仿人手五指机械手的发展现状

Report：全球30家人形机器人公司：产品和进度梳理人形机器人行业洞察研究（BTIResearch）2024年3月全球主要人形机器人公司产品进度总览区域企业产品名称产品进展视频发布发布会公开场合行走公开展示灵巧手工作演示语音整合自主工作试点应用部署国内优必选Walker X ⦿⦿⦿⦿达闼机器人XR-4⦿⦿傅利叶智能Fourier GR1⦿⦿⦿智元机器人RAISE-A1⦿⦿⦿⦿宇树科技Unitree H1⦿⦿⦿无灵巧手小米Cyberone ⦿研发⦿无灵巧手科大讯飞⦿小鹏汽车PX5⦿⦿⦿无灵巧手逐际动力CL-1⦿⦿⦿无灵巧手MagicLab MagicBot ⦿开普勒Forerunner ⦿⦿⦿均胜集团JARVIS ⦿⦿⦿⦿追觅科技Eame One ⦿国外TeslaOptimus ⦿⦿⦿⦿⦿⦿Boston Dynamics Atlas⦿研发⦿无灵巧手1X Technologies EVE/NEO ⦿⦿无腿（EVE)无灵巧手（EVE ）⦿⦿Agility Robotics Digit ⦿⦿⦿无灵巧手⦿⦿⦿⦿Figure.ai 01⦿⦿⦿⦿⦿⦿⦿⦿Sanctuary AI Phoenix ⦿⦿⦿⦿⦿ApptronikApollo ⦿⦿⦿⦿Engineered ArtsAmeca ⦿⦿OSAKA UNIVERSITY & MIXIALTER 3⦿无腿⦿KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY ARMAR-6⦿无腿⦿Beyond Imagination Beomni ⦿无腿⦿Macco Robotics KIME ⦿无腿无灵巧手⦿⦿⦿SoftBank RoboticsNAO ⦿⦿⦿⦿⦿⦿⦿⦿PEPPER⦿⦿无腿⦿⦿⦿⦿⦿PROMOBOTPROMOBOT ⦿无腿⦿⦿⦿⦿⦿UNIVERSITY OF TEHRAN SURENA IV ⦿⦿⦿⦿TOYOTA T-HR 3⦿⦿⦿IHMCNadia⦿研发⦿无灵巧手主要发展历程◆21 年8 月，马斯克于首届AI DAY展示人形机器人概念机Tesla Bot◆22 年2 月，特斯拉成功推出人形机器人原型机，并作为开发平台进行深度研发◆22 年9 月，特斯拉发布新版本Optimus 人形机器人，可以实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作◆23 年5 月，特斯拉在年度股东大会上展示了Optimus 最新样机Gen 1◆23 年12 月，特斯拉发布Optimus Gen 2◆24年2月发布最新Optimus Gen 2最新行走视频最新迭代产品：Optimus Gen 2◆Optimus Gen 比上一代轻了10 公斤，在各方面都有所改进，行走速度快了30%，移动方式也更加自然、平衡和精确。

上海理工大学科技成果——仿生康复器械一、高性能智能电子假手系列产品高性能智能电子假手系列产品是我国最先进的假手产品，它首次通过智能动态比例控制技术实现了国产肌电假手动作速度与力度基于患者“意愿”的顺滑可调性，还研发了国际上第一个基于肌电/语音混合控制技术的多自由度电子假手；并且该系列产品还首次把动态阈值法应用于肌电假手，解决了假手对极微弱肌电信号的检测与抗电磁干扰问题；此外，该系列产品在结构上采用仿生设计，使仿生曲腕关节具有和正常人体解剖功能相似的体积和质量，成功解决了传统仿生曲腕关节体积大、故障率高的弊端，成为国际上第一个微型闭式传动结构的仿生曲腕关节产品。

该系列产品主要有以下几种：五指联动多自由度仿生肌电假手仿生曲腕假手约250x160x503多自由度语音假手多自由度语音/肌电混合控制假手二、穿戴式智能外骨骼手功能康复机械手一种便携式的外骨骼式手功能康复训练器，用于手部功能障碍的脑卒中患者的康复训练。

