机器人手盘点

形形色色的机器人手让人看得眼花缭乱，究竟该如何分类呢？

A. 机器人手分类

（1）软体手与刚性手

机器人手还可以按照手指的柔软程度分为两种，一种是软体手，一种是刚性手。

软体手：哆啦A梦手、水袋手。

刚性手：五连杆手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。

（2）仿人手与非仿人手

机器人手按照与人手相似程度可以分为仿人与非仿人两大类，后者也称为特种手。

非仿人手：哆啦A梦手、水袋手、五连杆手。

仿人手：斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。

其中，五连杆手介于仿人手与非仿人手之间。

（3）多指手与特种手

此外，还可以根据是否带有多个手指，分为多指手、特种手。

多指手：五连杆手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。

在多指手中又进一步可以分为：工业夹持器、欠驱动手、灵巧手。

还可以有很多不同的角度去分类。

B. 按多指仿人手分类及其特点

驱动器驱动的关节称为主动关节。机器人手一般是电机驱动或气力驱动。

没有驱动器驱动的关节称为被动关节。被动关节往往利用弹簧、限位装置配合来实现动作。

根据使用主动关节与被动关节的情况可以将机器人手分为：

工业夹持器、欠驱动手和灵巧手。

（1）工业夹持器（Industrial Gripper）

具有1-2个主动关节，具有2个以上的手指，关节一般在手指根部，手指的中部没有关节。

德国Schunk公司工业夹持器：

车床上使用的三爪卡盘就是一种工业夹持器：

工业夹持器结构简单，出力大，工作性能稳定可靠，使用寿命长，精度高，工作效率高，设计、制造和维护成本低，更换方便，易于大批量地标准化生产制造。

工业夹持器的缺点是缺少对不同形状尺寸物体的更大适应性，抓取范围有限。

（2）灵巧手（Dexterous Hand）

机器人灵巧手由斯坦福大学Salisbury教授在1980年代撰文给出了定义：

具有3个以上手指和9个以上主动关节的多指仿人手。

上述定义来自于该手能够达到对物体抓取与手内操作的完全自由度。已得到证明：能够达到完全的灵巧度。

机器人灵巧手具有灵巧度高的优点，抓取范围大，抓取姿态多，手内操控灵活。

灵巧手在实践应用中存在结构复杂、设计、制造与维护成本高，使用不便，传感、控制系统需求高，实时性计算要求大，另外限于目前零部件设计制造水平，灵巧手一般出力小、易损坏。

DLR/HIT-I手、DLR/HIT-II手属于灵巧手，由哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合研制。

英国Shadow公司Shadow手：

（3）欠驱动手（Underactuated Hand）

驱动器数量少于关节数量的手。

欠驱动手的优点是具有较多的关节，于是外观可以比较拟人，具有更加逼真仿人手特点；具有较少的电机或气泵驱动器数量，控制容易；形状适应能力较好，抓取效果好，传感、控制需求低。

