浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告

随着机器人应用领域日益扩大,自动化水平不断提高,特别是在水下、高空及危险的作业环境中, 迫切希望能给机器人末端赋予一个类似人手的通用夹持器,以便在危险、复杂及非结构化的环境中,适应抓取任意形状的物体，完成各种复杂细微操作任务的要求,机器人多指灵巧手正是为了适应这一需要而提出的[1] 。

2 国外多指手发展历史及研究成果

目前，国内和国外都有一些非常有代表性的多指灵巧手被制造出来。国外多指手的研究始于20 世纪70 年代,其中具有代表性的早期灵巧手有: 日本“电子技术实验室”的Okada灵巧手[2]。 如图1 所示，该手有3个手指, 一个手掌, 拇指有3个自由度, 另两个手指各有4个自由度。各自由度都由电机驱动,并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递。这种手的灵巧性比较好, 但由于拇指只有3个自由度, 还不是最灵巧的手。另外, 在结构上, 各个手指细长而单薄, 难以实现较大的抓取力和操作力[3]。

图1 Okada 灵巧手

美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手，也是一种非常具有代表性的多指灵巧手。如图2 所示，这种手没有手掌，共有3个手指，每根手指有3个关节，拇指相对另两个手指而立。手指内采用的也是腱、滑轮传动方法。这种手的自由度较少，易于设计、制造和控制，所以，目前对这种手的研究比较多，也出现了许多与其相类似的手。国内北航研制的多指灵巧手就是一种仿JPL手[5,6]，也有3个手指，每指3个关节，外表结构也极其相似。国防科大研制的多[4]

指手的模型[7]，也是一种仿JPL的手。这种手由于每个手指的自由度只有3个，在抓取物体时，抓取点（指尖位置）一旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧的抓取和操作[5]。

图2 Stanford/JPL 灵巧手 图3 Utah/MIT 灵巧手

19xx年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了 Utah/MIT灵巧手[8,9] 。如图3 所示，这是一种仿人的手, 其大小、形状、功能都与人手相似, 只比人手少一个手指。它有4个手指（拇指、食指、中指和无名指）, 每根手指有4个关节, 各手指都连接到手掌上, 相对于手掌运动。手指的每个关节由腱、滑轮来带动，驱动元件采用的是一排气动伺服缸。目前这个多指手主要用在实验室用来进行各种研究用。它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时在线控制，所以，还没有得到实际应用[5]。

1984 年日本研制成功了Hitachi手[10]。如图4所示，该灵巧手共有3 个手指, 每根手指有4 个自由度, 采用形状记忆合金驱动方式, 驱动速度快、负载能力强。

图4 Hitachi 灵巧手 图5 DIST 灵巧手

进入20世纪90年代,以意大利和德国为代表的欧洲在多指灵巧手方面取得了很大进展。由意大利热那亚大学研制的 DIST 手有4个手指, 每根手指有4个自由度,大小跟普通人的手差不多,手指的每个关节都能屈伸90°,每个手指通过5个直流电机和6根直径为0.4 mm用聚酯制造的腱进行驱动。该手加上20个电机总质量不超过10 N ,可以很方便地装在各种机械臂上。

如图5所示，为该手装在PUMA 260 机械臂上[11]。

自1985 年以来意大利博洛尼亚大学先后研制成功了UB-Ⅰ和UB-Ⅱ灵巧手, 其中UB-Ⅱ为博洛尼亚大学联合帕尔马大学和比萨大学共同研制成功的, 该手有3个手指,共11个自由度, 安装在配有前臂和手腕的PUMA 560 的实验平台。 如图6 所示,以实现在关节有感应器的机器人手上[1]。

图6 UB-Ⅱ 图7 DLR-Ⅰ 灵巧手

德国宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手[12,13] ,其中DLR-Ⅰ有4个完全相同的手指,每个手指有4自由度,采用微型直线驱动器作为驱动元件,将所有的驱动器集成在手指或手掌中,每个手指集成有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,指尖力有11 N ,整个手重1800 g,如图7 所示[1]。