建立了基于患者自身肌电信号（sEMG）/语音信号/健侧信号控制等外骨骼手多元控制系统方案。

该产品突破传统训练器的模式，可由患者随身携带，在康复训练的同时辅助其日常生活活动，具有更好的康复效果。

同时大大降低了康复训练的成本、减轻了对医疗资源和患者家庭的压力。

性能指标：1、掌指关节弯曲/伸展活动范围0~90°；2、近端指间关节弯曲/伸展活动范围0~110°；3、远端指间关节弯曲/伸展活动范围0~70°；4、语音控制模式下，训练器运转速度0~10rpm，步进可调，步距1rpm；5、语音控制模式下，提供多模态训练方式；6、肌电控制模式下，训练速度与输入肌电信号成比例，变化范围0~10rpm，肌电助力训练级别步进可调，共分为10个级别；7、肌电控制模式下，可选择使用健侧或者患侧控制；8、肌电控制准确率99%；9、安静环境下语音识别准确率96%；10、正常交流环境下语音识别准确率84%；11、提供PC端制定训练计划功能接口。

第３２卷第８期中国机械工程V o l ．３２㊀N o ．８２０２１年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．９５１Ｇ９５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛１,２,３㊀徐志刚１,２㊀赵志亮１,２,４㊀韩㊀伟１,２,４１．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳,１１００１６２．中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳,１１００１６３．中国科学院大学沈阳自动化研究所,沈阳,１１００１６４．东北大学机械工程与自动化学院,沈阳,１１０８１９摘要:为了使灵巧手更加轻质化㊁拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的１９关节灵巧手.参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计.建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验.实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取.关键词:套索传动;五指灵巧手;关节机构;工作空间;主从控制中图分类号:T P ２４２．６D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２１．０８．００９开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):D e s i g na n dM a s t e r ＧS l a v eC o n t r o l o fD e x t e r o u sH a n d sw i t hF i v eF i n ge r s B a s e do nT e n d o n Ｇs h e a t hT r a n s m i s s i o nY I N M e n g １,２,３㊀X UZ h i g a n g １,２㊀Z H A OZ h i l i a n g １,２,４㊀H A N We i １,２,４１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fR o b o t i c s ,S h e n y a n g In s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６２．I n s t i t u t e s f o rR o b o t i c s a n d I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６３．S h e n y a n g I n s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,U n i v e r s i t y o fC h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６４．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g ,１１０８１９A b s t r a c t :I no r d e r t om a k e t h e d e x t e r o u sh a n dm o r e l i g h t a n da n t h r o p o m o r ph i c ,a １９j o i n t sd e x Ｇt e r o u s h a n dd r i v e nb y s t e e r i n g e n g i n e t h r o u g h t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o nw a sd e s i g n e d ．F i r s t l y ,t h e c o n f i g u r a t i o no f t h e d e x t e r o u s h a n d sw a s d e t e r m i n e db y r e f e r r i n g t o t h eh u m a nh a n d j o i n t s ．