2023年机器人行业专题：经典五指灵巧手拆机，航空航天篇

五指灵巧手概述

灵巧手属于机器人末端执行器的一种。 在机器人学领域，操作和动作决策的执行输出工具被称之为末 端执行器(End-Effector)。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。 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。

从夹持器到灵巧手，根本原因在于，随着机器人应用领域的不断拓展，其应用场景、工作对象和任务日趋复杂。特别是对于人形机器人而言，其设计的初衷就 是要最大限度上代替人类，与周边环境进行交互。而人造世界的各种物品和工具都是以人手的使用方便为基本原则而设计开发，所以也只有仿人型机器人多指 灵巧手才是最适合的操作工具。

五指灵巧手在航空航天领域的应用

在超低温、强辐射、高真空、高速度的太空环境下，利用灵巧手从事各种探测、研究、实验 显然更具备优势。 目前机器人尚不具备取代人类的能力，但可以在重复或危险任务中为宇航员提供支持。在远 程操控系统的控制下，灵巧手可以执行许多舱外活动，如移除绝缘层盖、操作螺丝刀等。 典型的案例包括： 1）美国NASA（美国航空航天局）的Robonaut 手和 Robonaut 2手； 2）德国DLR（德国宇航中心）的的 DLR-I 和 DLR-II 手； 3）中国哈工大的HIT手，及与DLR合作研发的DLR/ HIT手。

美国相关情况

1999年，美国宇航中心（NASA）研制出Robonaut手。它是一种 面向国际空间站应用的多指手，其设计目的是为了在危险的太空 环境中替代人进行舱外操作。Robonaut手由5根手指、1个手掌、 一个2自由度手腕和小臂组成。其拇指、食指和中指具有3个自由 度，而无名指和小指各有1个自由度，手掌具有1个自由度，手腕 具有2个自由度，共14个自由度。14个电机和驱动电路分布在长 8in、直径4in的小臂中。Robonuat手是空间机器人系统 Robonuat的一个组成部分，该系统的开发目标是用机器人协助航 天员在国际空间站执行舱外操作任务。 2010年，在Robonuat手的基础上，NASA和GM（通用汽车公司） 于联合研制出Robonaut2手。2011年2 月，Robonaut 2手作为 Robonaut 2号机器人的一部分，被NASA发射到国际空间站，成 为世界上第一个在太空服役的五指灵巧手。

NASA最初打算将Robonaut操作分为 三个不同的阶段。 第一阶段涉及固定操作，并于2013年底使用Robonaut躯干成功完成。 第二阶段是“IVA Mobility”，其中IVA代表“车内”。在这一阶段，Robonaut需要一种 在国际空间站内部移动的方法，这就是腿的用武之地。 第三阶段是“EVA移动性”，腿部升级也是这一阶段的关键，该阶段将涉及在空间站外的 真空中工作，因此需要对机器人进行更多重大硬件升级。 由于太空中的失重环境， Robonaut 2号的腿主要用于抓住空间站内的扶手，并帮助完成 一系列机动与运动规划实验。

作为 Robonaut 手技术升级的换代产品， Robonaut 2 具有诸多改进和优点。 设计层面：Robonaut 2手具有 14个自由度（手部12个+手腕2个）； 传动方面：两者都采用驱动器外置+腱传动，但在方式上略有不同。 Robonaut 手利用软轴将电机的旋转运动传递到手掌的丝杠内，软轴主要作用的是传递旋转 运动。Robonaut 2手的腱传递的是直线运动； 传感器方面： Robonaut手只集成了最基本的位置和力传感器，对外部环境的感 知则采用有触觉功能的数据手套； Robonaut 2手直接在手指上安装位置传感器、 六维力传感器和腱张力传感器等多种传感器，提高了Robonaut2手的精确度和灵 敏度。 相比Robonaut 手，Robonaut2手的供电和通信连接线数量大幅减少。

Robonaut 2 Hand 采用腱绳驱动，驱动器与电气系统集中放置在前臂内，腱绳由导管引导， 从驱动器发出，经过腕关节，到达手指关节。整手的有效负 载可以达到 9kg，手指在可以承受 2.25kg 的指尖力，指尖速度可以达到200mm/s。

关节位置采用霍尔传感器进行测量，关节转动角度所引起的磁场变化影响霍尔电压的变化，即霍尔效应，从而精确测量关节角位移的变化； 指尖的抓握力采用多维力/力矩传感器进行控制，每只手布置14个六维力矩传感器；传动系统中的腱设置腱张力传感器。

德国相关情况

德国宇航局机器人和机电一体化研究所致力于正在开发高度 自主的机器人，用于探索遥远的行星、卫星和太阳系的小天 体。 官网展示的研究内容中，包含了机器人本体、手、腿、人机 界面、移动平台等多项内容。

内侧关节有一个电机，并通过传动带与减 速器连接。第一和第二指节属于固定耦合 关系。具有两个自由度的底座接头为差动 锥齿轮类型，由于几何原因，谐波驱动齿 轮直接与电机耦合。

DEXHAND是德国宇航中心(DLR)于 2011 研制的面向空间应用的多指灵巧手，也是目前唯一具备空间工作能力的空 间灵巧手。 该灵巧手由四根模块化手指构成，每根手指有4个活动关节、3个独立自由度。其中，MP关节是一个2自由度关节， 通过2组驱动器耦合驱动；DIP关节与PIP关节通过“∞”字型耦合，形成1:1的传动比，由1个电机驱动。 Dexhand的模块化手指由电机与谐波减速器所构成的驱动单元驱动，由Dyneema腱绳传动，可以输出25N指尖力。 Dexhand的传感器系统十分丰富，主要包括关节力矩传感器、温度传感器以及用来标定关节初始位置的装置。

