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【靈巧堪比人手？廣東工業(yè)大學(xué)團隊提出新型模塊化剛?cè)狁詈戏氯耸帧?/strong>

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人如果沒有了雙手 ， 將會面臨怎樣的挑戰(zhàn)？


基本生活技能嚴重受限、溝通能力下降、工作能力手續(xù)先、創(chuàng)造力受限……


靈巧雙手作為人體中功能最多的器官之一 ， 不僅是人類使用工具的重要基礎(chǔ) ， 更為人類提供了適應(yīng)環(huán)境和制造工具的能力 。


對于人形機器人而言 ， 亦是如此 。


仿人多指手作為人形機器人的關(guān)鍵組成部分 ， 不僅可提升機器人的交互體驗 ， 還能增強其功能性 ， 助力機器人完成各種復(fù)雜任務(wù) 。


近兩年 ， 得益于人形機器人的飛速發(fā)展 ， 仿人多指手的研究也逐漸成為行業(yè)熱點 ， 受到頗多關(guān)注 。


那么 ， 仿人多指手的研究進度究竟是處于何種程度呢 ， 又是否能夠做到像人手一樣靈巧？


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人手擁有27塊骨頭、34個關(guān)節(jié)和100多塊肌肉 。 得益于這一復(fù)雜的骨骼和肌肉系統(tǒng) ， 人手能夠進行穿針引線等各種精細和復(fù)雜的動作 。


然而 ， 對于仿人多指手而言 ， 過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅會增加成本 ， 不利于大規(guī)模應(yīng)用和商業(yè)化 。 同時 ， 結(jié)構(gòu)越復(fù)雜可能出故障的點也就越多 ， 會影響到其可靠性和耐用性 ， 并帶來后續(xù)的制作材料、制作工藝、制作成本和后續(xù)維護等一系列問題 。 此外 ， 仿人多指手的設(shè)計還需考慮人形機器人手臂的承重能力以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的能效比問題 。


因此 ， 模仿人手的簡易性與功能性之間的矛盾 ， 成為仿人多指手研究設(shè)計與實際應(yīng)用中的核心問題 。


一般來說 ， 仿人多指手的主要包括剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)兩大類別 。





剛性結(jié)構(gòu)下的人形多指手可以模仿人手的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能 ， 其構(gòu)造簡單、成本低 ， 耐用 ， 需要的維護較少 。 也因此 ， 傳統(tǒng)的仿人多指手主體結(jié)構(gòu)多為剛性結(jié)構(gòu) 。 該結(jié)構(gòu)的仿人多指手多采用傳統(tǒng)的電機、氣缸、液壓缸等作為驅(qū)動器 ， 通過齒輪、帶輪、連桿、傳動軸等一系列復(fù)雜的傳動系統(tǒng)對仿人指關(guān)節(jié)施加驅(qū)動力 ， 實現(xiàn)指關(guān)節(jié)的長距離驅(qū)動 。 這種剛性結(jié)構(gòu)的多指手雖然功能強大 ， 但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對外界環(huán)境的適應(yīng)性差、安全性不高等缺點 ， 在實際應(yīng)用中往往需要復(fù)雜的驅(qū)動控制 。





柔性結(jié)構(gòu)的仿人多指手則能夠模擬人手的自然運動和抓握方式 ， 提供更廣泛的運動范圍和更精細的操作能力 ， 并與人類協(xié)作 ， 減少意外傷害的風(fēng)險 。 例如 ， 柔性仿生手指關(guān)節(jié)的觸覺力/角度感知能力 ， 可以完全貼合載體 ， 同時實現(xiàn)手指指尖觸覺力和關(guān)節(jié)角度兩個物理量測量 。 該結(jié)構(gòu)下的柔性仿生手通常使用柔性材料 ， 并集成有柔性傳感器 ， 這些傳感器能夠檢測輕微的觸摸和壓力變化 ， 提供類似于人類觸覺的感知能力 。 但柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)雜性大大提升 ， 成本也顯著增長 ， 且柔性材料的集成和控制更具挑戰(zhàn)性 ， 需要更頻繁的檢查和維護以確保其性能 。


如何平衡制作材料的剛性和柔性之間的矛盾亦然已成為仿人多指手研究設(shè)計與實際應(yīng)用中的另一個重要課題 。


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針對以上兩個問題 ， 此前曾有多個科研團隊積極探索剛?cè)峤Y(jié)合的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ， 并提出了一種“將柔性關(guān)節(jié)與剛性關(guān)節(jié)巧妙結(jié)合的剛?cè)狁詈鲜种浮钡膭?chuàng)新方案 ， 以克服傳統(tǒng)設(shè)計的局限性 ， 在兩者之間達到理想的平衡狀態(tài) 。


例如 ， 為了降低柔性關(guān)節(jié)的彎曲剛度 ， 有研究團隊創(chuàng)新性提出了一種由矩形和波浪形圓形柔性關(guān)節(jié)構(gòu)成的復(fù)合手指結(jié)構(gòu) 。 這一設(shè)計雖在理念上頗具創(chuàng)新 ， 但在材料選擇與結(jié)構(gòu)優(yōu)化層面仍存在不足 ， 且柔性關(guān)節(jié)的變形能力也相當(dāng)有限 ， 這限制了其廣泛應(yīng)用 。





