靈巧式機械手研究現(xiàn)狀綜述

孫江宏， 何宇凡， 高 鋒， 王軍見

(1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 北京 100192; 2.清華大學(xué)機械電子工程研究所， 北京 100084; 3.國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢測中心， 北京 100102)

靈巧式機械手可充分發(fā)揮靈活優(yōu)勢，相較于拾取對象單一、拾取動作唯一、設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的末端執(zhí)行器，靈巧式機械手通過模仿人手結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)拾取多種對象和多種拾取動作。靈巧式機械手具有高發(fā)展上限，對其開展深入研究可獲得極高應(yīng)用價值。隨著靈巧式機械手不斷發(fā)展與革新，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及電子控制技術(shù)應(yīng)用得到極大豐富和擴充。劉伊威等[1]對2009年以前靈巧式機械手發(fā)展情況做出詳盡總結(jié)概述。近10年科學(xué)技術(shù)革新突飛猛進，其間機械手得到進一步發(fā)展，現(xiàn)將對2009—2020年靈巧式機械手發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述。

1 靈巧式機械手發(fā)展現(xiàn)狀

靈巧式機械手研究始于20世紀(jì)70年代，此期間處于初步探索階段，產(chǎn)生的靈巧式機械手成果包括：Okada手[2-5]、Asada手[6-8]和通用公司Handyman手[9]等。20世紀(jì)80年代后，隨著科技進步和使用需求提高，靈巧式機械手上裝備有力、位移等傳感器用于實現(xiàn)控制及操作功能，其間產(chǎn)生了猶他大學(xué)/麻省理工學(xué)院機械手(UTAH/MIT)[10-12]、斯坦福大學(xué)機械手(Stanford/JPL)[13-14]、紐約大學(xué)機械手(NYU)[15]、博洛尼亞大學(xué)二代機械手(University of Bologna robotic hand version II，UB Ⅱ)[16-17]等成果。

2000—2010年，隨著電子控制系統(tǒng)集成度逐漸提高、仿生化逐步深入，靈巧式機械手可實現(xiàn)部分替代人手拾取效果，其間涌現(xiàn)出成果如Shadow機械手[18-19]、日本岐阜大學(xué)機械手(GIFU Ⅱ)[20-21]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(HIT)和德國宇航中心(DLR)聯(lián)合研發(fā)的HIT/DLR Ⅰ和HIT/DLR Ⅱ機械手[22-25]等。近10年通信技術(shù)和設(shè)計理念日新月異推進了仿生式靈巧手控制多元化、結(jié)構(gòu)成熟化、高仿生化發(fā)展進程，此間創(chuàng)新研究成果如表1所示。

表1 靈巧式機械手Table 1 Dexterous manipulator

靈巧式機械手按照特點和傳動形式主要分為變胞多指靈巧手、無中間傳動形式靈巧手、齒輪-腱傳動形式靈巧手、氣動波紋管傳動形式靈巧手、液壓缸傳動形式靈巧手5種形式。

1.1 變胞多指靈巧手

天津大學(xué)提出一種可通過自身運動改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自由度的天津大學(xué)/倫敦國王學(xué)院(TJU/KCL)變胞靈巧手，同時分別提出了三指、四指和五指結(jié)構(gòu)設(shè)計，變胞多指靈巧手最大特點為引入由特殊尺度球面五連桿機構(gòu)構(gòu)成的可重構(gòu)變胞手掌。手掌關(guān)節(jié)的運動可調(diào)整手指姿態(tài)、改變整體尺度，進而可提高靈巧手靈活性、適應(yīng)性?；赥JU/KCL變胞手的幾何約束，提出了一種位置分析方法[26-30]，如圖1(a)所示為四指類型。手掌球面連桿機構(gòu)由連桿1～5構(gòu)成，如圖1(b)所示。手掌變胞后將通過連桿3與連桿2的重合變?yōu)榍蛎?連桿機構(gòu)，進而實現(xiàn)拾取不同大小物體。該機械手可通過伺服電機驅(qū)動，以最小自由度實現(xiàn)最大靈巧性，顛覆了以往靈巧式機械手設(shè)計的思維禁錮，為后續(xù)研究提供全新方向。

A0～A4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；φ0～φ4為轉(zhuǎn)角；α0～α4為指節(jié)長度；z0～z4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)z軸圖1 TJU/KCL機械手[26-30]Fig.1 TJU/KCL manipulator[26-30]

