导 读

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。从应用领域来看，目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。

本文将提出人形机器人灵巧手的分析框架，从灵活度设计、动力源、传动结构、传感系统四个层次进行了阐述，同时结合已有的灵巧手案例，对各方面设计结构进行说明。

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机器人灵巧手设计与关键技术

机器人中操作和动作决策的执行输出工具在机器人学领域被称之为末端执行器(End-Effector)。末端执行器是机器人执行部件的统称，一般安装于机器人腕部的末端，是直接执行任务的装置。末端执行器作为机器人与环境相互作用的最后环节与执行部件，对提高机器人的柔性和易用性有着极为重要的作用，其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。

末端执行器按其功能可以分为两大类，即：工具类和抓手类。工具类末端执行器是根据具体工作需求专门设计并预留标准化接口的机器人专用工具，可以直接实现具体的加工工种、生产工艺或日常动作；抓手类机器人末端执行器恰如人的双手，担负着执行各种动作、抓持和操作的任务。

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。

1.1、 灵巧手的分析框架

从应用领域来看，目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。

航空航天领域对性能的要求较高，对成本不敏感，如美国宇航中心（NASA）的Robonaut Hand、德国宇航中心（DLR）的 DLR Hand、Dexhand；医疗假肢是目前少有的已实现商业化批量制造的领域，如 ottobock 的 Bebionic Hand、Michelangelo Hand；工业领域灵巧手目前由少数协作机器人夹爪企业所引领，如 SCHUNK 公司的 SCHUNK SVH Hand、Festo 公司的 Festo ExoHand；而科研领域主要由全球知名高校主导，灵巧手的设计思路较为开阔。

从灵巧手设计层面来看，主要有全驱动和欠驱动两种。DOF 为手指关节的自由度，DOA 为由驱动器控制的自由度。若 DOA 小于 DOF，则为欠驱动结构；若DOA 等于 DOF，则为全驱动结构。

全驱动手的代表包括 Robonaut Hand、Shadow Hand、DLR Hand II 等，分别使用了 14/20/12 个驱动器，通过对每个自由度的独立控制，达到对灵巧手出色的掌控效果。但考虑到鲁棒性和功能性之间的取舍，欠驱动灵巧手成为更主流的选择。其优势在于通过合理的结构设计以少于手指关节自由度的驱动器，从而降低整只手的系统复杂度，同时提高可靠性。

从驱动源来看，目前灵巧手的驱动源包括电机、液压、气压、形状记忆合金等。

从传动方式看，灵巧手的传动方式主要包括腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆等。

从结构形式来看，主要有外置式、内置式、混合置式。随着电机和控制电路的小型化发展，除了某些全驱动/腱绳传动的灵巧手外，内置式已成为灵巧手设计的发展趋势。其优点在于，通过将驱动、传动装置放置于灵巧手内部，可实现灵巧手的模块化设计，有利于灵巧手与机器人本体的无缝切换。

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欠驱动与全驱动：灵活度设计

从自由度与原动机数量上来看，可将其划分为欠驱动灵巧手和全驱动灵巧手。欠驱动灵巧手原动机的数量少于被控制的灵巧手自由度，没有驱动源的关节则是进行耦合随动。全驱动灵巧手则是原动机数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。

欠驱动灵巧手优点在于易于控制，但拟人性不强，稳定性有所欠缺。由于耦合关节结构简单，所占空间小并具备可控性，如今大部分灵巧手都是欠驱动灵巧手。

相对于欠驱动灵巧手，全驱动灵巧手的手指更加灵活，省去了无驱动手指关节的耦合机构，但由于驱动器增多，导致体积变大、安装困难并且灵巧手的控制变得更加繁琐。

2.1、 全手自由度设计

人手骨骼结构：

手指：食指、中指、无名指和小指分别由 3 块指骨和一块掌骨组成，三块指骨分别为远节指骨（Distal phalange）、中节指骨 (Intermediate phalange)和近节指骨（Proximal phalange）。拇指：除了掌骨以外，只包含近节指骨和远节指骨 2 块指骨，两个指骨之间的关节是指间关节 （Interphalangeal joint，简称 IP 关节）。