J o i n t d e Ｇc o u p l i n g a n dd r i v e p o s t p o s i t i o nw e r e r e a l i z e du s i n gt e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n ．J o i n tm e c h a n i s m s a n d d r i v i n g i n t e g r a t i o n w e r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y ．T h e n ,a m u l t i Ｇf i n g e r sk i n e m a t i c m o d e lo fd e x t e r o u s h a n d sw a s e s t a b l i s h e d a n d t h ew o r k s p a c ew a s a n a l y z e d ．T h em a s t e r Ｇs l a v e t r a c k i n g c o n t r o l o f g r a s p i n gw a s r e a l i z e db a s e d o n t h e s e n s o r s a n dm a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g a l g o r i t h m．F i n a l l y ,a p r o t o t y p e o f d e x t e r Ｇo u s h a n dw a s b u i l t ,a n d t h e j o i n tm o t i o ne x p e r i m e n t s a n d g r a s p i n g c o n t r o l e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e d o u t ．E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h e f e a s i b i l i t y o f a p p l y i n gt h e t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n t o d e x t e r o u s h a n d s ．T h e d e x t e r o u s h a n d sm a yg r a s p a v a r i e t y o f o b je c t s b a s e do nm a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l ．K e y w o r d s :t e n d o n Ｇs h e a t ht r a n s m i s s i o n ;d e x t e r o u sh a n d w i t hf i v ef i ng e r s ;j o i n t m e ch a ni s m ;w o r k i n g s pa c e ;m a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l 收稿日期:２０２００４１１０㊀引言灵巧手与人手功能相似,可以实现类似人手的抓握功能,自问世以来,受到了各研究机构的高度重视[１],尤其是具有高度灵活性的灵巧手已成为机器人研究的热点之一.仿人多指灵巧手可以作为工业领域的末端执行器,也可以作为残疾人的假肢,还可以在太空㊁深海㊁核电站等危险领域代替人手实现精准操作,具有重要的社会应用价值.根据驱动方式的不同,灵巧手可分为电机驱动㊁气动驱动㊁液压驱动和功能材料驱动等,其中１５９ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.电机驱动方式较为常见.S h a d o w手[２]为气动驱动的代表,具有５个手指,有２４个自由度,其中２０个气动驱动,４个欠驱动.它的驱动来源于一种叫做 空气肌肉 的气动装置,并且将驱动部分集成放置于前臂,手指的运动更像人手.气动空气肌肉价格较低㊁对环境要求低,但刚度和动态特性都较差.S C HU L Z 等[３Ｇ４]将液压驱动应用于仿人机械手,研制了可以作为假肢的灵巧手.液压驱动的优点在于驱动力矩大㊁传动效率高㊁反应灵敏,可实现过载保护,稳定性好,但它体积大㊁管线复杂㊁密封性要求高㊁制造维护成本高且易对环境造成污染.功能材料驱动是指采用形状记忆合金㊁电活性聚合物等新型材料来驱动手指关节,目前已采用形状记忆合金驱动的有H i t a c h i手[５]以及E NＧG E B E R G等[６]设计的仿人手指.形状记忆合金通过温度改变尺寸长度,变形量难以精确控制,运动精度较差,其可靠性㊁通用性与性价比还有待提高.电机驱动因其具有整体尺寸小㊁噪声低㊁运动稳定㊁易于控制㊁价格适中等优点而广受欢迎.根据电机的安装位置,电机驱动可以分为内置电机驱动与外置电机驱动.D L RＧH I T手[７]是内置电机驱动的代表,每根手指具有３个自由度,共有１５个自由度.电机与谐波减速器等部件集成于手指内部,其集成度较高,具有较强的操作性和鲁棒性,但结构复杂,后期维护成本较高.类似的灵巧手有美国的B a r r e t t手[８]和日本的G i f u手[９].