【国金证券】机器人行业深度研究：机器人灵巧手的发展历程及未来发展方向探讨.pdf

2023-07-20

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1.什么是机器人灵巧手？

1.1 灵巧手是指数≥3，自由度≥9 的末端执行器

灵巧手是机器人操作和动作执行的末端工具，在机器人学领域属于末端执行器的范畴。从运动学的观点看，灵巧手需满足两个条件：指关节运动时能使物体产生任意运动、指关节固定时能完全限制物体的运动，按照运动学理论，满足上述条件至少要 3 个手指和 9 个自由度。因此，我们定义灵巧手是指数≥3，自由度≥9 的末端执行器。例如日本的 TWENDY-ONE 机器人，其灵巧手拥有 4 根手指和 13 个自由度。

1.2 机器人灵巧手的前世今生

从形态和功能上看，灵巧手经历了两指夹持器、多指抓持手和多指灵巧手三个发展阶段：

两指夹持器

两指夹持器通过模仿手指的夹持运动来抓持物体，能够在执行动作的同时夹住和松开目标物体。其优点是结构简单，运动形式稳定，工作可靠，在工业现场常应用于目标零部件的夹取、搬运、换位、装配等。但由于缺乏手指的灵活性，不能对复杂形状的目标进行抓持，无法对目标物体实施操作。该类夹持器已有多种标准化的产品，例如德国 SCHUNK 公司的气动平行爪夹持器、FESTO 公司的气动夹持器等。

多指抓持手

多指抓持手按照功能不同分为联动型抓持手、多关节手指抓持手和软体多指抓持手。

联动型抓持手一般为三指或四指结构，工作原理与两指夹持器一样，由于采用多指设计，可以对目标物体实施多触点抓持，提高了抓持的成功率和可靠性，但是依然缺乏灵活性和目标物体的适应性。

多关节手指抓持手在其手指上设置多个关节，具有对目标物体进行仿形接触和抓持的可能性，扩大了抓持范围，能够提高抓持的稳定性和可靠性。

软体多指抓持手在抓取物体时可根据物体形状更自然妥帖地调整形态，在操作易碎品或不规则物体(如鸡蛋、蔬果、个性化零件等)方面具有优势。

多指灵巧手

机器人多指灵巧手的研究始于 20 世纪 70 年代，一共经历了三个阶段：

第一阶段是从 20 世纪 70 年代——20 世纪 90 年代。这一阶段有 3 款典型代表产品，分别是日本的 Okada、美国的 Stanford/JPL 和 Utah/MIT。这三只灵巧手是研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。 1）1974 年日本“电子技术实验室”成功研制了 Okada 灵巧手，它有 3 根手指和 1 个手掌，拇指有 3 个自由度，另外两根手指各有 4 个自由度。手指的每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，可以完成螺栓拧进螺母等操作。 2）20世纪80年代初美国斯坦福大学成功研制了Stanford/JPL灵巧手，该手有3个手指，每指有 3 自由度，手指使用 n+1 腱(n 个手指)设计，即每个手指采用 4 条腱绳传递运动和动力，整手使用 12 个直流伺服电机作为关节驱动器。与 Okada 相比， Stanford/JPL 手的灵活性有较大的改善，但其控制系统也更为复杂。 3）1982 年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了 Utah/MIT 灵巧手，该手具有 4 个手指，每个手指有 4 个自由度，采用 2n 腱（n 个手指）传动设计，整手共 32 个驱动器。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指，都连接手掌且相对于手掌进行运动。

第二阶段是从 20 世纪 90 年代到 2010 年。受益嵌入式硬件的发展，这一阶段的多指灵巧手有着更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。例如：1）美国研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手 Robonaut hand，由 1 个手腕和 5 个手指组成，共 14 个自由度，由于使用了腱绳张力传感器，整手的运动控制更加准确。 2）德国宇航中心先后研制成功了 DLR-Ⅰ和 DLR-Ⅱ灵巧手，共集成了 25 个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，灵巧手在灵活性和感知能力方面有显著提升。 3）意大利 IIT 研制的 iCub 灵巧手集成了 12 个触觉传感器，48 个压力传感器和 17 个位置传感器以实现灵巧的操作和丰富的感知能力，系统集成度的提高和感知能力的丰富使得多指手在操作时更加灵巧。