人手自由度分析：

IP 关节和 PIP 关节分别有 1 个自由度，能够完成屈曲 /伸展运动。而 MCP 关节具有 2 个自由度，可以完成屈曲/伸展和侧向摆动的动作。因此，对于食指、中指、无名指和小指，每个手指具有 4 个自由度。拇指中的关节依次是指间关节和掌骨关节。其中指间关节有 1 个自由度，MCP 关节具有 2 个自由度， 掌骨和小腕骨指间的关节具有 2 个自由度，共计 5 个自由度。整个手具备 21 个自由度。

Taylor 等将人手抓取归纳为六种基本抓取模式，分别为圆柱抓取(Cylindrical)、指尖抓取(Tip)、胡克抓取(Hook)、掌心抓取(Palmar)、球形抓取(Spherical)及侧向捏取(Lateral)。这些抓取模式可以实现日常生活中人手的大部分功能。除胡克抓取外，其余五种抓取模式均需要拇指参与。

从有拇指参与的抓取模式中可以发现，拇指主要集中两种姿态(拇指的姿态是指掌骨的姿态)附近。

(1) 姿态 T-I-M。在该姿态下，拇指与食指和中指之间的交互起主要作用。在这一姿态附近可以实现指尖抓取、掌心抓取和侧向捏取，例如握笔和指尖操作一些小的物体等。

(2) 姿态 T-M-R。拇指与中指和无名指之间的交互起主要作用。在这一姿态附近可以实现圆柱抓取和球形抓取，例如抓取矿泉水瓶和网球等类型的物体。

相关统计表明，力量抓握、精捏和侧捏这三个的动作占比高达 85%，因此，灵活运动的拇指、食指和中指是完成动作的关键。

对于灵巧手自由度及功能的评估，通过采用 Cutkosky 抓取分类法。在该分类方法中，手的抓取动作按照从力量型到精确型被分为 16 种。

例如，针对 SCHUNK 五指灵巧手的抓取任务评估表明，SCHUNK 五指灵巧手可以完成 Cutkosky 抓取分类法中的 14 种。

2.2、 单关节双自由度实现

拇指：对掌运动是拇指的基本运动，通过对掌运动拇指可与其余 4 指接触形成钳状，它是实现人手功能的基础。这说明，拇指的双自由度处于较为优先的位置。

手指：手指拥有两种运动形式，通过各指节旋转副的屈曲/前伸运动以及通过手指末端球形副的侧摆运动。

要实现单个关节的双自由度运动，具有代表性的传动形式有三种：

（1）实现外展/内收和翘曲的两个轴正交，但却不是相互交叉的。它们在轴线位置上有一定的距离，并且分别由单驱动器驱动，如 Salisbury 手。这种结构可以使手指结构简单化，但降低了手指的灵活性，同时对驱动系统有更高的要求。

（2）球/孔结构，如 Omni 手。这种结构可以使手指的运动具有更大灵活性和适应性，也可以使手指的计算机控制简化。同时，它所具有的机械限位可以避免手指产生过度的伸展。虽然这种结构有很好的紧凑性和灵活性，但结构复杂，增加了手指的加工难度和成本。

（3）四个齿轮组成的差动结构。这种基关节的两个自由度通过 4 个相互啮合的伞齿轮来实现。灵巧手基关节采用锥齿轮差动结构不但能够有效减小灵巧手的外形尺寸，而且能够有效提高基关节的承载载荷。

通常情况下包含两个主动轮和两个从动轮。当主动轮同向转动时，实现基关节俯仰方向的运动；当主动轮逆向运动时，实现基关节侧摆方向的运动。

2.3、 自由度优先级

BH-985 共有 5 个手指和 16 个关节，配置有 10 个驱动源。拇指、食指和中指有3 个关节自由度和 3 个驱动源，其余两个手指采用一个驱动源耦合传动。

从图 12 中可见，手指关节可分为双驱动关节、单驱动关节、耦合随动关节。

（1） 从手指自由度优先级方面考虑，通常大拇指根部关节的双自由度拥有最高优先级。主要是由于拇指在各种抓握中占据的重要角色；

（2） 而手指根部的双自由度是区分高级灵巧手的一个重要特征。经典的六电机方案（特斯拉 Optimus）在拇指配置双电机，其他手指各配置一个电机，即根部关节单电机驱动。而在 4 根手指中，食指、中指所发挥的功能通常要高于无名指、小指；