外置电机驱动多采用连杆传动或柔索传动进行间接驱动.R I C手[１０]为外置电机经连杆驱动的代表,所有手指均采用四连杆结构设计,连杆中嵌入有弹性元件来增加机械顺应性,使其运动更加柔顺.它具有４根手指,共有８个关节,只使用一个无刷电机驱动,优点是结构尺寸紧凑以及设计轻量化,但外转子电机与非反向驱动离合器的采用导致其成本较高.R o b o n a u t手[１１Ｇ１２]为外置电机经柔索驱动的代表,整手共有５根手指,共１４个自由度.其中拇指㊁食指㊁中指为灵巧指,每根手指具有４个自由度,剩余二指为抓取指,每根手指具有１个自由度.它被应用于国际空间站,旨在代替人们进行外空间操作,其抓取能力可与穿戴航天服手套的人手运动能力相当.其他采用柔索传动的灵巧手包括意大利U B H３手[１３]和法国L M S手[１４]等.柔索传动[１５Ｇ１６]具有布局灵活㊁高精度㊁轻量化等特点,在灵巧性精密机电装置和伺服机构中应用广泛.但当传动距离较远时,现有的柔索传动机构主要通过传动轮的形式来实现,其布局异常复杂,致使系统的制造和维护成本较高.套索传动[１７Ｇ１９]利用空心套管引导柔索的运动路径,可以克服已有柔索传动机构的缺点,可实现远距离运动与经过运动关节的传递,具有空间适应性强㊁设计成本低等优点,已被运用于仿生灵巧手[２０Ｇ２１]等领域.已有文献多以灵巧手为背景集中研究套索的传动机理与位置补偿,本文主要从结构设计与主从控制方面对套索驱动灵巧手进行相关研究.１㊀五指灵巧手１．１㊀灵巧手构型设计系统的整体方案如图１所示,机械系统由灵巧手和驱动集成组成,系统采用仿生设计,关节布置参照了人手的构型.灵巧手由手掌与五根手指组成,其中食指㊁中指㊁无名指与小拇指分别具有４个自由度,大拇指具有３个自由度,灵巧手共有１９个自由度.图１㊀灵巧手整体方案F i g．１㊀T h e o v e r a l l s c h e m e o f t h e d e x t e r o u s h a n d手指安装于手掌上,手掌底部与驱动集成相连.关节采用套索传动的方式实现了驱动与关节的分离,套索两端分别与关节和驱动模块连接,驱动模块集中安装于驱动集成箱中,套索在手掌与手指内走线并留有长度余量以适应运动.１．２㊀关节机构设计手指关节的运动类型可以分为侧摆和屈曲[２２],人手的掌指关节为球关节,可以等效为屈曲与侧摆两个关节.根据两个关节的排布可以分为两种方案,手指关节布局如图２所示.图２a所示为G i f u手[９]所采用的手指关节布局,其关节１与关节２的轴线互相垂直,模拟掌指关节,关节３２５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.和关节４的轴线与关节２平行,分别实现中指关节和远指关节的屈曲.图２b 所示为D L R 手[７]所采用的手指关节布局,与前者不同之处是最底部关节为屈曲关节,关节２为侧摆关节.考虑到套索的传动特点与灵巧手的外观,本灵巧手采用了先侧摆方案的设计.(a)先侧摆方案㊀㊀㊀(b)先屈曲方案图２㊀单手指关节设计F i g ．２㊀J o i n t d e s i g no f t h e s i n g l e f i n ge r 以中指为例,其结构如图３所示,近指关节㊁中指关节与远指关节均由单套索驱动,每个关节上均安装有扭簧与电位器.关节处的扭簧一方面为复位运动提供动力,另一方面保持手指关节的初始伸展状态.扭簧的扭矩值主要与扭簧的中径㊁材料的弹性模量㊁圈数㊁受力转角等有关.扭簧的扭矩:M t s ＝E d ４φ３６６０D n(１)式中,M t s 为扭簧的扭矩值,N mm ;E 为材料的弹性模量,M P a ;d 为扭簧的线径,mm ;φ为受力转角,(ʎ);D 为扭簧的中径,mm ;n 为扭簧有效圈数.(a)结构示意图㊀(b)结构剖面图图３㊀单手指结构F i g ．３㊀S t r u c t u r e o f t h e s i n g l e f i n ge r 扭簧的最大扭矩出现在手指近指关节处,为保证关节能够有效复位,经计算初步选用碳素钢扭簧,有效圈数为３,线径０．５mm .灵巧手在抓取运动过程中,需要位置传感器的反馈信号进行精确操控.设计的灵巧手需要高度的拟人性,故关节空间较小,因此本文采用了体积小㊁质量轻㊁抗干扰能力强的电位式传感器.灵巧手关节设计如图４所示,食指㊁中指㊁无名指与小拇指均包含４个关节,分别为基关节㊁近指关节㊁中指关节与远指关节.大拇指包含３个关节,分别为基关节㊁近指关节与远指关节.其中基关节为侧摆关节,其余关节均为屈曲关节.５个基关节由双套索机构实现传动,为了简化结构㊁减少套索数量,其余关节均由单套索机构实现传动.图４㊀机械臂关节设计F i g ．４㊀J o i n t d e s i g no f t h em a n i pu l a t o r １．３㊀套索传动设计双套索传动机构主要由套管㊁柔索与预紧装置等组成,如图５a 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.驱动轮上按顺时针与逆时针方向分别缠绕柔索,两根柔索经过挡板b 后再分别经过套管a 与套管b ,然后经挡板a 后固定在从动轮上,这种传动方式被应用于驱动５根手指的５个侧摆关节.双套索的传动过程如下:当驱动轮顺时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向右运动,套管b 中的柔索会跟随向左运动,从而带动从动轮顺时针转动;当驱动轮逆时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向左运动,套管b 中的柔索会跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动.