標，用途不同帶來的設計結果存在很大的差異。在設計的時候可根據不同的工作環境和工作要求，制定不同的設計方案，在滿足實際功能指標的基礎上，盡量追求結構的靈巧性、美觀性、緊湊型和通用實用性。

4 手指機構的傳動方案設計

4.1 關節運動的驅動方式

多指仿生靈巧手根據其關節運動驅動機構來分，一般有兩種：

（1）旋轉驅動方式。旋轉驅動方式的動力來源一般是各種型號的電機和舵機，使用這種驅動方式的靈巧手機械結構簡單，動作十分靈敏，控制較為方便。但是驅動設備一般體積較大，而且受驅動設備性能參數的影響，一般抓取力量較小，在工程應用中較少。

（2）直線驅動方式。直線驅動方式的動力來源較廣泛，目前應用較多的有液壓系統、氣壓系統、直線電機等等。動力來源不同，機械手尺寸與力學性能也有較大差別。液壓驅動機械手一般抓取力較強，是目前力學性能最好的機械手，但是采用液壓驅動的機械手一般重量與體積都比較大，而且液壓控制系統的反應速度較低，所以其機械手的靈敏性和靈巧程度受到了很大的影響。而氣動機械手較液壓驅動機械手，其力學性能上有一定的差距，但是氣動系統通常體積較小，安裝方便，同時又能夠保證整個機械手具有足夠的靈巧程度與靈敏性，所以，對于小型仿人手機械手，這種驅動方式更能夠發揮其作用。

4.2 關節運動的傳動方式

為保證傳動結構緊湊并實現所需求的手指運動功能，常用的傳動方式有如下三種。

（1）繩輪傳動。繩輪傳動機械結構簡單，能實現多個自由度，能傳遞遠距離的兩關節之間的運動和動力，也能較好的滿足靈巧手機械結構上的要求，并且加工方便、傳動平穩、無噪聲、無振動和沖擊、耐用性強。但是這種傳動方式不能提供較大的抓取力度；繩索容易變形，使用時間長了，繩索會變松弛，將會帶來較大的運動傳遞誤差；并且繩索只能受拉，不能受壓，實現回程將會很困難；所以在應用上受到了一定的限制。

（2）鏈條、鋼帶傳動。鏈條、鋼帶傳動也是遠程驅動的手段之一，與繩輪傳動相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設計上的限制也很大。

（3）閉式鏈連桿傳動結構。仿生靈巧手指各關節之間的距離不是很遠，所以也可以運用連桿機構傳遞運動和動力。手指機構采用開環的串聯三連桿機構，再添加一些自由度為零的桿組，就可以構造出閉環連桿機構，通過這一閉環連桿機構可以把手指根部的運動和動力傳遞到各個關節。這種傳動方式提升了靈巧手的機械性能，但是增加了靈巧手的復雜程度。

5 發展趨勢

隨著仿人機器人的發展，研發多指仿生靈巧手具有重要的理論和實踐意義。機器人學的發展方向始終是高度仿人形，機械手發展的最高目標是高度仿人手。

（1）要使靈巧手高度仿人手，兩者具有1：1的對應關系。首先要在外形尺寸、結構，手指數量、感覺，抓取功能等方面達到人手的程度。這樣它就能真正成為人手的延伸或替代，方便而準確地抓取物體。同時，靈巧手結構和重量的日益親民化，控制的日益智能化也為靈巧手成為殘疾人假手提供條件。

（2）考慮到雙手協作不僅能簡化某些操作，還可能擴大手的作用，雙手的協作必將成為發展趨勢。但是要實現雙手協作問題，雙手必須能夠實現即時通信，所以就需要研究設計一套完美的通信系統。

（3）多指仿生靈巧手將被廣泛地運用到工業實際中，面向產業化應用，靈巧手技術將得到進一步深入發展。

參考文獻：

[1]張玉茹，李繼婷，李劍鋒.機器人靈巧手——建模、規劃與仿真[M].機械工業出版社，2007.4.

[2]張濤.機器人引論[M].機械工業出版社，2016.11.

基金項目：常州紡織服裝職業技術學院學術科研基金項目（CFK201508）

作者簡介：陳玉瑜（1979），女，甘肅靖遠人，碩士，講師，常州紡織服裝職業技術學院機電工程系，主要從事機械設計和數控技術的教學科研工作；權潔（1987），男，江蘇徐州人，碩士，助教，常州紡織服裝職業技術學院機電工程系，主要從事機械設計和機械制造的教學科研工作。