第三阶段是从 2010 年至今。第二阶段高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是系统的复杂性导致制造成本较高，并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此，简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的一个重要方向。例如，立命馆大学设计的 Ritsumeikan Hand、以及 HERI Hand、SPRING hand 等灵巧手采用了欠驱动（驱动器数量少于手指关节自由度）的结构设计实现了系统简化。欠驱动手虽然以简化的系统实现了抓取任务，但是由于欠驱动自身特性使得操作能力受到限制，所以目前灵巧手难以同时具备鲁棒性和功能性。

2.机器人灵巧手有哪些类型？

机器人灵巧手在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上存在较大区别，这主要是因为灵巧手采用的驱动系统不同。灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。灵巧手在驱动器位置、驱动器类型、传动方式方面存在多种方案，据此可将灵巧手分为若干种类型。

2.1 根据灵巧手驱动器位置划分

灵巧手可根据驱动器位置分为驱动器内置式、驱动器外置式和驱动器混合置式灵巧手。

驱动器外置

驱动器外置灵巧手有两个优点：第一，驱动器外置使得机械手本体的设计可以在足够的空间内展开，从而使得灵巧手的外观设计更加拟人化，手指本体更加纤细。第二，驱动器选型可以更加自由，可以采用更大的驱动电机，从而增大手指的输出力。驱动器外置灵巧手的典型代表产品包括美国的 DARPA Extrinsic 灵巧手、NASA（美国宇航中心）和 GM(通用公司)联合研制的 Robonaut 2 灵巧手。 DARPA Extrinsic 灵巧手由美国国防部研制，该手具有 5 个手指，其电机和传动系统都集成在前臂，被称为 Cobot。前臂 Cobot 由 1 个 30W 的动力电机和 15 个操纵电机组成。动力电机是 Cobot 的主驱动元件，沿该电机的输出轴布置着 5 个圆盘，每个圆盘内都集成有 3 个 CVT 装置。CVT 装置由操纵电机、位置传感器、动力传动球、操纵辊和同步齿轮组成的，能够根据需要调整转矩和速度。 Robonaut 2 是 NASA 和 GM 联合研制的灵巧手，该手有 18 个活动关节、12 个自由度，手与腕部的所有电机和电路以及电源线和来自上臂的通讯都集成在前臂内，其中，电源线有 6 根。手的有效负载超过 9kg，手指在充分伸展时可以承受 2.25kg 的指尖力，指尖速度超过 200mm/s。

驱动器外置灵巧手也有两个缺点：（1）驱动器与手本体之间距离远，必须借助腱实现两者的连接，传感器获得信息并不能反映灵巧手手指关节位置和关节驱动力，增加了控制器设计的难度。（2）可维护性差，当某跟腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。

驱动器内置

相比驱动器外置，驱动器内置式灵巧手各关节具有较好的刚性，更利于传感器的直接测量，且模块化设计利于更换维护。但是驱动器的内置分布让通信和控制难度加大，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大，关节灵活度下降。驱动器内置式灵巧手典型代表产品包括德国宇航中心(DLR)于 2011 研制的面向空间应用的多指灵巧手 Dexhand，以及哈尔滨工业大学和 DLR 公司研制的 DLR/HIT II。德国宇航中心研制的 DLR/HIT II 灵巧手为了应对复杂的空间环境，将驱动器及电气系统都集中在手掌内，并通过 2mm 厚的铝质外壳来屏蔽电磁干扰，降低温度影响。 DLR/HIT II 灵巧手尺寸为人手的 1.5-2 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。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。

驱动器混合置

部分灵巧手采用驱动器外置和内置相结合的方式，这种设计可以提高手指的输出力矩，保证较高自由度的同时，控制体积大小。例如意大利的 iCub 和韩国的 RoboRay 灵巧手。意大利 iCub 灵巧手有 20 个活动关节、9 个自由度。9 个电机只有 2 个集成在手掌内，另外 7 个集成在前臂里。韩国三星公司 2014 年研制了 RoboRay 灵巧手，该手具有五根手指，12 个自由度，7 个大载荷的驱动器放置在前臂内，提供主要的抓取力，实现包络抓取，并将 5 个小载荷的驱动器放置在手掌内，用来改变手指姿态，实现精确抓取。