当系统处于静止时,套管a 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,套管b 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.３５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.㊀㊀单套索传动机构主要由套管㊁柔索与扭簧等组成,如图５b 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.柔索一端固定在驱动轮上,绕驱动轮缠绕后经挡板进入套管,经过另一挡板后缠绕并固定在从动轮上,从动轮上安装有扭簧,这种传动方式被应用于灵巧手除５个侧摆关节外的其他关节.单套索的传动过程如下:当驱动轮逆时针转动时,套管中的柔索跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动,同时扭簧被压缩储能;当驱动轮顺时针转动时,套管中的柔索会跟随向左运动,从动轮在扭簧作用下顺时针转动.当系统处于静止时,柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,扭簧能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.(a)双套索传动机构(b)单套索传动机构图５㊀套索传动机构F i g．５㊀M e c h a n i s mo f t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n 两种传动机构均安装有螺栓预紧装置,预紧装置可以拉紧柔索来有效减小传动空回.同时,采用编码器与电位器来反馈主动轮与从动轮的角度位置信号,可以实现运动的双闭环控制.套索传动可以实现驱动电机的后置,使多关节串联系统更加轻量化,具有结构简单㊁布局灵活的优点.１．４㊀驱动集成设计驱动集成箱的结构如图６所示,驱动模块由舵机与驱动轮组成,１９个关节的驱动模块与预紧装置被分层安装在不同支撑板上,各支撑板通过支撑架连接.支撑板中心加工有通孔,套索通过通孔与手掌后进入手指.通过紧凑型电机的选用与电机位置的优化布局可以减小集成箱的体积.图６㊀驱动集成箱结构F i g ．６㊀S t r u c t u r e o f t h e d r i v e r i n t e gr a t i o n ２㊀运动学与工作空间分析多指运动学分析的是灵巧手抓取物体运动与各手指运动之间的关系,根据灵巧手运动学特性建立运动学简化模型,通过工作空间仿真验证设计的合理性.图７㊀食指结构简图F i g ．７㊀S t r u c t u r e o f t h e i n d e x f i n ge r 单个手指可以看作是一个多关节串联机器人,以食指为例,各指节长度分别为a １㊁a ２㊁a ３㊁a ４,基于旋量理论建立手的运动学模型.如图７所示,o ０x ０y ０z ０为基坐标系,其余为动坐标系,各指节长度分别为l １㊁l ２㊁l ３㊁l ４.灵巧手各关节均可视为铰接,以旋转中心为轴,定义顺时针转动时角度为正㊁逆时针转动时角度为负.关节处于图７所示的初始位置,其指尖坐标系与基坐标系的变换:４５９ 中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.g st (０)＝１００L ０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú(２)L ＝l １＋l ２＋l ３＋l ４定义各个关节的运动旋量:ξ１＝－ω１ˑq １ω１æèçöø÷＝(０,０,０,０,０,１)T(３)ξ２＝－ω２ˑq ２ω２æèçöø÷＝(l １,０,０,０,１,０)T(４)ξ３＝－ω３ˑq ３ω３æèçöø÷＝(l １＋l ２,０,０,０,１,０)T(５)ξ４＝－ω４ˑq ４ω４æèçöø÷＝(l １＋l ２＋l ３,０,０,０,１０)T(６)式中,ω１㊁ω２㊁ω３与ω４分别为各关节转动量;q １㊁q ２㊁q ３与q ４分别为各关节转轴上任意点的坐标.运动方程:g s t (θ)＝e ξ^１θ１e ξ^２θ２e ξ^３θ３e ξ^４θ４g st (０)(７)式中,g s t (θ)为运动变换矩阵;θr ㊁ξ^i 分别为关节r 的运动角度与对应的旋量.记c l ＝c o s θl ,s l ＝s i n θl ,c l m ＝c o s (θl ＋θm ),s l m ＝s i n (θl ＋θm ),c l m n ＝c o s (θl ＋θm ＋θn ),s l jn ＝s i n (θl ＋θj ＋θn ),其中l ,m ,n ＝１,２,３,４.计算得到正运动学方程:g st (θ)＝r １１r １２r １３p x r ２１r ２２r ２３p y r ３１r ３２r ３３p z ０００１éëêêêêêùûúúúúú(８)式(８)中,位置变量表达式为p ＝p x p y p z éëêêêùûúúú＝(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)c １(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)s １a ４s ２３４＋a ３s ２３＋a ２s ２éëêêêùûúúú(９)工作空间是评价灵巧手工作能力的重要性能指标,是对指尖工作区域的描述,可以用手指末端到达位置点的集合来描述工作空间.