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发信人: Maxwell (Maxwell), 信区: SME
标  题: “联盟杯”机器人技术每日一贴--多指灵巧手
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Fri Mar 10 20:31:19 2006)

　
        　　　飞速发展的机器人灵巧手技术

　　哈工大报讯（刘宏　姜力）1921年，捷克作家卡雷尔·查普克在他的讽刺剧“鲁世慕
的万能机器人”中首次提出了机器人一词。几十年来，机器人的概念和应用已经从科幻电
影的素材发展为广泛应用于各领域的计算机控制的机电装置。
　　末端执行器是机器人的重要构成部件，人们最初采用单自由度夹持器完成一些简单操
作，如焊接、喷漆、装配等，但是这种夹持器功能单一、缺少灵活性，只能针对特定的任
务进行设计。在这种情况下，出于拟人化的想象，多关节多手指的灵巧手成为机器人末端
执行器的发展趋势。几十年来，美国、德国、日本等研制成功了几十种灵巧手，我国虽然
起步较晚，但是发展很快。我校在2001年研制成功了我国第一个具有多种感知功能的仿人
机器人灵巧手；并且和德国宇航中心合作，在2003年研制成功了尺寸更小、集成化程度更
高的新型仿人手。这标志着我国在机器人灵巧手领域的研究已经达到了国际先进水平。
    灵巧手技术的发展经历了4个阶段。（1）早期阶段。多指手最先是从假肢开始的。15
09年，人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手。这只
假手在战斗中发挥了重要的作用，但是在生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们
又相继研究了许多假手，有些假手至今仍在使用。Chilidress将这些手分为装饰型、被动
型、身体驱动型和外部动力型四种，其中动力型手从1920年开始流行，从30年代开始得到
广泛的应用。（2）初期阶段。Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前
南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的，它被认为是世界上最早的灵巧手。从20世纪70年代
开始，国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手，
可以完成将螺栓拧进螺母之类的操作，它是初期灵巧手的典型代表。（3）中期阶段。20世
纪80年代以来，灵巧手进入了一个快速发展时期，一批著名的灵巧手相继问世。如美国麻
省理工学院和犹他大学1980年联合研制成功的Utah/MIT手、美国斯坦福大学研制的Stanfo
rd/JPL手(又称Salisbury手)等，这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。（4）20
世纪90年代以后，以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃，典
型代表是意大利研制的DIST手和UB手、德国宇航中心研制的两代DLR手以及美国宇航局研制的NASA
手等。利用相关领域的成果，这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平，标志着灵巧手
的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。
　　机器人灵巧手是一个高度集成化、多种感知功能、智能化的机电系统，涉及机械、电
子、计算机、控制等多个学科领域。灵巧手的关键技术包括驱动、传感和操作等几个方面
。
由于驱动器尺寸的限制，早期和中期的灵巧手难以把驱动器放置在手指中，最普遍的驱动
方式是利用腱把驱动器的运动和动力传递到相应关节。这种模拟人手关节驱动机理的方式
可以实现手指的远距离驱动，减小系统的体积和重量，但是使手指的运动学和动力学关系
复杂，影响手指的操作性能。近年来，随着微型电机和减速装置的不断出现，将驱动器集
成在灵巧手本体中已经成为可能。德国的DLR HAND II、哈工大与德国宇航中心的HIT/DLR