混合置式灵巧手将一部分驱动器放在手臂，既保证了驱动力，也降低了灵巧手本体的体积，使得灵巧手更加拟人化。同时，灵巧手本体内置一部分驱动器，也有利于传感器的直接测量。但另一方面，混合置灵巧手仍然具有外置式的缺点，例如需要借助腱绳传动，增加了维修难度。从未来的发展趋势上看，随着微驱动、微传动器件技术提升，多指灵巧手的研究将会向着模块化、微机电集成化方向发展。

2.2 根据灵巧手驱动器类型划分

常见的灵巧手驱动器包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动。其中，电机驱动为主要驱动方式。

电机驱动

电机驱动是利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动工业机械手，以获得所需的位置、速度、加速度。电机驱动是技术较为成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手所采用。电机驱动的灵巧手的驱动形式可以分为旋转型驱动和直线型驱动。采用旋转型驱动的灵巧手以 Stanford／JPL 手为代表，其驱动系统由直流电机和齿轮减速机构组成，因而体积较大，驱动系统只能放在手掌部位，通过腱进行手指关节的远距离驱动。

近年来，微型驱动器和减速器的发展为手指驱动系统的微型化和集成化创造了条件。例如，德国的 DLR 灵巧手采用直线型驱动器来驱动关节，其直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机都集成在灵巧手内部。该灵巧手采用了模块化的设计思想，由四根完全相同的手指组成，每根手指有 4 个关节，3 个自由度，末端的 2 个关节仿照人手设计成 1:1 的耦合运动。

气压/液压驱动

气压/液压驱动灵巧手的工作原理是通过动力元件推动工作介质(液体或气体)在缸体内产生压力差而驱动执行元件，与其他驱动方式相比，液压和气压驱动具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点。

气压驱动

气压驱动灵巧手的典型代表有德国 Festo 公司的气动灵巧手、上海交大联合 MIT 开发的气动灵巧手等。以德国 Festo 灵巧手为例，该手采用柔性硅胶和气动波纹管材料作为手骨骼框架，具有极强的柔顺性和安全性。当波纹管构成的密闭空间内充满气体时，在压力差的作用下波纹管发生形变使手指产生弯曲运动；反之，当气体从波纹管构成的密闭空间内排除时，手指恢复初始伸展状态。此外，拇指和食指还具备特殊的气动单元结构使其不仅能够实现伸屈运动还可横向移动，同时通过合理的布局和结构设计，整个灵巧手的 12 个自由度仅由 8 个气动制动器就能完成驱动。这种气压驱动的仿生灵巧手存在两方面不足：（1）由于气压的控制相对较难导致灵巧手运动过程中会出现不平稳的情况；（2）气压驱动的相关驱动元件体积较大，不便于实现机械和驱动单元的集成化设计。

液压驱动

在气压驱动的启发下，Stefan Schulz 等人研制出微液压驱动的仿生灵巧手。该仿生灵巧手共有 8 个关节，关节处集成有柔性流体执行器，执行器由集成在手掌内部的微型液压系统进行驱动。当充液时，手指关节处的柔性流体执行器会产生压力差从而驱动手指关节产生弯曲运动。当放液时，柔性流体执行器内的压强减小，此时手指关节在关节处嵌入扭簧产生的扭力作用下恢复到初始的状态。

液压驱动设计存在以下 3 点不足：（1）与气压驱动类似，液压驱动依然会存在运动不平稳现象，导致仿生灵巧手无法进行手指位置的精确控制；（2）将液压驱动元件集成到手指指体结构中造成手指结构冗杂，影响灵巧手的抓握性能。（3）液压系统集成在手掌内部，高度集成化、轻量化的设计，导致灵巧手的抓握输出力较小。

SMA（形状记忆合金）驱动

形状记忆合金是一种能记住自身形状的一种合金，当其发生永久变形后，若加热到某一温变形前的形状，具有驱动速度快、负载能力强等优势，但与其他金属一样，存在疲劳和寿命问题。日本在 1984 年成功研制了 Hitachi 手，该手由 3 个 4 自由度手指和 1 个拇指构成，采用了形状记忆合金（SMA）驱动。国内中国计量大学等也有相关研究，研发出了基于形状记忆合金的三指灵巧手，通过增加 SMA 的使用量来实现较大驱动位移输出。