建立灵巧手的坐标系如图８所示,分别在基关节㊁近指关节㊁中指关节㊁远指关节以及指尖处建立坐标系,灵巧手的基坐标设在手掌底部中间位置.基于各个关节的运动范围可以得到灵巧手各指的工作空间,如图９所示.由图９可知,食指㊁中指㊁无名指与小拇指的工作空间与大拇指工作空间均有交集,验证了抓取物体的有效性.其中食指与大拇指工作空间交集最大,中指和无名指与大拇指工作空间交集次之,小拇指与大拇指工作空间交集最小,说明抓取物体时大拇指与食指配合发挥主要作用.由结果可知,灵巧手与人手具有相似的工作空间,末端可以到达设计工作空间的所有点,故构型与尺寸设计合理.图８㊀灵巧手运动学模型F i g．８㊀K i n e m a t i cm o d e l o f t h e d e x t e r o u s h a nd (a)小拇指㊀(b)无名指(c)中指㊀(d)食指图９㊀手指末端工作空间F i g ．９㊀W o r k s p a c e s o f t h e f i n ge r s ３㊀主从控制研究本文采用主从控制方法来对五指灵巧手进行控制,在人手上安装弯曲传感器来反馈手指弯曲角度,建立弯曲角度和灵巧手之间的映射关系,并根据此映射关系实现主手对从手的完全控制.采用弯曲传感器[２３Ｇ２４]来反馈手指弯曲度,传感器串联固定电阻,传感器两端电压作为输入信号接入控制器.如图１０所示,传感器的两端分别固定在指尖和指根上,手指完全展开时传感器电阻最小,手指最大弯曲时传感器电阻值随着手指的弯曲而增大.为了方便比较不同手指弯曲特征５５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.的变化规律,采用线性函数对原始输入进行归一化处理至[０ʎ,９０ʎ]范围.具体转换式为yi ＝９０ʎˑx i －x i ,m i nx i ,m a x －x i ,m i n(１０)式中,x i 为弯曲传感器两端的测量电压;y i 为线性函数转换后的值;x i ,m a x ㊁x i ,m i n 分别为测量电压采集数据的最大值和最小值;i ＝１,２, ,５,分别对应大拇指㊁食指㊁中指㊁无名指与小拇指.图１０㊀手势捕捉系统F i g ．１０㊀G e s t u r e c a p t u r e s ys t e m 为了更精确地得到每个弯曲传感器的输出值,考虑到传感器的响应时间特性及实验误差,采用多组实验对式(１０)进行标定,标定实验组序号为j ,n 次实验后取平均值作为实验的有效数据.数据的最小及最大值分别如下:x m i n ＝１n ðnj ＝１x j ,m i n x m a x＝１n ðnj ＝１x j ,m a x üþýïïïï(１１)定义人手弯曲传感器输出值归一化矩阵为Y ,可得人手姿态信息:Y ＝(y １,y ２,y ３,y ４,y ５)T (１２)单根手指只能反馈一个信号,但手指实际控制需要３个关节角度信号.引入主从映射[２５Ｇ２６]来求解关节角度,这里通过比例系数来得到手指i 的r 关节弯曲角度:θ(r )i ＝k (r )i y i(１３)式中,θ(r )i 为手指i 的r 关节运动角度;k (r )i 为将y i 转化为关节弯曲角度的比例系数;关节标号r ＝１,２,３分别对应近指关节㊁中指关节与远指关节.为了更好地实现对体积较小物体的抓取,本文采取远指与中指关节先运动㊁近指关节后运动的抓取控制策略.定义y ᶄi 为y i 变化范围内的临界值,通过k(r )i选取不同的值kѳ(r )i与kң(r )i实现抓取过程中的变比例系数控制,kѳ(r )i ㊁kң(r )i分别为小于与大于临界值时选取的系数.当y i ɤy ᶄi 时,近指与中指关节对应的比例系数k ѳ(r )i选值较大,远指关节对应的k ң(r )i选值较小.当y i ＞yᶄi 时,远指关节对应的k ң(r )i选值增大:k (r )i ＝k ѳ(r )i ㊀㊀y i ɤy ᶄi k ң(r )i ㊀㊀y i ＞yᶄi {(１４)经过实验选取各手指关节弯曲角度的比例系数的转化系数[k (r )i ]矩阵,通过式(１３)即可得到灵巧手人手关节角度[θ(r )i ]矩阵.人手与机器人灵巧手在尺寸上的不一致,会使灵巧手产生运动误差.为了更好地实现对灵巧手的控制,针对主从手尺寸不一致的问题,引入主从手指长度比例关系:θ^(r )i ＝m i θ(r )i(１５)其中,m i 为尺寸比例系数;θ^(r )i为控制器输出用于控制灵巧手关节角度的值.４㊀样机实验４．１㊀样机平台灵巧手样机实验平台如图１１所示,灵巧手结构采用尼龙材料３D 打印制作.驱动电机采用L X Ｇ１６A 串行总线自带减速器的舵机(最大输出扭矩１９．５k g c m ),舵机带有温度监测功能,底部可安装散热装置.柔索采用直径为０．５m m 的钢丝绳,套管采用圆形弹簧丝绕成的外径１．２m m ㊁内径０．８m m 的螺旋套管.图１１㊀灵巧手实验样机F i g ．１１㊀E x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe of t h e d e x t e r o u s h a n d 灵巧手的控制系统采用N I Ｇc R I O Ｇ９０６７作为下位机,系统的硬件结构如图１２所示.首先在上位机用L a b V I E W 软件编写控制程序,然后通过C A N 接口下载到运行实时系统的下位机执行.手指弯曲信号由F l e x ４．５弯曲传感器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,关节角度反馈信号由电位器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,运动控制信号由N I Ｇ９２６４模块输出到电机驱动器.