此外 ， 也有團隊提出了另一種采用氣動技術(shù)增強軟執(zhí)行器剛度的方法 。 這一方法通過精確調(diào)控填充腔體粒子結(jié)構(gòu)與加壓方式 ， 實現(xiàn)了軟結(jié)構(gòu)剛度在一定范圍內(nèi)的靈活調(diào)整 ， 為軟體機器人的發(fā)展開辟了新路徑 。


但值得注意的是 ， 以往關(guān)于剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)的研究大多聚焦于新設(shè)計方法的提出 ， 并依賴商業(yè)有限元軟件進行初步的靜力學(xué)分析與模擬驗證 ， 忽視了理論模型在實際工程環(huán)境中的深入剖析 。 以剛?cè)狁詈献ト槔?， 多數(shù)研究僅側(cè)重于欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)與抓取對象間理論模型的構(gòu)建 ， 缺乏與實踐的緊密結(jié)合 。





對此 ， 來自廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院仿生與智能機器人實驗室與廣東富力盛仿生機器人有限公司的研究人員強強聯(lián)合 ， 從仿生學(xué)角度出發(fā) ， 對剛?cè)狁詈戏律嘀甘纸Y(jié)構(gòu)進行設(shè)計 ， 并提出了一種集手指與手掌于一體的新型模塊化剛?cè)狁詈戏氯硕嘀甘?， 可通過剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)中的柔性關(guān)節(jié)發(fā)生顯著變形來實現(xiàn)動作 。


該設(shè)計不僅模仿了真實人手的尺寸 ， 還基于梁約束模型理論 ， 構(gòu)建了鏈式剛?cè)崾种附Y(jié)構(gòu)的力學(xué)模型 ， 充分考慮了纜繩摩擦力對系統(tǒng)性能的影響 ， 實現(xiàn)了對繩驅(qū)動剛?cè)狁詈鲜种傅木珳史治?。 為驗證所建力學(xué)模型的準確性 ， 研究團隊開展了一系列有限元仿真與實物試驗 ， 就該模型的可靠性進行驗證 。


此外 ， 他們還全面評估了剛?cè)狁詈戏律值母黜椥阅苤笜?biāo) ， 包括最大屈曲幅度、最大屈曲力以及實際抓取能力 ， 充分展示了所提設(shè)計方法的可行性與高效性 ， 為機械手在柔性作業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極具潛力的替代方案 。


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研究團隊提出新型人形手設(shè)計 ， 不僅在結(jié)構(gòu)上模擬了人手的復(fù)雜動作 ， 還在材料與控制系統(tǒng)上實現(xiàn)了高度的創(chuàng)新與集成 。


具體來說 ， 其手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計融合了剛性和柔性材料 ， 通過柔性關(guān)節(jié)與剛性指骨的結(jié)合 ， 實現(xiàn)了類似人類手指的屈曲運動 。 手指關(guān)節(jié)長度設(shè)定為5至6毫米 ， 不僅遵循了人手的解剖學(xué)尺寸 ， 而且通過線纜驅(qū)動手掌基座電機的方式 ， 實現(xiàn)了單個自由度的精確控制 。 食指、中指及無名指在形狀和尺寸上保持一致 ， 以便于模塊化組裝 ， 而尾指則略小以適應(yīng)其功能需求 。 拇指則擁有兩個自由度 ， 模擬了復(fù)雜的屈曲運動及腕掌關(guān)節(jié)（CMC關(guān)節(jié)）的功能 。



剛?cè)峤Y(jié)合的手指示意結(jié)構(gòu) ， 包括食指（a）和拇指（b） 。


手掌的設(shè)計包括掌根、掌前殼與掌背殼 ， 亦均按照實際人手的位置布局進行設(shè)計 ， 確保各手指能在掌心合理擺放 。



人形多指手的手掌 。 （a）3D模型；（b）實際組裝圖 。


在材料選擇上 ， 研究團隊采用了兩種可3D打印材料：剛性部分選用了高剛度、不易變形的熱塑性聚乳酸材料；而柔性部分則采用了彈性好、恢復(fù)性強的熱塑性聚氨酯材料 ， 其肖氏硬度為85A ， 彈性模量介于20至26MPa之間 。 這種材料組合不僅便于制造 ， 還能有效模擬人手的力學(xué)特性 。



人形手的控制系統(tǒng) 。


控制系統(tǒng)則緊密集成于手掌內(nèi)部 ， 電路板尺寸與手掌完美匹配并固定其中 。 通過專用驅(qū)動模塊控制六個直流齒輪電機的運動 ， 同時利用傳感器模塊監(jiān)測電機的速度、位置和電流信息 ， 由微控制器進行數(shù)據(jù)處理 。 此外 ， 為了提升交互式控制的便捷性 ， 研究團隊還開發(fā)了主機軟件 ， 該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)主機與微控制器間的通信 ， 實時顯示每個手指的運動狀態(tài) ， 并傳輸控制指令 。


