仿生机械手

仿生学的发明例子

能够模仿生物属性或者机能的技术被称为仿生学。仿生学在现代技术领域中得到广泛的应用，同时也是设计新颖、高效产品的重要方法。以下是一些仿生学的发明例子。

1. 飞鸟式无人机

飞鸟式无人机是仿生学的一个例子。这款无人机使用跨度与重量比例相同的设计，就像鸟类的翅膀一样，使得它可以在空中低能耗高效率地滑翔。这种仿生设计还可以帮助无人机在高空的恶劣环境中更加稳定地飞行。

2. 模仿蒲公英种子的设计

蒲公英种子在微风中飘飘荡荡，它们的带状翅膀设计将它们带向无数的生长机会。一些研究人员设计了一种小型飞机，其翅膀设计与蒲公英的种子相似，使其可以漂浮在空中，探索更多无法到达的地方。这种微型飞机可以在未来用于无人侦察或者传递药物等用途。

3. 灵巧的机械手

一些仿生机器人的灵巧机械手像真实的手一样灵活，可以轻易地抓住不规则形状的物体。这些机械手的设计受到了生物体中的骨骼、肌肉、腱和神经的启示。仿生机器人的研究对于未来医疗和制造业具有重要的意义。

4. 鲸鱼皮肤纹路

鲸鱼的皮肤上有一种微小的纹路，可以使得水流沿着它的身体表面，减少了水阻力。这种仿生学的设计启示了新型的高效涡轮发动机，使得机器的耗能更低，运行速度更快。

5. 像蝴蝶般的建筑群

许多设计师正在研究仿生学的方法，通过受到蝴蝶双翼的启示，创造出流线型且更加高效的建筑群。这些建筑物可以通过特殊的设计结构，利用环境中的自然能量，减少能源浪费。

综上所述，仿生学是一种非常有前途的设计方法，它可以产生出高效，环保的产品和技术。这些仿生设计可以研究生物体，从而更好地了解和学习自然的机能，为我们的未来带来新的生物技术。

在科幻片里，

失去四肢根本不是什么大事，装上假肢照样行动自如，这都是因为强大的仿生学。仿生学是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特殊本领，通过模拟动物的构造、传感系统、计算结构等来构造仿生装置。装上仿生装置的残疾人，如同迎来了身体的重生。用人脑控制的机械手臂美国国防部高级研究计划局研制出的机械手臂无疑是一个传奇。这个机械手臂可以用27种不同的动作（包括旋转、弯曲以及延伸）来模仿人类的臂、肘、腕、手等部位的活动，可以算是该领域里最尖端的成就。最令人瞩目的是，美国当局希望在人脑中植入一个芯片来感知和控制神经元的反应，并通过这种方式将指令传输给机械手臂，以此来控制手臂的活动。而这个过程，可以在瞬间完成。这让我们不禁想起“卢克手臂”。卢克手臂由狄恩·卡门研制，使用脚踏控制系统。尽管这个机械手被认为是卢克手臂的改善结果，但其“思维控制”系统已经远远超越了脚踏控制系统。如果重新构造自身结构，当然希望能用大脑来自然控制这个像超人一样强大的“再生手臂”。现状：美国食品及药物管理局正在密切追踪这个项目，而且他们有可能控制使研发周期停滞几年。奥托博克之手5月的时候，一个塞尔维亚男子砍掉了自己的手掌，并用一只仿生的替代。这名男子叫作麦洛，在10年前一场严重的摩托车事故中，他的手臂受了重伤。几番手术过后，他的右臂大部分功能都得到了恢复，而右手却一直处于瘫痪状态。因此，他选择用仿生手来替代废手。这个德国奥托博克公司制作的假肢，也自称是靠自然控制来运动的。不用将神经从手臂连到手掌上，单靠两个安置在他前臂上的传感器，就可以感知到所传递的信号。而接收神经激励信号的过程和人体手臂本身的运动触发机理十分接近。奥托博克声称它可以完成3个等级的动作：旋转，弯曲和延伸，与此同时还可以抓握和操控手柄。麦洛并不是第一个尝试去配备奥托博克之手的志愿者，为他做移植手术的奥地利外科医生奥斯卡，一年前在一个名叫帕特里克的男子身上做了同样的手术，他是因为触电而导致手掌失去功能。帕特里克现在已经可以系鞋带和开瓶子了，而这也成为了他最喜欢的两项活动。现状：已在使用中。范德比尔特的膝—踝协调假肢这个由美国范德堡大学研制的膝关节假肢是史上第一个和踝关节假肢组合的假肢。项目耗时7年，由国家科学基金会和国家卫生科学院共同投资完成。它的诞生，在传统的“被动”假肢上作出了一个重大突破。因为假肢上装有动力装置，使用者在走动时还是相当于在用自身双腿行走，并非拖着一条无动力驱动的假肢在走动。这样，它就能比一般的假肢少消耗使用者30%~40%的能量，而且上坡、上楼梯等活动变得容易了很多。它所配备的普通传感器阵列和微处理器使得这个特殊的设备可以随时感知到使用者的活动情况，并相应作出及时而合理的调整。现状：还没有被普遍使用，当前版本已经进入测试阶段。有了仿生装置人人都是“再生侠”