弯曲传感器电阻在６０~１１０k Ω间变化,实时反馈与数据监测的频率设置为１k H z .６５９ 中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.图１２㊀样机控制系统F i g ．１２㊀C o n t r o l s y s t e mo f t h e e x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe ４．２㊀灵巧手运动实验为了测试套索驱动灵巧手的性能,通过直接控制舵机对灵巧手的侧摆关节㊁近指关节㊁中指关节和远指关节进行运动实验,如图１３所示.由实验可知,所设计的灵巧手具有较好的运动灵活性,套索的应用能够有效避免干涉,实现各关节的解耦独立控制.(a)初始姿态(b)两侧张开(c)单侧摆动(d )近指转动９０ʎ(e )中指转动９０ʎ(f )远指转动９０ʎ图１３㊀灵巧手关节运动图F i g ．１３㊀K i n e m a t i c d i a gr a mo f d e x t e r o u s h a n d j o i n t s ４．３㊀抓取控制实验通过实际测量人手与所控制灵巧手的尺寸,对尺寸比例系数m i 进行标定,结果如表１所示.通过人手五指上安装的弯曲传感器作为输入信号,每根手指均进行了１００次伸展弯曲实验,记录传感器反馈电压信号的最大值与最小值,由式(１１)求得各手指反馈电压标定的最大值与最小值,结果见表１.灵巧手手指各关节经主从映射算法控制,大拇指与其他手指相比缺少了中指关节,因此将大拇指中指关节所对应的弯曲角度比例系数k (r )i设表１㊀手势识别相关参数T a b ．１㊀P a r a m e t e r s o f g e s t u r e r e c o gn i t i o n m ix i ,m a x (V )x i ,m i n (V )大拇指１．５２３．８９１．２３食指１．５４４．８３１．１９中指１．４９４．７７１．１７无名指１．５０４．６２１．２０小拇指１．４５４．４５１．１８定为恒值０,其他相关参数初始值均设为１.分别对水瓶㊁苹果与花生进行多次抓取实验(图１４),并不断修改相关参数以优化抓取效果,最终参数见表２.实验过程曲线见图１５.(a )抓取水瓶动作１(b )抓取水瓶动作２(c)抓取水瓶动作３(d )抓取苹果动作１(e )抓取苹果动作２(f)抓取苹果动作３(g)抓取花生动作１(h )抓取花生动作２(i )抓取花生动作３图１４㊀抓取控制实验F i g ．１４㊀E x p e r i m e n t s o f gr a b c o n t r o l 表２㊀主从映射相关参数T a b ．２㊀M a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g re l a t e d p a r a m e t e r s 手指k ѳ(１)k ѳ(２)k ѳ(３)k ң(１)k ң(２)k ң(３)大拇指０．８９０１．２３１．１７０１．２５食指０．７３１．０５１．２０１．１５１．０７１．２１中指０．７８０．９８１．１７１．１８０．９９１．１８无名指０．６３０．９７１．２１１．１３０．９８１．２３小拇指０．８１１．０８１．１８１．１２１．１０１．２０㊀㊀如图１５所示,其中０~１０s 为抓取水瓶曲线,１０~２０s 为抓取苹果曲线,２０~３２s 为抓取花生曲线.由曲线可知,抓取水瓶时,各指关节均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,７５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)弯曲传感器信号(b)大拇指关节运动(c)食指关节运动(d)中指关节运动(e)无名指关节运动(f)小拇指关节运动图１５㊀抓取实验过程曲线F i g．１５㊀C u r v e s o f t h e g r a b e x p e r i m e n t s中指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取苹果时,各指关节也均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,中指与小拇指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取花生时,大拇指与食指各关节弯曲较大,中指㊁无名指与小拇指关节弯曲角度较小,抓取主要由大拇指与食指配合完成.特别地,在２０~３２s时,y i值小于式(１４)定义的临界值yᶄi,与其他图相比,图１５b 中的绿色曲线与红色曲线更加接近,图１５c中绿色与红色曲线也更加接近且数值明显大于蓝色曲线数值,说明在抓取花生时,大拇指与食指的远指与近指关节相较于其他手指的关节运动更加明显,通过抓取过程的变比例系数控制实现了对体积较小物体的有效抓取.由实验可知,所设计的灵巧手能有效抓取圆柱与圆球等各类物品,通过基于弯曲传感器的主从控制可以实现对五指灵巧手的控制.５㊀结论本文将套索传动应用于灵巧手,提出了一种电机后置的１９ＧD O F拟人轻型灵巧手.参照人手的构型确定了灵巧手的构型,对驱动模块与手指关节进行了设计.建立了灵巧手的多指运动学模型,并对末端运动空间进行了仿真.基于弯曲传感器对主从映射算法进行了研究,实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验,验证了所设计灵巧手的运动灵活性.