手就是集驱动和本体为一体的高度集成化的灵巧手。
    灵巧手完成各种智能化灵巧操作的前提是手指必须具有丰富的感知功能，关节位置和
力矩传感器是最常见的灵巧手传感系统配置。随着微机械加工和微电子学的发展，各种微
型化集成化的传感器相继出现，如：用于测量手指尖和物体接触力的微型多维指尖力/力矩
传感器、类似于人手皮肤的各种机理的触觉传感器和滑觉传感器等。这些传感器可以提供
多指手的多种感觉信息，利用多传感器信息的融合，可以实现人手的智能化自主控制。
    多指灵巧手与物体的接触点较多，采用适当的抓握方式和抓取规划算法，从理论上可
以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力，从而在不需要更换末端执行器的
情况下，对各种复杂形状的物体进行高精度、稳定和可靠的抓握。目前，灵巧手的操作主
要有自主操作和遥操作两种方式。自主操作是指没有人的干预下，灵巧手系统利用多传感
信息感知自身和环境的状态，通过抓取规划和多指协调实现物体的全自主抓取和操作。自
主操作对抓取规划和协调理论、传感器和微处理器有非常高的要求，因此目前大多停留在
仿真阶段，遥操作是应用最广泛的灵巧手操作方式。遥操作就是人通过某种设备给出多指
手的期望位置和速度等，通过控制系统使多指手跟踪这些给定值，从而在人的控制下使灵
巧手完成具体作业任务。近年来，将自主操作和遥操作两种方式进行局部融合，实现具有
局部自主功能的遥操作成为灵巧手操作的一个主要研究趋势。对于灵巧手来说，数据手套
是最常用的遥操作设备。在数据手套内部装有关节位置传感器，当操作者戴着数据手套运
动时，从数据手套控制器可以输出手指各关节的位置信息。然后通过网络将这些信息传给
灵巧手控制系统，于是灵巧手就跟踪人手的运动从而完成相应的远程遥控作业。在1998年
的德国汉诺威国际工业博览会上，德国宇航中心利用数据手套成功实现了从汉诺威到慕尼黑的灵巧�
衷冻桃？胤褡饕怠Ｎ倚Ｍü菔痔资迪至薍IT手的远程操作，完成了倒水、拉抽屉等
作业。
　　随着灵巧手技术的发展和成熟，应用范围越来越广，从地面到航天，从军用、工业用
到人们的日常生活，都有灵巧手的用武之地。
　　不久以前，我国第一次载人航天取得了圆满成功，实现了中华民族几千年的飞天梦想
，空间站和空间实验室将是我国载人航天的下一个主要目标。航天员在太空环境下进行各
种舱内和舱外作业是非常危险的，同时需要很复杂的准备工作，用机器人航天员代替人类
航天员完成舱外作业具有非常重要的意义。人类航天员可以利用具有触觉和视觉反馈的遥
操作系统遥控机器人航天员的工作，并且直观地观察和感受任务环境的各种信息。在机器
人航天员系统中，灵巧手的作用更加突出，它能够操作常用的舱外作业工具，抓握形状不
规则的物体并处理很多需要人类灵巧性才能完成的任务。加拿大宇航局研制成功了具有特
殊目标的灵巧操作器SPDM(Special Purpose Dexterous Manipulator)，德国宇航中心(DL
R)和美国宇航局(NASA)正在研制双手双臂的机器人航天员系统。
　　由于交通事故、工伤和疾病等原因，近年来残疾人，特别是肢体残疾者的数量逐渐增
加，这是一个世界范围内的问题。因此，功能完善、外型美观、重量轻盈、价格适中的假
手成为广大肢体残疾者和整个社会的迫切要求。由于重量、体积、外观和复杂性等方面的
因素，灵巧手不能直接用于假手，但是灵巧手的相关理论和技术可以为高性能假手的研究
提供思路和技术保证。现在世界上有很多假手的生产商家，比如德国的OTTOBOCK公司；同
时，美国、意大利、新加坡、台湾等国家和地区的科研机构利用灵巧手的成果，进行了假
手的大量研究工作。我国的清华大学和上海交通大学等单位在假手机构和肌电信号分析等
方面也取得了一定的成果。我校机器人研究所正在利用灵巧手的经验和技术，研制一种体
积小、重量轻、智能化程度高并且具有较低成本的仿人残疾人假手，使残疾人能够具有正
常人一样的生活能力和参与社会的能力，让灵巧手技术能够服务于社会，造福于人类。
　　灵巧手理论和技术的日臻成熟以及应用范围的不断扩大预示着灵巧手技术将具有更加
广阔的发展空间和更加美好的未来。

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