（3） 远端关节通常处于优先级最后，作为耦合随动关节。

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动力源

3.1、 动力源分类

按驱动方式，灵巧手动力源可分为电机驱动、气压驱动（气动）、液压驱动与形状记忆合金驱动。

基于气压驱动的灵巧手是近年来的研究热点，典型的有 Festo 的气动灵巧手、上海交大联合 MIT 开发的气动灵巧手等。

英国 Shadow 公司研制出一款基于 McKibben 气动人工肌肉的灵巧手 ShadowHand，该灵巧手具有高达 20 个自由度，且每个自由度都是由一个独立的McKibben 气动人工肌肉结构进行驱动，几乎可以模仿人手能够完成的所有动作。

Festo 软体神经假肢手具有六个主动自由度，在气压驱动下可实现多种灵巧抓握手势。每个手指具有内嵌多段分布式硬质结构层的纤维增强软体结构，在气压驱动下具有一个弯曲自由度。特别是拇指具有一个额外的自由度，用于实现对掌运动。此外，手指固有的柔顺性使其在面对柔软、易碎物体时也能够进行自适应抓握。

气压驱动的灵巧手是比较接近人体肌肉驱动的一种方式，具有易于控制、能量储存方便、柔性等特点，但其刚度低、动态性能差，且装配较难并无法精确运动，从而难以广泛应用于工业生产中。

液压驱动是指为了完成能量的传递、增强和积压，通过液体介质的静压力来实现的驱动方式，通常在一定的机械和电子系统内使用较多。为得到较大操作力，一般使用液压马达等作为驱动装置，能驱动较大的负载，但因有较大的泄露和流体阻力的影响，故效率不高。并且因为液体存在可能泄漏和被压缩的缺点，所以导致传动比不够精确，并且体积大、成本高和易污染。

形状记忆合金(SMA)具有方向灵活度高、变形量大和可迅速进行变位的特性。它是一种能记忆任何形状，即便产生变形，只要将其加热到某一合适温度时，就能恢复为变形之前外形的特殊合金。形状记忆合金驱动技术即为这种驱动器进行的驱动技术。因此，它具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特性。对于机器人进行高速度及高精度的小负载装配任务非常合适，但形状记忆合金的缺点是造价高，并且易产生疲劳，寿命较低。

日本的 Hitachi 灵巧手，就是采用形状记忆合金驱动。

电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。

作为灵巧手典型代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为驱动源。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板能与手指机械本体融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

综合比较驱动器类型，电机驱动的综合性能更好，具有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是目前技术成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手采用。

3.2、 动力源位置及数量

按结构形式，灵巧手可分为驱动器外置式、驱动器内置式与驱动器混合置式。

早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，主要是受驱动器结构尺寸影响，难以嵌入手指内。外置式的典型代表 NASA 手和 Shadow 手，其突出的优点是灵巧手的仿人化程度较高，灵巧手本体内没有需要布置的器件，可以缩减手本体的体积，做到接近人手的外形，自由度的布置也很灵活。

同时也具有以下缺点：第一，驱动器与手本体之间空间距离较远，必须借助腱实现两者的连接，不可避免地具有腱传动的相关弊病。第二，可维护性差。当某根腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。

随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式。

内置式的多指灵巧手的出现，除能够有效地克服由于绳索驱动带来的缺点外，还具备下列优势：

1、由于驱动器集成在手指内部，因此集成度较高，简化手指同外部的软硬接口，便于手指模块化设计；

2、高集成度带来的好处就是手指间互换性增强，便于维护和实际应用；

3、能够作为一个局部自主系统同任何机器人手臂通过标准接口相连。

当然内置式灵巧手也同样存在一些问题，比如目前由于驱动器的不同及系统结构设计的思路不同导致灵巧手的整体外形尺寸较大，这也是内置式灵巧手的最大问题。

1998 年，DLR 新型驱动器的研制成功，使得灵巧手的所有驱动器、传动装置、传感器系统及电器系统都集成在灵巧手的内部。因此，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手。

典型的内置式灵巧手 HIT/DLR–II，整体尺寸为人手的 1.5 倍。具有 1 个独立的手掌和 5 根模块化手指，每根手指集驱动、传感、控制等为一体，具有 4 个关节和 3 个自由度。其中，拇指与手掌之间有一个类似人手的外张/收敛自由度，可以通过配置拇指的位置来满足不同的抓取要求。