通过抓取实验验证了主从映射控制算法的有效性.实验结果表明,基于套索传动的灵巧手具有可行性,未来可应用于人形机器人以及对灵巧手的灵活性有较高要求的场景,鉴于其成本低的优点,还可以作为科普或者教学工具.齿轮与套索传动的应用使关节控制具有空回迟滞与非线性的特点,主从控制要达到较高的精度也需要非线性补偿,下一步工作将重点对控制算法进行研究.参考文献:[１]㊀R AMÍR E ZR E B O L L O DR,P O N C EP,MO L I N A A．F r o m３F i n g e r st o５F i n g e r sD e x t e r o u s H a n d s[J]．A d v a n c e d R o b o t i c s,２０１７,３１(１９/２０):１０５１Ｇ１０７０．[２]㊀X U D,L O E BGE,F I S H E LJA．T a c t i l e I d e n t i f i c aＧt i o no f O b j e c t s U s i n g B a y e s i a n E x p l o r a t i o n[C]//I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nR o b o t i c s a n dA uＧt o m a t i o n(I C R A)．K a r l s r u h e,２０１３:３０５６Ｇ３０６１．[３]㊀S C HU L ZS,P Y L A T I U K C,K A R G O V A,e ta l．P r o g r e s si nt h e D e v e l o p m e n to f A n t h r o p o m o r p h i cF l u i d i c H a n d sf o ra H u m a n o i d R o b o t[C]//I E E E/R A S I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nH u m a n o i dR o b o t s．S a n t aM o n i c a,２００４:５６６Ｇ５７５．[４]㊀P Y L A T I U K C,S C HU L ZS,K A R G O V A,e ta l．T w o M u l t i a r t i c u l a t e d H y d r a u l i c H a n d P r o s t h e s e s８５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . 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5.1 仿生创新设计原理及分类5.1.1仿生学与仿生机械学概述在长期的进化过程中，受到自然条件的严峻选择，为了生存和发展，自然界形形色色的生物各自练就了一套独特的本领。

例如，有利用天文导航的候鸟，有建筑巧妙的蜂窝，有能探测势源的响尾蛇;海洋中水母能预报风暴;老鼠能事先躲避矿井崩塌或有害气体;蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面上运动着的小动物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。

人们在技术上遇到的许多问题、许多困难找不到正确解决的方法和途径，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已得到了很好的解决，人类应从生物界得到有益的启示。

相传在公元前三千多年.人们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害;四千多年前，人们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做成装有轮子的车。

我国战国时期墨子仿鸟而制造的竹鹊”;三国时期诸葛亮设计的“木牛流马”;春秋战国时期的鲁班，从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理;中国古代劳动人民对水生动物一鱼类的仿生也卓有成效。

鱼儿在水中有自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类的形体造船。

相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。

通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。

人们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。

后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。

图5-1 竹鸢、楼兰古城的有翼天使图5-2 木牛流马、龙舟研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。

仿生学不是仅仅外形相似即可，有些外形相似的仿造很失败，有些外形不像但是结构原理一致的仿生很成功。

图5-3 仿生结构5.1.2 仿生机械分类仿生机械（bio-simulation machinery），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。