1.2 無中間傳動形式靈巧手

浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)出ZJUT hand氣動5指、20自由度靈巧手，該靈巧手以人手為原型，模擬功能和結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。手指關(guān)節(jié)由塑料管(PFA)接頭PFA1、PFA2、PFA端蓋3和連接件4組成，如圖2(b)所示。其通過FPA控制器直驅(qū)，無中間傳動裝置、結(jié)構(gòu)簡單并具有大功率體積比。FPA控制器主要驅(qū)動彎曲關(guān)節(jié)和側(cè)擺關(guān)節(jié)，用于模擬人手指彎曲運動和側(cè)擺運動[31-33]。該靈巧手還裝備有力、位移傳感器，經(jīng)試驗驗證可實現(xiàn)多種典型被拾取物的抓取并能夠模擬多種人手勢動作。

1為FPA管接頭；2為FPA；3為FPA端蓋；4為連接鍵；5為轉(zhuǎn)動銷軸圖2 ZJUT hand機械手[31-33]Fig.2 ZJUT hand manipulator[31-33]

1.3 齒輪-腱傳動形式靈巧手

哈佛大學(xué)及斯坦福大學(xué)研發(fā)出一種重量輕、堅固性好、能耗低的全驅(qū)動4指20自由度靈巧式機械手，如圖3(a)所示。機械手采用腱傳動，手指由滾輪、鋁合金骨架、塑料殼、橡膠墊組成，如圖3(b)所9示，通過在每個關(guān)節(jié)處布置電壓板制動器和電容觸覺、關(guān)節(jié)角傳感器實現(xiàn)精確全驅(qū)動拾取控制，此外在機械手的手掌中，含有兩個可獨立控制的滑塊電機，該電機可重新定位兩機械手手指的位置，確保機械手能夠?qū)⑽矬w牢固地握在手中[34-36]。

圖3 哈佛大學(xué)機械手[34-36]Fig.3 Harvard University manipulator[34-36]

圣安娜高等研究學(xué)院生物機器人研究所為克服手部物理特征受到限制(如手部功能差、提起的重量過大)的情況，提出一種靈巧式機械手義肢，由3臺微型電機驅(qū)動，齒輪和腱進行傳動[37-39]，如圖4(a)所示。該機械手通過機構(gòu)設(shè)計使整體結(jié)構(gòu)方案得到簡化，僅需3電機即可實現(xiàn)傳統(tǒng)6電機機械手常規(guī)拾取動作。如圖4(b)所示，電機1驅(qū)動拇指，電機2驅(qū)動食指，電機3驅(qū)動中指、無名指和小指，因此使機械手獲得良好的輕量化性能，質(zhì)量與單自由度義肢相當(dāng)。

圖4 圣安娜高等研究學(xué)院機械手[37-39]Fig.4 Sant’ Anna School of Advanced Studies manipulator[37-39]

東京大學(xué)的Mizushima等[40-41]提出一種四指靈巧式機械手，如圖5(a)所示。該機械手具有柔軟性和堅固性的特點，在保證不對人類使用者和周圍物體造成傷害的同時，又可牢固而穩(wěn)定的抓住物體。其實現(xiàn)方法是每個手指均采用顆粒材料指髓1、肌腱驅(qū)動骨架2和可變形橡膠皮3組成，如圖5(b)所示。此結(jié)構(gòu)可保證機械手與被拾取物間軟接觸并可高度自適應(yīng)其表面形狀，在干擾下也可抓牢物體。指尖處裝備有力傳感器，當(dāng)檢測出拾取到物體時指腔內(nèi)將被抽真空從而使顆粒材料間無間隙，固定拾取姿勢。

日本企業(yè)Meltin MMI發(fā)布了MELTANT-α類人形機器人，采用電機驅(qū)動、腱傳動靈巧式機械手，具有5指、21自由度[42-44]，如圖6所示。其具有三種控制形式：①VR體感手柄，技術(shù)難度低易于實現(xiàn)但由于信號經(jīng)過體感設(shè)備和機器人兩次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致延遲高、精度差；②全包式操作手套，于指尖及手掌處裝備壓力傳感器和生物電感應(yīng)器，通過轉(zhuǎn)化生物信號為操作機器人指令進行控制，操作延遲為20 μs；③通過機器人裝備的攝像頭拍攝操作者手部動作，利用計算機視覺處理分析并最終控制機械手模仿操作者。