动力源位置及数量的一般性规律：

1） 对于非电机驱动（如气压、液压），往往采用驱动器外置；对于电机驱动的灵巧手，外置+腱绳传动普遍适用于驱动器数量较多的情况（如 10 个以上驱动器）；内置式则适用于 1-15 个电机的各类型灵巧手；

2） 6 电机方案是较为经典的一种配置类型。即拇指 2 个+其他手指各 1 个；

3） 在追求高自由度的情景下，可采用单手指 3 电机方案，在 4 指/5 指灵巧手中分别使用 12/15 个电机。

3.3、 电机与减速器选型

在现代灵巧手的发展过程中，电机驱动逐渐成为主流驱动方式。作为灵巧手典型代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为驱动源。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用，使电机、驱动电路板能与手指机械本体融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

从已有案例的电机选型来看，灵巧手用到的电机有直流无刷电机、无框力矩电机、空心杯有刷电机、空心杯无刷电机。

从电机外形来看，灵巧手存在着两种方案：

1） 扁平电机，即直流无刷电机、无框力矩电机，普遍搭配谐波减速器，两者之间可以轴心垂直，也可以平行放置，并通过传动带实现耦合；

2） 细长电机，即空心杯有刷电机和空心杯无刷电机，而空心杯有刷电机的电刷又分为稀有金属电刷和石墨电刷。空心杯电机普遍搭配行星齿轮减速器。

直流无刷电机、无框力矩电机呈现双高特点：高转子惯量、高转矩密度。

◼盘式电机（直流无刷电机）

盘式电机在 maxon 产业手册中属于 EC flat 系列，本质上属于直流无刷电机。

带有定子铁芯绕组+永磁体转子，采用内外转子设计结构，转速可达 20000rpm，尤其适于空间狭小的应用场合。

已有的灵巧手案例中，DLR/HIT Hand II、Michelangelo Hand 均使用了盘式电机。

DLR/HIT Hand II：

模块化手指基关节的驱动器和传动系统中，两个内置位置传感器的盘式电机（型号：EC-20flat）和谐波减速器并排横卧于手指后侧。手指单元的驱动器同样是盘式电机，该电机横卧于第一关节内部、谐波减速器横卧于手指第三关节处，二者之间通过同步带结构连接。

◼无框力矩电机

已有的灵巧手案例中，Dexhand、Spacehand 使用了同一款无框力矩电机——Robodrive ILM 25。在上述两款灵巧手中，无框力矩电机与传动比 100:1 的谐波减速器 HFUC 8 结合，组成圆柱体驱动单元，提供 2.4Nm 的连续扭矩，峰值高达 9Nm。

Dexhand 中，该驱动单元直径为 27 毫米、长度为 17.5 毫米、重 46 克；后续的Spacehand 中，该驱动单元直径 27 毫米、长度 20 毫米、重量 50 克。

◼空心杯电机（有刷/无刷）

空心杯电机在灵巧手中得到广泛应用，已有的灵巧手案例中，Pisa//IIT SoftHand、Vincent Hand、Ilimb Ultra、IDLA hand 均使用了空心杯有刷电机，而 RIC Arm 则使用了空心杯无刷电机。

空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机（又称无刷无齿槽电机）定子无铁芯。有刷空心杯电机利用碳刷（或者金属电刷）和换向器的配合来完成换向，无刷空心杯电机没有这种物理结构，线圈导线直接连接到控制器，通过处理连接板上的霍尔反馈的位置信号完成换向。

空心杯电机的优点包括：无齿槽效应（低速运行平稳、低振动、低噪音、转子可控制在任意位置），结构紧凑（磁路设计更优、功率密度更高、温升低、效率高），低电感（高动态响应、高加速度）。

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传动

按灵巧手手指的传动方式可分为腱绳传动、连杆传动与齿轮传动。传动系统负责把驱动器产生的动力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动。因此，传动系统的设计不仅决定了灵巧手的机械结构，而且直接影响到灵巧手的抓取稳定性和灵活性。

已有案例表明，（1）腱传动灵巧手的案例占比较大；（2）在医疗假肢领域极少采用腱传动。主要原因在于，相比连杆、齿轮等传动方式，腱传动对于空间狭小、传动精密的灵巧手空间设计较为友好，但传动效率与可靠性较差。

