仿生手的多種實現方法

張晗 昝鷺鷥

摘 要：在當今的社會生產、生活中機器人出現的頻率越來越高，根據應用場景的不同，機器人也分成了很多不同的種類，比如：工業機器人、服務機器人、教學機器人等等。工業機器人顧名思義，主要是應用于工業生產活動的機器人，在工業生產中，用到的大多數機器除了加工機床，還有工業機械臂；服務機器人就是在相關場所進行有關于服務用戶的操作的機器人，在我們的生活中，服務機器人也是越來越常見；教學機器人就是負責教學輔導的工作，它們針對使用用戶的年齡或是學業情況，有著多種多樣的形式、型號。

對于工業機器人、服務機器人以至于高端類型的教學機器人，大多都會用到機械手，或是仿生機械手，而對于機械手的實現方法有很多，本文將對常用的實現方法加以闡述。

關鍵詞：仿生、機械手

仿生機械手或是機械手的類型有很多，根據機械手的自由度可以將機械手分為單自由度機械手、兩自由度機械手以至于五自由度機械手、六自由度機械手、十自由度機械手等。單自由度機械手的運動方式和蟹鉗的運動的方式有點相似。它可以實現拇指和四指的張開閉合運動，四指之間是固連的，四指之間沒有相對運動。它主要應用于假肢，工業機器人等領域；兩自由度的機械手并不常見，它就是在單自由度機械手上多加了一個虎口翻轉的自由度；五自由度機械手可以實現每根手指的彎曲伸直運動，每根手指的運動都是相對獨立的，也可以相互組合完成一系列組合的動作。六自由度機械手的運動方式是在五自由度的運動方式上添加了虎口的內外旋運動。這種機械手在國外高端的上臂式假肢上有所應用；十自由度機械手就是在六自由度機械手的基礎上加上了四指的平面擺動。十自由度機械手多在高端科研產品中出現。

本文針對常用的六自由度機械手的實現方法加以闡述。六自由度機械手在手指運動的實現方法最常用的有兩種。第一種方法如下：每根手指的結構都采用單自由度連桿機構。通過動力源驅動連桿，使整個連桿機構完成相應的動作，用來模擬人手指的彎曲和伸直運動。手指的動力源大多采用直線電機和舵機。采用這種方法的機械手通常叫做連桿手。第二種實現方法如下：每根手指有三個桿件構成，三個桿件之間通過鉸鏈連接。這三根桿件用來模擬人手指的各個指關節。在手指彎曲方向上，模擬指尖關節的桿件固連著一根鋼絲繩的一端，鋼絲繩的另一端連接在動力源上，動力源多采用直線電機或是舵機。在手指伸直的方向上，加有手指的彈性復位裝置，該裝置的作用就是在手指由彎曲狀態變為伸直狀態的過程中施加恢復力，使手指伸直。這種彈性恢復裝置中彈性元件多采用彈簧或是彈性繩。這種方法實現手指彎曲運動的具體過程是：在動力源的驅動下，拉動鋼絲繩，使得手指彎曲；實現手指伸直的具體過程為：動力源的執行元件翻轉，使得鋼絲繩不再對模擬指尖桿件施加力，此時彈性元件由于復位的作用，對模擬指尖的桿件施加恢復力，使得手指伸直。采用這種方法的機械手統稱為拉線手。對于仿生機械手，每根手指間的長度關系要與人手的相似。具體的實現方案有兩種：第一種是每根手指的長度相同，通過每根手指與手背板連接點位置的不同來實現手指間的長度關系。第二種方法是通過每根手指的長度不同來實現手指間的長度關系。

對于虎口運動的實現方法也有兩種。第一種實現方法如下：將虎口部分分為兩個元件，一個是虎口固定元件，另一個是虎口動作元件。虎口固定元件與手背板通過螺栓固連，虎口動作元件動力源的輸出軸固連，動力源的機體與虎口固定元件相連，通過動力源的輸出軸的旋轉，帶動虎口動作元件相對于虎口固定元件或是手背板做旋轉運動，用來模擬虎口的內外旋運動。第二種方法是采用拉線的結構，具體的實現方法與手指的相似。

綜上，仿生手的各個部分的實現方法已經講述完畢，將其進行有機的組合就構成了六自由度仿生機械手。

參考文獻：

[1].羅志增，顧培民.一種單電機驅動多指多關節機械手的設計[J].機器人，2009，31（6）：620-624.

[2].劉世廉，周華平，馬宏緒.一種新型仿人多指機械手的簡易實現[J].控制工程，2003，10（z1）：147-151.

[3].龍曉斌，冬雷，焦大勇，等.一種機械手及一種蛇形機器臂系統裝置的實現方法：，CN105666519A[P].2016.