德國SCHUNK研發(fā)出高仿生化高集成度仿生式靈巧手，具有21自由度，尺寸、外形和移動性與人類手部高度吻合[45-46]，如圖7所示。采用電機及齒輪驅(qū)動，電控系統(tǒng)集成在機械手腕部。通過傳感器技術(shù)及計算機視覺技術(shù)可實現(xiàn)人手的全部功能。

圖7 SVH機械手[45-46]Fig.7 SVH manipulator[45-46]

上海大學(xué)基于前代SHU式靈巧式機械手研發(fā)出SHU-Ⅱ手[47-49]，如圖8所示。采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)材料快速成型技術(shù)制造，總質(zhì)量為1 kg。結(jié)構(gòu)方面，從三指式靈巧手改為五指式仿人靈巧手，將控制模塊內(nèi)置于手掌中。該5指仿人靈巧手具有16自由度，采用電機驅(qū)動、腱傳動，空載時可以做出10余種手拾并在單機械手拾取及多機械手協(xié)作時表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖8 SHU-Ⅱ機械手[47-49]Fig.8 SHU-Ⅱ manipulator[47-49]

日本Double Giken研發(fā)出5指18自由度機械手F-hand用于提供給高校及研究院所進一步研究靈巧式機械手[50]，如圖9所示。該機械手采用電機驅(qū)動及腱傳動，在滿足多拾取動作的同時控制系統(tǒng)極其簡單，可為靈巧式機械手的研發(fā)及動作測試提供便利條件。

圖9 F-hand機械手[50]Fig.9 F-hand manipulator[50]

日本ANA研發(fā)出Tactile Telerobot靈巧式機械手，可實現(xiàn)使用者遠(yuǎn)程接觸體驗[51-54]，如圖10所示。采用電機驅(qū)動腱傳動，具有5指、21自由度，機械手裝備有壓力、位移、觸覺等多種傳感器。該機械手通過操作者佩戴手套進行遠(yuǎn)程控制，手套具有反饋系統(tǒng)，可將機械手拾取過程中的觸覺真實反饋給操作者，實現(xiàn)超越物理距離的真實體驗。

圖10 Tactile Telerobot機械手[51-54]Fig.10 Tactile Telerobot manipulator[51-54]

河北工業(yè)大學(xué)為了改善靈巧手精確抓取能力，針對欠驅(qū)動靈巧手手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動不可控問題研發(fā)出一種手指關(guān)節(jié)可獨立控制的欠驅(qū)動靈巧式機械手，具有5指、15自由度[55]，如圖11(a)所示。該機械手采用電機驅(qū)動，腱傳動，由3個關(guān)節(jié)組成，如圖11(b)所示。當(dāng)指節(jié)轉(zhuǎn)動到預(yù)定角度時關(guān)節(jié)處的鎖緊機構(gòu)將使兩指節(jié)停止相對轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)復(fù)雜拾取動作的精確執(zhí)行。此過程對不同形狀小型被拾取物的抓取具有較好穩(wěn)定性。

圖11 河北工業(yè)大學(xué)機械手[55]Fig.11 Hebei University of Technology manipulator[55]

1.4 氣動波紋管傳動形式靈巧手

德國FESTO公司提出一種全柔性靈巧式機械手Bionic Soft Hand，具有5指、12自由度[56-57]，如圖12(a)所示。機械手通過如圖12(b)所示布置于手指處的氣動波紋管1進行控制，氣室充滿時手指彎曲，氣室排空時手指伸展。在拾取過程中通過接觸力傳感器2和視覺技術(shù)對被拾取物建模并通過AI模擬學(xué)習(xí)過程掌握對不同物體的正確抓握方式。

圖12 Bionic Soft Hand機械手[56-57]Fig.12 Bionic Soft Hand manipulator[56-57]

康奈爾大學(xué)提出一種柔性機械手，通過傳導(dǎo)光線驅(qū)動，具有5指、12自由度[58-59]，如圖13所示。機械手內(nèi)部裝備有多種傳感器并且每根手指內(nèi)具有波導(dǎo)裝置，當(dāng)機械手接觸到物體時波導(dǎo)彎曲變化對被拾取物形狀和紋理進行采集，進而確定拾取方式。

圖13 康奈爾大學(xué)機械手[58-59]Fig.13 Cornell University manipulator[58-59]

