浅析多指仿生灵巧手结构设计

陈玉瑜 权洁

摘要：多指仿生灵巧手可以在人手无法操作的环境中灵活、准确、精细的完成一系列动作。本文分析了多指仿生灵巧手在设计过程中的關键技术和手指机构的传动方案，概述了灵巧手的应用和发展趋势。

关键词：灵巧手；结构设计；关键技术

中图分类号：TP241文献标识码：A

多指仿生灵巧手是一种集机构、驱动、传感和控制为一体的机器人系统，具有通用性强、感知能力丰富、操作灵活等优点，可在日常或极限环境下代替人手执行多种操作。

1 应用

多指灵巧手采取仿生学原理，由多个拥有2～3个回转关节的手指组成，每一个关节的自由度都是独立控制的。因此，它可以模仿人手完成设备操作、维修、装配等各种复杂的动作。它可以在深海、太空航天器的舱外、自动化生产线、核电站、化工厂等危险、恶劣的工作环境下从事探测、取样、装配、修理等作业；此外，在工业生产中，大量的重复动作可以让灵巧手准确的复现，大大提高工作效率，减少人力成本。

2 设计的关键技术

通过研究人手结构，分析国内外多指仿生灵巧手的研究成果，灵巧手的设计从宏观来看，应该在以下几个方面研究。

2.1 手指的设计

分析人手结构发现，人类的五个手指除了拇指，其余四指结构大致相同，所以可以进行模块化设计，即重点设计其中某一手指，别的手指可以在其基础上做尺寸上的调整。拇指最灵活，人手的大部分动作都是依靠拇指与其他手指的配合来完成的，所以拇指的设计也较其他手指复杂。

2.2 传感器设计

触觉是人手与外界接触的主要途径，而触觉传感器是仿生灵巧手感知外界的重要介质，所以触觉传感器的设计至关重要，它的优劣在很大程度上影响和决定着灵巧手的功能实现。

2.3 控制系统研究

为了使多指仿生灵巧手的尺寸和重量达到人手水平，在设计控制系统时，要通过优化算法、合理建模等方法尽量压缩结构尺寸，将控制系统嵌入手的内部。

3 设计的基本原则

设计多指仿生灵巧手需要根据用途确定其功能要求和设计指标，用途不同带来的设计结果存在很大的差异。在设计的时候可根据不同的工作环境和工作要求，制定不同的设计方案，在满足实际功能指标的基础上，尽量追求结构的灵巧性、美观性、紧凑型和通用实用性。

4 手指机构的传动方案设计

4.1 关节运动的驱动方式

多指仿生灵巧手根据其关节运动驱动机构来分，一般有两种：

（1）旋转驱动方式。旋转驱动方式的动力来源一般是各种型号的电机和舵机，使用这种驱动方式的灵巧手机械结构简单，动作十分灵敏，控制较为方便。但是驱动设备一般体积较大，而且受驱动设备性能参数的影响，一般抓取力量较小，在工程应用中较少。

（2）直线驱动方式。直线驱动方式的动力来源较广泛，目前应用较多的有液压系统、气压系统、直线电机等等。动力来源不同，机械手尺寸与力学性能也有较大差别。液压驱动机械手一般抓取力较强，是目前力学性能最好的机械手，但是采用液压驱动的机械手一般重量与体积都比较大，而且液压控制系统的反应速度较低，所以其机械手的灵敏性和灵巧程度受到了很大的影响。而气动机械手较液压驱动机械手，其力学性能上有一定的差距，但是气动系统通常体积较小，安装方便，同时又能够保证整个机械手具有足够的灵巧程度与灵敏性，所以，对于小型仿人手机械手，这种驱动方式更能够发挥其作用。

4.2 关节运动的传动方式

为保证传动结构紧凑并实现所需求的手指运动功能，常用的传动方式有如下三种。

（1）绳轮传动。绳轮传动机械结构简单，能实现多个自由度，能传递远距离的两关节之间的运动和动力，也能较好的满足灵巧手机械结构上的要求，并且加工方便、传动平稳、无噪声、无振动和冲击、耐用性强。但是这种传动方式不能提供较大的抓取力度；绳索容易变形，使用时间长了，绳索会变松弛，将会带来较大的运动传递误差；并且绳索只能受拉，不能受压，实现回程将会很困难；所以在应用上受到了一定的限制。

（2）链条、钢带传动。链条、钢带传动也是远程驱动的手段之一，与绳轮传动相比，刚性高，可以传递较大的输出，但设计上的限制也很大。

（3）闭式链连杆传动结构。仿生灵巧手指各关节之间的距离不是很远，所以也可以运用连杆机构传递运动和动力。手指机构采用开环的串联三连杆机构，再添加一些自由度为零的杆组，就可以构造出闭环连杆机构，通过这一闭环连杆机构可以把手指根部的运动和动力传递到各个关节。这种传动方式提升了灵巧手的机械性能，但是增加了灵巧手的复杂程度。

5 发展趋势

随着仿人机器人的发展，研发多指仿生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，机械手发展的最高目标是高度仿人手。

（1）要使灵巧手高度仿人手，两者具有1：1的对应关系。首先要在外形尺寸、结构，手指数量、感觉，抓取功能等方面达到人手的程度。这样它就能真正成为人手的延伸或替代，方便而准确地抓取物体。同时，灵巧手结构和重量的日益亲民化，控制的日益智能化也为灵巧手成为残疾人假手提供条件。

（2）考虑到双手协作不仅能简化某些操作，还可能扩大手的作用，双手的协作必将成为发展趋势。但是要实现双手协作问题，双手必须能够实现即时通信，所以就需要研究设计一套完美的通信系统。

（3）多指仿生灵巧手将被广泛地运用到工业实际中，面向产业化应用，灵巧手技术将得到进一步深入发展。

参考文献：

[1]张玉茹，李继婷，李剑锋.机器人灵巧手——建模、规划与仿真[M].机械工业出版社，2007.4.

[2]张涛.机器人引论[M].机械工业出版社，2016.11.

基金项目：常州纺织服装职业技术学院学术科研基金项目（CFK201508）

作者简介：陈玉瑜（1979），女，甘肃靖远人，硕士，讲师，常州纺织服装职业技术学院机电工程系，主要从事机械设计和数控技术的教学科研工作；权洁（1987），男，江苏徐州人，硕士，助教，常州纺织服装职业技术学院机电工程系，主要从事机械设计和机械制造的教学科研工作。