4.1、 腱传动

腱绳传动是指通过腱绳和缠绕腱绳的辅助装置把驱动源的力矩传送到手指各个关节上的传动方式，由于传动腱绳具有较高的柔性以及较小的尺寸，使得腱绳传动对驱动器和减速机构的结构尺寸要求较低，并且传动路线灵活多样，但也具有以下缺点：难以对绳索结构进行预紧，并且所有的绳索都具备弹性，致使传感器无法准确反应手指关节位置的信息，使精确控制难于实施。

腱驱动控制系统采用由微型伺服力矩电机、微型滚珠丝杠减速器和高强度碳氟纤维腱组成的解决方案。

NASA Robonaut 2 灵巧手的优点：灵巧手采用腱传动配合连杆耦合传动的方式，驱动电机以及电气控制系统安置于手臂内部，可采用较大功率的电机，从而提高灵巧手的抓握力，节约了手指和手掌内部空间，有利于实现灵巧手的小型化、拟人化设计。此外，灵巧手具有较高的自由度数，使得灵巧手具有更为灵活的工作空间，满足空间在轨服务精细作业的任务需求。

◼腱绳材料选择

在腱传动灵巧手中，腱绳材料的选择至关重要。因为腱绳涉及动力传递，且作为末端传递单元，直接影响手指执行效果的精度，所以腱绳需要满足的要求包括：

1） 高强度：需承受 80N 以上的力；

2） 低耐磨：连续施加 36000 次循环的恒定拉力（10h）；

3） 固定表面摩擦系数低；

4） 可以承受小的弯曲半径；

5） 易于实现终止；

6） 抗蠕变性（可通过闭环策略进行补偿）。

通过对已有腱传动灵巧手案例中腱绳材料的统计，我们发现：

1） 腱绳材料整体分为不锈钢、高分子纤维两大类，其中高分子纤维使用更为广泛；

2） 高分子纤维中以 Dyneema 和 Spectra®两种纤维为主流，分别为帝斯曼和霍尼韦尔生产的超高分子量聚乙烯纤维材料；

3） 早期使用的腱绳材料有特氟龙、芳纶纤维、涤纶等，但因性能方面不如超高分子量聚乙烯纤维而被淘汰；

4） ZYLON 纤维在长期作业方面优于超高分子量聚乙烯纤维，在某些恶劣场景、长期高负载运行情况下可以代替超高分子量聚乙烯纤维。

4.2、 连杆传动

连杆传动是指灵巧手采用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩，传递的刚性比较强，手指具备较大的抓取力，并且结构比较紧凑，但连杆手指受连杆尺寸以及传动误差的影响，不易实现远距离操作，抓取稳定范围较小。

连杆传动中的指尖、二指节、三指节均为不同形状的三角形连杆，驱动连杆以及耦合连杆为直线形式，K1 以及 K2 为复位弹簧，当 K1 处的驱动连杆顺/逆时针转动时，手指做屈曲/前伸运动。

4.3、 齿轮传动

齿轮传动的优点是能进行精确传动，传递效率高、稳定性好。但也存在结构相对复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。且当灵巧手需要的手指较长时，传递所需的相应齿轮数目也会增多，这极大限制了齿轮链传动结构的应用。

通过对以上几种主流灵巧手的驱动及传动方式的介绍可知，这些方法都已有较多使用案例，其展现出的特性也各有不同，而且不同的驱动及传动方式，对灵巧手的性能也有所制约和影响。

4.4、 特斯拉灵巧手

在灵巧手机械传动系统的设计中，Utah/MIT 手、DLR I 手、NASA 手均采用腱（绳索）传动的方式，其主要原因是受到驱动源、驱动电路板以及减速结构等的体积限制，使得这些部件不能集成到手掌或手指内部而需要放在灵巧手以外的空间。

但是，腱传动在实现空间布置自由的同时，存在不可忽视的缺陷：连接复杂、可靠性差；由于腱的柔性，使得控制精度低、存在迟滞等。相对于腱传动方式，DLR II 手、GIFU II 手等采用齿轮、齿形皮带等直接传动的方法，具有腱传动无法比拟的优点：可靠性高、迟滞小等。同时，直接传动方式对驱动、减速结构与转动关节的空间位置有较高的要求，一般将电机、减速结构等集成在手掌或手指内部时，可以采用直接传动的方式。