综合比较四种驱动器类型，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。

例如，思灵机器人 20 年推出的五指灵巧手 Dexterity Hand、因时机器人 21 年推出的五指灵巧手 RH56DFX 系列，以及 22 年特斯拉推出的 Optimus 均采用电机驱动方案。

2.3 根据灵巧手传动方式划分

机器人灵巧手抓取的稳定性和灵活性指标主要取决于传动系统，按照传动方式不同，可将灵巧手分为腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动等类型：

腱传动

腱传动是最常用的灵巧手驱动方式，其工作原理为：置于灵巧手前臂中的电机通过齿轮箱驱动滚珠丝杠，通过滚珠丝杠上的螺母把转动变为平动，腱绳形成一个腱环套在螺母上，螺母拉动连接在灵巧手手指指骨上的腱绳，实现手指绕关节轴的转动运动。其中为了引导腱绳的走线，避免腱绳之间的干扰，一般采用腱绳外包裹导管的形式。

腱传动的优点较多，主要包括：（1）可以使驱动器和手指本体分离，对手指关节进行远距离驱动，从而减小手指的尺寸和质量；（2）结构紧凑、研制灵活、成本低；（3）腱传动使一种零回差的柔顺传动方式，可以简化力控制器的设计。其缺点在于控制精度不高、抓取力不大，腱绳需要额外的张紧装置、易磨损。综合来看，腱传动优势较为明显，为大部分灵巧手所采用。例如 Utah/MIT、CEA dexterous、 PISA/IIT Soft、DLR_Hand Arm System，以及商用化的 shadow hand 等都采用腱绳驱动。

Utah/MIT 手由麻省理工学院和犹他大学于 1980 年联合研制，该手 4 个手指完全相同，每个手指都连接到手掌并且相对于手掌进行运动。该手采用气动伺服缸作为手指关节的驱动元件，通过腱和滑轮实现远距离传动。为达到最大的操作度，该手采用了 2N 型腱驱动系统，每个关节通过一对运动方向相反的腱进行驱动。

CEA dexterous 灵巧手由西班牙国防中心大学与法国交互式机器人实验室于 2014 年设计，该灵巧手采用了腱传动，其特点在于三轴单元位于手指 MP 关节处，通过巧妙地引导腱绳穿过 MP 关节，避免了腱绳之间的耦合运动，使得每个驱动器可以独立地驱动 1 个自由度，降低了控制难度。

Shadow Hand 灵巧手由英国 Shadow 公司于 2004 年研制，由灵巧手本体和 2 个自由度的手腕组成。该手采用腱绳驱动，所有驱动器放置在灵巧手外，有效减小了灵巧手本身的尺寸。

连杆传动

灵巧手可以采用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩，以一个手指为例，其工作原理为：手的指尖、二指节、三指节为不同形状的三角形连杆，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。其优点在于：第一，连杆传动由于连杆机构的刚度大，易于实现强力抓取物体，并且迟滞性较低，传动精确，易于达到较高的动态响应。第二，除拇指单独驱动之外，其余四指可以由一个电机共同驱动，降低了购买电机所带来的成本。其缺点包括：第一，传动机构较为复杂，对零部件的制造精度要求高。第二，柔性较差，灵巧手在抓握不规则形状物体时的包络性和自适应性较差。第三，拟人性不足，受机械机构的限制，手指小型化和拟人化的实现较为困难。

采用连杆传动的代表案例有韩国科学技术研究院开发的 KIST Hand 灵巧手和 Panipat Wattanasiri 团队研发的仿生灵巧手。 KIST Hand 由韩国科学技术研究院开发，该手的基关节运动由 2UPS-RR 并联机构实现，手指的运动由耦合连杆实现。 Panipat Wattanasiri 团队研发的仿生灵巧手采用曲柄滑块连杆机构，每根手指各有一个伸曲自由度。整个仿生灵巧手的 6 个自由度运动通过凸轮滑块机构进行耦合，实现仅通过集成在手掌中部的单个直流无刷电机进行驱动。