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為了證明線纜驅(qū)動的剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的可靠性和準確性 ， 研究團隊以梁約束模型為基礎(chǔ) ， 采用了串聯(lián)的鐵木辛柯梁約束模型來分析柔性關(guān)節(jié)的變形 ， 并作為表示剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)的合適框架 。


A. 機械建模
研究團隊為剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)引入了數(shù)學(xué)模型 ， 該模型基于靜態(tài)分析的串聯(lián)鐵木辛柯梁模型 。 與傳統(tǒng)串聯(lián)梁結(jié)構(gòu)不同 ， 研究團隊的設(shè)計在每對梁元素間引入了剛性指骨 ， 形成了鏈條結(jié)構(gòu) 。 每個部分都包含一個梁元素和一個剛體元素 。 通過離散化手指結(jié)構(gòu)為多個端到端連接的耦合單元 ， 并結(jié)合串聯(lián)梁模型 ， 研究團隊可以系統(tǒng)地求解剛?cè)狁詈鲜种冈诓煌d荷下的數(shù)學(xué)模型 。



剛?cè)釂卧逆準搅杭s束模型 。


B. 力學(xué)分析
考慮到線纜驅(qū)動和摩擦對剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)的影響 ， 研究團隊將數(shù)學(xué)模型與線纜驅(qū)動條件下的力分析相結(jié)合 。 通過整合公式與線纜絞盤方程 ， 研究團隊可以確定線纜對剛性指骨的力傳遞到梁元素末端時產(chǎn)生的力矩 。



靜態(tài)分析 。 (a)電纜在手指中的受力分析；(b)電纜進出端方向分析 。


C. 仿真驗證
利用Abaqus有限元軟件對剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)進行仿真計算 ， 研究團隊就數(shù)學(xué)模型的準確性進行了驗證 。 仿真涉及對不同數(shù)量的剛?cè)狁詈显剡M行有限元分析 ， 并在不同線纜驅(qū)動力的影響下進行 。


D. 實驗驗證
為了進一步驗證數(shù)學(xué)模型的準確性 ， 研究團隊建立了實驗平臺 ， 對線纜驅(qū)動的剛?cè)狁詈鲜种附Y(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)比較和驗證 。 實驗過程中 ， 記錄了不同線纜驅(qū)動力下手指結(jié)構(gòu)的變形運動信息 ， 并與數(shù)學(xué)模型和有限元仿真計算進行了對比 。 通過分析指尖點的距離誤差 ， 證明了所建立的數(shù)學(xué)模型具有高精度和良好的準確性 。 誤差來源主要包括柔性材料的非線性超彈性、線纜驅(qū)動過程中的非線性摩擦以及3D打印制造工藝的不穩(wěn)定性 。



索驅(qū)動剛?cè)崾种笇嶒炂脚_ 。


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為了全面評估剛?cè)狁詈戏律值母黜椥阅苤笜?biāo) ， 研究團隊還進行了一系列實驗 。


A. 基礎(chǔ)性能測試
剛性-柔性耦合手指結(jié)構(gòu)的性能與所使用的線纜驅(qū)動直流齒輪電機的性能密切相關(guān) 。 實驗中 ， 研究人員將電機設(shè)置在特定條件下工作：負載轉(zhuǎn)速65轉(zhuǎn)/分鐘 ， 工作電壓12伏 ， 堵轉(zhuǎn)電流0.5安 ， 平均扭矩0.3牛·米 。



剛性-柔性手指性能測試：(a) 最大彎曲；(b) 按壓力測試 。


測試顯示 ， 手指結(jié)構(gòu)在進行最大范圍彎曲時 ， 需約8.6牛的最大彎曲張力 。 此外 ， 通過電機驅(qū)動 ， 研究團隊還對手指結(jié)構(gòu)進行了基礎(chǔ)性能測試 。 上圖(a)展示了手指的最大彎曲狀態(tài) ， 此時 ， 近端、中端和遠端柔性關(guān)節(jié)均可彎曲超過90度 。 同時 ， 使用數(shù)字張力計評估了手指的最大按壓力 ， 上圖(b)所示 。 在初始彎曲狀態(tài)下 ， 電機通過線纜在手指末端施加壓力 ， 五次測試的平均壓力約為15.6牛 。。


B.抓取實驗



戴手套的人形手（左）與人類手（右）的對比圖 。


研究團隊還對人形手進行了抓取實驗 。 為了增加摩擦力 ， 在實驗前 ， 研究人員給人形手戴上了手套 。 上圖展示了戴手套的假肢手與人類手的對比 。 從下圖可以看出 ， 研究團隊所設(shè)計的剛?cè)狁詈先诵问帜軌蚧就瓿筛鞣N抓取分類測試 ， 這表明它在一定程度上能模仿人類手的抓取功能 ， 并具備抓取日常物品的能力 。



人形手的抓取實驗 。