因此，在电机、减速结构等体积不能做得更小的情况下，腱传动与直接传动相结合的方法将会保留两者的优点，凸显其独特的优势。

特斯拉 Optimus 产品的灵巧手具有 6 个执行器，操作 5 根手指，其中拇指分配2 个执行器，其他手指各分配 1 个执行器。手指执行器采用空心杯电机+蜗轮蜗杆传动+腱传动。一方面，特斯拉 Optimus 采用了经典的六电机方案，在电机数量有限的情况下最大程度上实现手指自由度；另一方面，蜗轮蜗杆的不可反驱动特性使得灵巧手可以在抓握完成后实现无功耗保持。

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传感器

5.1、 灵巧手的感知系统

根据传感器在机器人手中的布局和功能，可将传感器分为两类：内在传感器和外在传感器。

内在传感器反馈机器人本体的运动或动态信息，如手关节角度、关节扭矩和肌腱应变，而外在传感器感知外部环境，如压力、力、温度和平滑度。

以 HIT/DLR Hand II 灵巧手为例，内部感知系统包括霍尔位置传感器、电位计位置传感器、一维/二维力矩传感器，外部感知系统包括触觉传感器、指尖六维力矩传感器。

5.2、 外部传感器

5.2.1、触觉传感器

对于人手来说，触觉系统能够提供丰富的信息，如存在、位置、形状、缺陷、温度和纹理等。人手的灵巧程度取决于其复杂的结构和强大的触觉系统。

作为机器人感知外部环境的方式之一，触觉传感器在描述物体的几何特征、物理属性以及刻画接触动态过程有着独特的优势。通过对触觉信息的有效分析不仅能够提高机器人对外部环境的感知能力而且对优化人机交互过程以及提高仿生灵巧手精细操作都有着重要的意义。

目前主流的触觉传感器根据其工作原理可以分为压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器、电容式触觉传感器、电磁式触觉传感器以及基于光学的触觉传感器等。

压电触觉传感器是基于压电效应原理，即在外界力的作用下，压电材料表面因形变会产生电压。它的频率响应好，测量范围大，但分辨率不是很理想。压阻式触觉传感器基于压阻效应原理，即施加外力时会产生自身电阻的变化。它测量范围大，鲁棒性好，但是迟滞效应较大。电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。其空间分辨率高，功耗低，但抗干扰能力差。基于光学原理的触觉传感器靠检测光的参数变化间接感知外界的接触信息，优点是抗干扰能力强，具有很高的空间分辨率。

从功能角度看，触觉传感器的发展经历了三个阶段：

（1）早期的触觉传感器聚焦于对指尖力的测量（基于压电效应）。虽然可以检测力的方向，但对接触位置的检测不太可靠；

（2）多阵列传感器为目前多数灵巧手所配备，可以同时感知力与力的位置，但缺点是通常只能感知单模态信息；

（3）第三阶段有两个发展方向：

发展方向之一是：同时获取多种触觉信息的多模态传感器；

发展方向之二是：多区域感知（如覆盖整个机器人手的电子皮肤，而不是仅限于指尖感知）。

◼指尖力的测量：

早期触觉传感器研究的主要方向是压力和力的测量。这些传感器多基于压电效应，被安装于指尖，用于测量指尖多维力。这类传感器虽然可以检测力的方向，但对于接触位置的检测不太可靠。因此下一代产品的研究更多集中在阵列触觉传感器上。

触觉传感器以指尖力的测量为主，使用的传感器包括一维、二维、六维力/力矩传感器。

◼多阵列触觉传感器：

多阵列触觉传感器的出现，是为了克服第一代指尖力传感器无法检测接触位置的缺陷。

从底层原理上看，多阵列触觉传感器放弃了传统的应变片/弹性体路线，而是使用柔性材料，在指尖处覆盖压阻单元点阵列，从而满足对接触位置的分辨率。

腾讯灵巧手 TRX-Hand：在指尖、指腹和掌面均覆盖了自研的高灵敏度柔性触觉传感器阵列。

◼ 多模态传感器

多阵列触觉传感器通常感知单模态信息。然而，当人类抓住一个物体时，它的重量、大小、温度、质地等都会被同时感知。因此，对于机器人手来说，同时获取多模态触觉信息也很重要。