齿轮/蜗轮蜗杆传动

齿轮/蜗轮蜗杆传动工作原理为：驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形。和其他传动方式相比，齿轮传动的优点是能进行精确传动，传递效率高、稳定性好。但另一方面，齿轮传动存在结构相对复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。并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，较大限制了齿轮链传动机构的应用。

例如：哈工大(HIT)联合德国宇航中心(DLR)共同研发的HIT/DLR-I灵巧手，该手有4根手指，每根手指具备 3 自由度，选取齿轮以及连杆传动，指尖关节为连杆耦合，伞齿轮组成的差动机构耦合则来完成基关节的 2 个自由度。北航研制的 BH-985 灵巧手，该手共有 5 个手指和 1 个手掌，每个手指有 3 个关节，驱动电机置于手掌内，通过齿轮传动将动力传输到各个关节。

3.灵巧手未来有哪些发展方向？

3.1 方向 1：内置微型驱动器

驱动器外置式灵巧手便于安装较大功率的驱动电机，但一般需要借助腱绳连接灵巧手本体和电机，设计和维修难度加大。如果内置驱动器，虽然利于传感器直接测量，方便维修，但往往导致手指尺寸较大，关节灵活度下降。因此，在手掌或者手指安装微型驱动器是灵巧手未来发展的一个重要方向。在内置微型驱动力领域，代表产品是因时机器人灵巧手。因时是国内机器人核心零部件及末端执行器供应商，其微型伺服电缸体积小，采用驱控一体化设计，功率密度高，精度达 ±0.02mm。因时机器人灵巧手内部装有 6 个小型伺服驱动器，集成无刷电机、行星减速机、直线导轨、绝对位置检测传感器和力传感器，除大拇指拥有 2 个驱动器外，其余四指各配备 1 个驱动器。因时机器人灵巧手将微型驱动器等部件置于手掌内部，在控制灵巧手体积的同时，也利于传感器直接测量，方便维修，预计将成为未来灵巧手设计的重要方向。

3.2 方向 2：多感知功能融合

机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器包括力、位置、速度、加速度等传感器，主要用于感知机器人自身状态，以实现自身动态平衡等。外部传感器包括视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器，用于感知外部环境，如障碍物的位置远近、形状颜色、接触受力情况等。

力传感器和位置传感器可以帮助灵巧手完成抓取作业任务，触觉传感器能够检测灵巧手与被操作物体的接触状态、位置和被操作物体的物理特征，并根据这些物理特征实现对操作物体的目标识别。因此，多感知能力融合是提高机器人灵巧手精细抓取能力和智能化水平的重要因素，也是未来灵巧手发展的另一重要方向。例如，2023 年 4 月，腾讯 Robotics X 实验室推出自研机器人灵巧手 TRX-Hand。该手在指尖、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，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。此外，腾讯 Robotics X 实验室对不同传感器进行了建模与标定，采用多传感器信息融合技术，使机器人能在各种操作任务中更全面及时地感知物体信息、自身运动状态以及与环境的物理交互，从而更可靠地完成任务。

3.3 方向 3：多自由度

人手食指、中指、无名指和小拇指各有 3 个弯曲/伸展自由度，在指根关节各有 1 个外展/ 并拢自由度，共 16 个自由度。大拇指有 5 个自由度，具体可分为弯曲/伸展自由度、外展 /并拢自由度和旋转自由度，合计共 21 个自由度。这种多自由度的特点使人手能够灵活的完成各种抓握任务以及精细复杂的操作。

类似人手，自由度是多指灵巧手灵巧度的决定因素，提升自由度是未来灵巧手的又一发展方向。该方向的代表案例是英国 shadow 公司研制的 shadow hand，该手本体具有 18 个自由度，数目接近人手。其中，拇指具有 5 个自由度，其余四根手指皆具有 3 个自由度，小拇指根部有 1 个对掌自由度。这些自由度意味着每根手指可以独立地外展、内收，从而进行多种精巧的手部动作。对掌自由度又使得拇指可以与小指相对，赋予了该手更多类似人手的运动方式。较高的自由度不仅使其可以进行 24 种运动，也便于其适应对于各种物体的抓握与操作。此外，该手腕部还具有 2 个自由度，更增强了其灵活性。

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