欠驱动手进一步可以分为：

a) 耦合手（Coupled Hand）

例如：折纸手、i-Limb手、bebionic手、Robonaut手。

哈佛大学受折纸启发研制的在水下抓取生物体耦合手（简称折纸手）是一种耦合手。

美国宇航局研制的的Robonaut宇航机器人（该手的控制方式是人手戴着数据手套进行控制）：

Robonaut手采用12个电机驱动，每个手指采用连杆机构，核心是：采用串联的两套四连杆机构实现多关节耦合运动（三个关节的联动）：

手指伸直的时候：

手指弯曲的时候：

b) 平夹手（Parallel Hand）

例如：四连杆平夹手。

常见的一种四连杆平夹手如下图。核心是采用了平行四边形的四连杆机构（称为平行四连杆），底杆为固定的基座，末端杆因为平行四边形原理，始终保持平行于基座底杆。

c) 自适应手（Self-adaptive Hand）

例如：连杆自适应手、带轮自适应手。

欠驱动手中有一种自适应欠驱动手，抓取物体时，从根部到末端的多个指段依次接触物体，具有形状自适应特点，受到广泛的重视和研究。

自适应抓取机构的核心是利用传动机构+弹簧+限位装置实现。

下图为自适应手指的机构原理。

一个四连杆机构+弹簧+限位装置：

结合上图，介绍自适应抓取的工作过程为：

电机驱动底杆转动，由于弹簧的作用，整个四连杆机构保持固定的相互姿态不变，整体像个刚体一般绕近关节轴转动，

直到近指段接触物体，此时电机继续转动底杆，四连杆发生变形，弹簧变形量增加，两个限位块分开，末端指段绕着远关节轴转动，

直到末端指段也接触物体为止。

上述过程依次转动了近指段和末端指段，对不同形状、尺寸物体均可以获得两指段接触的抓取——即自适应抓取功能。

将连杆机构更换为带轮传动也可以实现自适应抓取效果。

2008年我和邱敏申请了带轮式自适应欠驱动手指的发明专利，获得授权。

之后，我们研制出带轮式自适应手指。

d) 耦合自适应手（Coupled and Self-adaptive Hand）

例如：斯塔克手、ASIMO手。该类手抓取过程是多关节联动的，动作拟人化高，此外还具有自适应抓取功能。

日本本田公司研制的ASIMO机器人的手就是耦合自适应手。

采用弹簧来达到自适应效果，采用类似Robonaut手的8字形连杆机构实现耦合联动多关节效果。

e) 平夹自适应手（Parallel and Self-adaptive Hand）

例如：SARAH手、Robotiq五连杆手。该类手既可以完成平夹抓取，也具有自适应抓取功能。

加拿大Laval大学SARAH手：

（4）特种手

特种手为无明显手指的手。

工业中常用的特种手有：

a) 吸盘手

物流行业经常采用吸盘手（或多个吸盘阵列）抓取纸箱。

b) 磁铁手

钢铁相关行业经常采用磁铁手（电磁、永磁或混合式磁性手）抓取钢铁零件。

c) 静电手

打印机中采用静电吸附的方式来完成纸张的吸取和释放。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研制出使用静电吸附方式的柔性抓持器。

该抓持器有两个手指，每个手指都是薄片状，其中藏入了柔性电极，可以抓取不同形状、尺寸的物体，抓取物体比较轻柔，特别适合易碎的物体，可能得到广泛应用的行业是食品加工自动化生产线上。

d）伯努利手

利用伯努利原理来实现对平面光滑物体的抓取，在芯片制造中对晶圆薄片的抓取。

这是芯片制造过程中的晶圆：

此外还有：攀岩用的千刺手和千爪手，通用抓取的哆啦A梦手和水袋手。

C. 举例说明

1. 软体手

1.1 美国康奈尔大学仿哆啦A梦的颗粒阻塞气动抓持器（简称哆啦A梦手）：

1.2 德国FESTO公司仿蜥蜴舌头的流体驱动柔形抓持器（简称水袋手）：

1.3 北京软体机器人公司（SRT公司）软体手（简称SRT手）

1.4 北航与FESTO联合研制的软体手（简称章鱼手）

原理是利用抽气与吹气结合来，分别驱动吸盘抽气和软体手指弯曲。

1.5 中科大开发的带吸盘的腱绳驱动软体手（简称为STU手）

中国科学技术大学陈小平团队研制出带吸盘的腱绳驱动软体手：

1.6 其他形形色色的软体手举例

2. 刚性手

2.1 加拿大Robotiq公司的五连杆平夹自适应手（简称五连杆手）

2.2 美国斯坦福大学密刺阵列攀岩抓持器（简称千刺手）

2.3 加州理工学院零重力环境微孔岩石抓持器（简称千爪手）

2.4 美国马克·斯塔克研制的弹簧自适应腱绳杠杆传动假手(简称斯塔克手）

2.5 英国Touch Bionics公司生肌电控制的i-Limb耦合手（简称i-Limb手）

2.6 德国Ottobock公司生肌电控制的bebionic耦合手（简称bebionic手）

2.7 美国约翰·霍普金斯大学智能假肢（简称John Hopkins手）

挂一漏万，还有许多重要的机器人手在本文中没有介绍。

还有许多机器人手正在陆陆续续被开发出来……