光学的触觉传感器是一类较为经典的多模态传感器。研究人员可以从光学触觉传感器获得更多有用的信息，包括但不限于接触位置、温度、粗糙度、刚度、纹理和形状。

物体软硬属性的辨识及稳定抓握运动控制是优化仿生灵巧手人机交互能力的一个重要方向。相对于触觉传感器，视觉传感器的发展相对成熟，因此很多的辨识算法都是基于视觉信息进行分析。

如智元机器人的“远征 A1”机器人的“Skillhand 灵巧手”采用了基于视觉的指尖传感器。但目前视觉依然无法很好的解决复杂背景等外部环境因素带来的影响，而基于触觉信息则可以避免这些问题，同时还能够感知视觉信息无法感知的一些信息，如物体的软硬程度或者表面纹理等。

◼ 多区域感知传感器

多区域感知是触觉感知的另一个研究方向。研究人员专注于可以覆盖整个机器人手的电子皮肤，以检测触觉感知，而不是仅限于指尖感知。

5.2.2、接近传感器

接近传感器用于为机器人提供检测表面和物体的能力。在抓取或操纵物体之前，感知物体与机器人手之间的相对位置。借助接近传感器，机械手可以在操作之前估计物体的位置、形状和其他物理信息。对于灵巧手来说，提前了解这些信息有助于提升操作的成功率。

腾讯灵巧手 TRX-Hand：

掌心处安装有微型激光雷达和接近传感器，同时每一个关节均集成了角度传感器，保证灵巧手在抓取和操作过程中能准确地感知自身与物体状态信息。

Jelizaveta Konstantinova 提出，接近传感器的使用有助于在执行动作时在线规划和调整抓取策略，尤其是面对未定义物体。其设计的接近传感器由一对光纤组成，其终端位于指尖表面的中间。

该传感器的传感原理与光强调制相同，以物体本身作为反射表面来测量与物体的距离。通常情况下，即使是较暗的材料，也不能完全吸收光线。因此，由发送光纤发射的光束的一部分被反射，然后被接收器检测到。通过这种方式，可以检测到位置接近的物体，并确定物体的距离。

5.3、 内部传感器

5.3.1、力/力矩传感器

◼ 关节扭矩传感器

关节扭矩属于内部传感器的一种，用于提供灵巧手关节处收到的实时扭矩信息，这对于灵巧手稳定、灵活的抓取和操作来说是必需的。

在 DLR Hand II 中，每个手指配备 3 个使用了基于应变计的关节力矩传感器。

◼ 腱绳张力传感器

肌腱只能提供一个方向的力，并且肌腱路径中的摩擦损失很难建立精确的数学模型。因此研究人员通常使用张力传感器来测量肌腱张力。

常用腱绳张力测量方式包括串联弹性体、包覆弹性体、偏置引导轮等。

腱张力传感器的设计是实现手指力反馈控制的关键，Robonaut 2 hand 使用弹性体构建腱张力传感器，通过测量导管对传感器的作用力，得到腱绳张力。

博洛尼亚大学设计的 UBH-IV hand 使用了基于窄视角光电元件的特性来测量由腱张力引起的柔顺框架的非常小的变形，从而得到腱绳张力。

5.3.2、动作传感器

◼位置传感器

关节角位置传感器是实现灵巧手位置闭环控制的关键。关节位置传感器布置在驱动器末端，通过检测驱动输出端的角度位置，间接获得关节角度位置。常用的角度位置传感器有电位计式传感器、编码器和磁敏传感器等。

The Robonaut2 Hand 采用磁钢和霍尔传感器的设计方案，传感器核心部分是霍尔敏感元件，当手指关节运动时，磁钢相对于霍尔传感器发生旋转运动，霍尔传感器周围的磁场变化导致其输出信号的变化，通过相关标定处理，即可得到精确的关节角度。

博洛尼亚大学设计的 UBH-IV hand 使用了基于光学测量的关节角度位置传感器。其主要原理为，关节角度变化导致 LED 发出的光被部分遮挡，通过测量通过光功率的大小反推出关节角度变化量。

◼ 弯曲传感器

对于腱驱动的机械手来说，腱绳的位移总是随着套管形状的变化而变化，这种位置误差可能导致控制精度下降。因此，仅利用腱绳张力信息进行控制可能会产生误差。

弯曲传感器具有高分辨率和大弯曲感应范围。在使用弯曲传感器后，无需直接测量输出张力，即可精确控制腱绳的张力。

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