传动系统：整体使用谐波减速器+聚乙烯腱，将扭矩传递至各关节，这避免 了手指中出现电子设备，以提高屏蔽性能和坚固性。 MP（基关节）含两个自由度，由两个电机驱动，由于MP关节中的腱耦合， 两个电机可同时作用于同一个自由度。

驱动单元：Robodrive ILM 25电机，包含传动比例为100:1的 谐波减速器HFUC 8。整体放置在直径27mm、长17.5mm、重 46g的圆柱体。该装置可提供2.4Nm的连续扭矩，峰值为9Nm。 DEXHAND中电机最大扭矩限制为2Nm，以免电流过大。

传感器： 每个驱动关节都有一个位置传感器，由基于霍尔效应的磁铁组成。关节扭矩由基于应变桥的扭矩传感器测量（每个手指3个）。此外还有部分温度传感器。传感器都放置 于手指中。 为了应对复杂的空间环境，Dexhand进行了特殊的设计：1）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。2）铝质的 外壳经过精细的加工，去除了菱角等尖锐的地方防止电荷积聚形成的电磁干扰。3）所有的电气接头都经过特殊设计，以便于对接头进行屏蔽保护，不易脱落。4）所有 电子元器件都经过电磁兼容性测试。 机器人技术是太空任务中的一项关键技术，尽管其要求紧凑性和轻量化设计，但复杂的机器人系统必须承受太空的影响（温度、真空、放射性、润滑剂、振动和冲击载 荷）。DLR（德国宇航局）正在与欧空局一起研究在国际空间站上使用远程操作系统来帮助宇航员。为了能够使用为宇航员开发的工具，DEXHAND只有一只用于舱外活 动的手套大小。其扭矩测量和阻抗控制实现了灵敏的操作，直观的操作员界面缩短了学习时间。

中国相关情况

DLR/HIT HAND I 沿袭了DLR Hand II的掌指关节锥齿轮结构。锥齿轮由双电机驱动，电机直径16mm，长度28mm，附加减速比159:1的行星齿轮。两电机同向运动， 基关节卷曲/伸展；两电机反向运动，基关节外展/内收。近端关节与远端关节通过连杆传动。连杆由直流电机+谐波减速器驱动。谐波减速器直径20mm，长13.4mm， 减速比100:1。DLR/HIT HAND二代基关节仍然保留了差动锥齿轮。

两个内置位置传感器的盘式电 机（型号： EC-20）和谐波减 速器并排横卧于手指后侧。为 了有效减小基关节的横纵向尺 寸，保持电机和谐波减速器的 最佳传动效率，在电机和谐波 之间及谐波和差动机构之间采 用了两套不同类型的同步带减 速机构。

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 J3 处。二者之间的 同步带机构同基关节相同，手 指的末端关节 J4 并不是独立 自由度，而是通过钢丝机构实 现的耦合传动把动力传递到末 端关节。

力感知传感器：二维力矩传感器放置在手指基关节差动耦合机构的输出端，十字梁式的弹性体作为手指力矩的输入端嵌入到手指单元内。指尖一维力矩传感器放置在手指的 指尖关节处的回转处，同指尖关节轴及钢丝轮构成了手指第四关节的主体结构。指尖集成了六维力矩传感器。 位置感知传感器：集成了两种类型的位置传感器，一种是绝对位置传感器，该传感器直接集成在盘式电机内部， 用于在电机空间检测电机的运动状态。另一种是集成在手 指关节处的相对位置传感器，两种类型的传感器能够提高灵巧手的末端状态信息度精确度，提高手指控制精度。为了在最佳位置放置位置传感器，采用两种类型的相对位置 传感器。一种是基于电位计式，其中用于检测电压变化的双电阻环固定在手指基关节框架上。另一种基于霍尔效应的非接触式相对位置传感器。 触觉传感器 ：优化后的触觉传感器的形状不但完全覆盖了指尖表面，而且能够保证压阻单元点阵列的规则性。

2016年，中国天宫二号航天员与空间机械手的人机进行了协同在轨维修科 学试验。天宫二号空间机械手由哈工大研制，包含多感知柔性机械臂、五 指仿人灵巧手、控制器及其软件、手眼相机、人机交互设备及其软件等研 制任务。 2016年9月15日，空间机械手随天宫二号发射入轨。2016年10月19日，天 宫二号与神舟十一号对接后，航天员与机械手协同完成了拿电动工具拧螺 钉、拆除隔热材料、在轨遥操作等科学试验。人机协同在轨维修试验是天 宫二号三大关键试验任务之一，航天员地面培训共计10人天、在轨操作共 计80人时。截止2016年11月13日，圆满完成全部试验任务。

商业化程度：美国、中国五指灵巧手均已用于太空作业； 驱动设计：航空航天领域五指灵巧手以全驱动为主，每一个关节均可单独驱动，这与航空航天领域的高可靠性、高操作性要求有关； 重量：由于全驱动是设计方式，航空航天领域五指灵巧手的驱动器数量大幅增加，叠加外壳的高防护要求，航空航天领域五指灵巧手重量均在1kg以上，相比 其他领域的五指灵巧手更重； 传感器方面：航空航天领域五指灵巧手一般同时使用多种传感体系，如位置传感、力/力矩传感、触觉传感等。

报告节选：

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