相較于剛性靈巧式機械手，柔性手具有成本相對低、適應(yīng)性強、外界沖擊自身傷害小等優(yōu)勢，其作為新發(fā)展方向在醫(yī)療、軍事和探測領(lǐng)域可發(fā)揮作用。

1.5 液壓缸傳動形式靈巧手

日本ELEKIT公司提出一種可穿戴靈巧式機械手[60]，如圖14所示。采用液壓驅(qū)動，具有5指、20自由度。該靈巧式機械手設(shè)計為外骨骼形式，通過穿戴實現(xiàn)被拾取物拾取難度降低。

圖14 ELEKIT機械手[60]Fig.14 ELEKIT manipulator[60]

2 靈巧式機械手關(guān)鍵技術(shù)

靈巧式機械手研究受結(jié)構(gòu)、動力、控制等方面影響，現(xiàn)有技術(shù)革新和新技術(shù)加入可促進其進一步發(fā)展，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計作為研究基礎(chǔ)決定著靈巧式機械手的研究高度，隨著靈巧式機械手不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計方向主要分為三種：①結(jié)構(gòu)采用可變自由度設(shè)計，通過變體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；針對不同對象利用不同自由度模式進行拾取可有效提高拾取成功率；②結(jié)構(gòu)設(shè)計朝著高度仿生化方向邁進，通過引入更多自由度，部分或完全實現(xiàn)人類手部手勢及動作，最終達到替代人手作業(yè)目的；③同時，設(shè)計利用較少自由度實現(xiàn)高自由度結(jié)構(gòu)功能的新型結(jié)構(gòu)也為一大發(fā)展方向，此方法可通過降低驅(qū)動器數(shù)量，在不降低拾取及運動性能的前提下，實現(xiàn)機械手輕量化。

2.2 動力源

靈巧式機械手經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，主要動力源類型包括：電機驅(qū)動、氣液壓驅(qū)動和壓電驅(qū)動等方式，近年來也出現(xiàn)傳導(dǎo)光線驅(qū)動等新驅(qū)動形式。以齒輪、直曲線性模組及電動絲杠作為傳動驅(qū)動方式可滿足絕大多數(shù)精度要求，使用較為廣泛，但由于存在齒隙、間隙等先天加工誤差問題，無法滿足一些高精度拾取要求[61]。由壓電驅(qū)動的微操作器可提供高驅(qū)動力和高響應(yīng)時間，但其行程短、非線性及滯后性的缺點會導(dǎo)致控制和建模非常復(fù)雜。液、氣壓驅(qū)動具有調(diào)速范圍廣、輸出推力或轉(zhuǎn)速大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但其響應(yīng)時間較慢，難以滿足快速響應(yīng)工況的使用要求。由于微型電機加工技術(shù)、控制技術(shù)日趨成熟，且電機具有可瞬間輸出全扭矩特性，機械手可通過其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和強拾取能力，因此目前靈巧式機械手研究多采用微型電機驅(qū)動[62-65]。

2.3 傳感器及通信技術(shù)

傳感器技術(shù)的應(yīng)用可保證靈巧式機械手精確感知，從而實現(xiàn)高精度靈巧控制。靈巧式機械手可通過力/力矩傳感器、觸覺傳感器感知拾取狀況，通過位移/角位移傳感器感知關(guān)節(jié)、指尖部位的空間坐標(biāo)姿態(tài)，通過視覺傳感器獲得被拾取物位置信息及操作者手勢控制信息等。同時，通過搭建包括集中式、分布式、分級式和混合式等在內(nèi)的多傳感器系統(tǒng)可有效降低系統(tǒng)誤差并提升探測精度[66-68]。

通信技術(shù)革新帶動遙控技術(shù)發(fā)展，靈巧式機械手應(yīng)用高傳輸帶寬、低時延的帶寬網(wǎng)絡(luò)波形[66]、通用數(shù)據(jù)鏈[69]和多平臺通用數(shù)據(jù)鏈[70]等技術(shù)可實現(xiàn)操作者遠(yuǎn)程低延遲控制、機械手實時模仿操作者動作和實時向操作者傳遞真實觸感等操作內(nèi)容。通信技術(shù)發(fā)展可進一步加深人與靈巧式機械手間溝通感，實現(xiàn)多種操作形式。