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仿生手的多种实现方法

作者：张晗 昝鹭鸶

来源：《科学与财富》2018年第07期

摘 要：在当今的社会生产、生活中机器人出现的频率越来越高，根据应用场景的不同，机器人也分成了很多不同的种类，比如：工业机器人、服务机器人、教学机器人等等。工业机器人顾名思义，主要是应用于工业生产活动的机器人，在工业生产中，用到的大多数机器除了加工机床，还有工业机械臂；服务机器人就是在相关场所进行有关于服务用户的操作的机器人，在我们的生活中，服务机器人也是越来越常见；教学机器人就是负责教学辅导的工作，它们针对使用用户的年龄或是学业情况，有着多种多样的形式、型号。

对于工业机器人、服务机器人以至于高端类型的教学机器人，大多都会用到机械手，或是仿生机械手，而对于机械手的实现方法有很多，本文将对常用的实现方法加以阐述。

关键词：仿生、机械手

仿生机械手或是机械手的类型有很多，根据机械手的自由度可以将机械手分为单自由度机械手、两自由度机械手以至于五自由度机械手、六自由度机械手、十自由度机械手等。单自由度机械手的运动方式和蟹钳的运动的方式有点相似。它可以实现拇指和四指的张开闭合运动，四指之间是固连的，四指之间没有相对运动。它主要应用于假肢，工业机器人等领域；两自由度的机械手并不常见，它就是在单自由度机械手上多加了一个虎口翻转的自由度；五自由度机械手可以实现每根手指的弯曲伸直运动，每根手指的运动都是相对独立的，也可以相互组合完成一系列组合的动作。六自由度机械手的运动方式是在五自由度的运动方式上添加了虎口的内外旋运动。这种机械手在国外高端的上臂式假肢上有所应用；十自由度机械手就是在六自由度机械手的基础上加上了四指的平面摆动。十自由度机械手多在高端科研产品中出现。

本文针对常用的六自由度机械手的实现方法加以阐述。六自由度机械手在手指运动的实现方法最常用的有两种。第一种方法如下：每根手指的结构都采用单自由度连杆机构。通过动力源驱动连杆，使整个连杆机构完成相应的动作，用来模拟人手指的弯曲和伸直运动。手指的动力源大多采用直线电机和舵机。采用这种方法的机械手通常叫做连杆手。第二种实现方法如下：每根手指有三个杆件构成，三个杆件之间通过铰链连接。这三根杆件用来模拟人手指的各个指关节。在手指弯曲方向上，模拟指尖关节的杆件固连着一根钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端连接在动力源上，动力源多采用直线电机或是舵机。在手指伸直的方向上，加有手指的弹性复位装置，该装置的作用就是在手指由弯曲状态变为伸直状态的过程中施加恢复力，使手指伸直。这种弹性恢复装置中弹性元件多采用弹簧或是弹性绳。这种方法实现手指弯曲运动的具体过程是：在动力源的驱动下，拉动钢丝绳，使得手指弯曲；实现手指伸直的具体过程为：动力源的执行元件翻转，使得钢丝绳不再对模拟指尖杆件施加力，此时弹性元件由于复位的作用，对模拟指尖的杆件施加恢复力，使得手指伸直。采用这种方法的机械手统称为拉线手。对于仿生机械手，每根手指间的长度关系要与人手的相似。具体的实现方案有两种：第一种是每根手龙源期刊网

仿生机械手

作者：Yvette

来源：《设计》2019年第02期

设计者：杭州领跑者工业设计有限公司

重器看点：

生物电流技术

更高精度的抓握力

防止物体滑落

这是一款为残疾人打造的仿生机械手。这款产品在使用时，截肢患者需将电极贴在手臂上。当患者想做出动作时，电极传感器读取大脑向肌肉发出的信号，并将其转换成相对应的数字信号传输给微控制器，以此控制机械手的马达，实现手指弯曲、拿起等一些简单动作。

为了使客户有更好的体验，该产品采用了多种技术与特殊材料。例如橡胶和碳纤维织物，避免给佩戴者造成过敏反应，同时这些材料使机械手臂的手指能够更加灵活地活动。

本产品区别于现有的需要用户进行大量的训练才能达到基本使用能力的机械手臂，使用了生物电流技术，使用户可以几乎不用学习就能通过本能控制机械手臂，减轻了用户为了使用机械手臂而需要付出的大量学习成本。并且，本产品更高精度的抓握力可以最大程度的还原真实手臂的能力。该产品通过技术的应用提高了人们的能力，同时具有指尖覆盖图案，防止物体滑落等细节设计，让产品符合人类手臂特性，真实改变生活。因此通过使用本产品作為辅助设备，残障人士不仅可以生活自理回归一般人的生活，摆脱依赖他人的生活重拾自信，也能从事更多种类的工作，为社会贡献价值的同时也实现了自我价值满足。

残障人士使用的机械手臂是具有重大社会意义的产品，但一直以来都是实验室产物，品物通过设计帮助产品实现了真正意义上的产品化，并且造价低廉，性价比高，最大限度的帮助残障人士回归普通人生活。