2.4 拾取動作

靈巧式機械手歷經(jīng)數(shù)十年研究探索，拾取動作隨著仿生化程度和設(shè)計水平提升逐步豐富。近年來研發(fā)的靈巧式機械手可實現(xiàn)單手多種拾取方式，包括：雙指及多指對捏、單指及多指鉤拉、包絡(luò)式抓取、多指跨捏、兩指夾持等。通過引入更多拾取動作可進一步提升仿生化，實現(xiàn)對不同大小、不同形狀物體的有效拾取，從而達到協(xié)助和替代人類完成拾取動作的作用。

3 靈巧式機械手發(fā)展趨勢

目前靈巧式機械手模樣多以人手為原型，能夠?qū)崿F(xiàn)日常簡單的抓、握等手部動作，但在靈活性、可靠性、感知性、實際應(yīng)用等方面還需要進一步的提高，靈巧式機器人手的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。

3.1 新型材料應(yīng)用

大部分靈巧式機械手的研究都是通過骨架結(jié)構(gòu)以及橡膠等其他軟體材料來模擬人手的外形，對于抓、握、捏、擰等日常手部動作來說，雖然可以有效進行，但是在實際應(yīng)用過程中依然存在包絡(luò)性，靈活性和穩(wěn)定性差等問題。根據(jù)仿生學(xué)對生物機體環(huán)境適應(yīng)性強、高效能、身體結(jié)構(gòu)合理等特點進行模擬及研究，開發(fā)出一種新型材料并用于靈巧式機械手的研發(fā)，可最大化生物優(yōu)勢。中外目前通過研發(fā)還原肌肉纖維、結(jié)構(gòu)組織等已在拾取裝置實際使用中獲得上佳效果。未來采用復(fù)合材料、高分子材料及智能材料進行研發(fā)將成為主要發(fā)展方向。

3.2 智能化協(xié)同作業(yè)

傳統(tǒng)控制理論，包括經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代控制，在靈巧式機械手的實際控制、抓取操作中依然存在各種問題，首先是靈巧式機械手在對目標(biāo)物體進行抓握等基礎(chǔ)操作時，不管是對靈巧手本體還是對于目標(biāo)物體都存在著非線性、變結(jié)構(gòu)、多因素以及各種不確定性等，一般無法獲得精確的靈巧式機械手系統(tǒng)模型，影響了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制效果。其次，在對靈巧式機械手系統(tǒng)進行研究時，遵循與實際情況不完全吻合的預(yù)設(shè)條件進行進一步研究。因此需要提高靈巧式機械手的智能控制水平[1]。除此以外，外形復(fù)雜、質(zhì)量大、易破損等靠單一機械手難以完成工作的被拾取物可通過多個機械手間的協(xié)同配合完成拾取作業(yè)。機械手的協(xié)同化作業(yè)作為未來發(fā)展方向之一可拓展現(xiàn)有靈巧式機械手種類及水平。隨著通信技術(shù)、能源技術(shù)及制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展，靈巧式機械手通過高度集群化、智能化協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)各類環(huán)境中作業(yè)并提高工作能力及效率。

3.3 微動控制

靈巧式機械手在研發(fā)之初本就以人手為目標(biāo)進行研究，在研究過程中其逐步實現(xiàn)了多自由度、多關(guān)節(jié)的機械機構(gòu)，并且具備了日常簡單的手勢操作，滿足了日常生活以及普通工業(yè)領(lǐng)域中的工作需求。但是隨著社會的發(fā)展科技的進步，靈巧式機械手會向著更加接近人手的功能進行研發(fā)，尤其是醫(yī)療航天等高精尖領(lǐng)域，該領(lǐng)域需要靈巧式機械手執(zhí)行較為精細(xì)的操作任務(wù)。完成該任務(wù)需要靈巧式機械手實現(xiàn)微小位移及微小角度運動，可通過采用電磁驅(qū)動、記憶金屬驅(qū)動及壓電陶瓷驅(qū)動等技術(shù)實現(xiàn)。 發(fā)展靈巧式機械手微動運動將逐步實現(xiàn)精密零件裝配、精密物品拾取、微小零部件拆除等精細(xì)操作過程。

4 結(jié)論

機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展將服務(wù)于人們的工作及生活，解決作業(yè)難題并提供便利。靈巧式機械手作為人類肢體的有效延伸，未來經(jīng)研究探索將實現(xiàn)并超越人手的全部行為動作，在工業(yè)生產(chǎn)、未知領(lǐng)域探索、危險實驗、醫(yī)療應(yīng)用等方面扮演重要的角色。