DLR-ⅡHand 灵巧手是在DLR-ⅠHand 的进一步的发展,其最终目标是能完全的自主的操作,包括远程操作中声像反馈和和力反馈,以及以最短时间进行最佳抓取规划。现已能实现的动作，如图8 所示[1]。

图8 DLR-Ⅱ 灵巧手

20世纪末,美国国家航空和宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外作业的 NASA

灵巧手,如图9所示。该手完全模拟人手的结构与动作,由1个前臂、1 个手腕和5个手指组成, 共14个自由度(手腕2个自由度, 拇指、食指和中指各3 个, 无名指、小指和手掌各个自由度)。目前该手可以拿起一些常用工具进行操作。如图10 所示，其外形、功能与灵巧性已经比较接近人类的手[1]。

图9 NASA 灵巧手 图10 NASA 灵巧手操持工具

3 国内多指手发展历史及研究成果

20世纪80年代后期,国内一些机器人研究机构和部分高等院校相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作, 如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、国防科技大学、北京理工大学、北京科技术大学等都在多指灵巧手方面做了大量的工作。 如图11所示，为哈尔滨工业大学机器人研究所研制的HIT-Ⅰ四指仿人手灵巧手[14],该手有4个完全相同的手指, 其中大拇指与另外3个手指相对放置, 每个手指有4个关节, 12个直线驱动器集成在手掌中,通过腱传动系统传递运动和力[1]。

图11 HIT-Ⅰ 灵巧手

北京航空航天大学机器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4 四种型号灵巧手

[15,16]。如图12所示，为3指，每指3个自由度的BH-3 型灵巧手,没有手掌, 仿美国的

Stanford/JPL 灵巧手。如图13所示，为4指16自由度的BH-4 灵巧手抓取动作。该灵巧手主要用于灵巧操作研究及为相关技术开发与应用提供有效的实验平台。灵巧手可以在计算机的控制下用手指灵巧地弹奏简单的乐曲;研究人员佩带具有多个传感器的数据手套后, 可以通过数据手套中手指的动作,利用计算机网络通讯,对灵巧手进行距离控制操作,比如远距离遥控机器人灵巧手抓物、倒水等等[1]。

图12 BH-3 灵巧手 图13 BH-4 灵巧手

综上所述,多指灵巧手从机构形式上看大都是多指多关节手, 并且最普遍的是其手指数

目为3～5个,而且各手指的关节数目也多为3个转动关节, 自由度为3～5个,具有冗余自由度,手指关节的运动副都是采用转动副[1]。

4 国内外多指灵巧手研究动态与趋势

目前国内对工业中应用的多指灵巧手机器人需求不是很多。原因是拥有多指灵巧手的机器人价格太高，而且由于其柔性没有达到人们预想的程度，使其不适于进行多品种、小批量生产。某些工厂的生产线上机器人有被工人替代的趋势。为了防止进一步弃用机器人、增加对工业多指灵巧手机器人的需求，现在迫切需要开发新技术，使操作者更易于使用多指灵巧手机器人。

此外，由于国内人口老龄化日趋明显，老年人的比例不断增大，预计非制造业部门对多指灵巧手机器人的需求会不断增长。具有多指灵巧手机器人将会用于如下领域：医疗与福利服务、农业与林业、建筑、服务业等。然而，机器人工业还没有发展到这些部门。目前，日本已生产了一种使用机器人技术的步行训练机。这是在医疗及福利领域应用机器人的一个实例。这也为创建新型的多指灵巧手机器人提出了一些新的应用思想，也开拓了多指灵巧手机器人的市场。例如，上海交通大学机器人研究所研制的吹笛机器人，该机器人的十个手指可灵活的运动按动发音孔，通过人工肺吹奏音乐，给人们带来某种快乐。

欠驱动机械手能够完成直指或曲指的抓取操作任务，它的结构比现有的机械手更加简单

紧凑，更能减少控制的复杂性，且具有重量轻、成本低等诸多优点。这种欠驱动机械手抓取物体的适应性、稳定性、抓取力都优于常规手的抓取。欠驱动机械手研究界确信现场型欠驱动机械手和服务型欠驱动机械手在不远的将来会成为无所不在的技术，它们正在积极地推动先进机器人技术的发展，使其成为满足社会很多迫切需要的解决方案，这些需求包括不吸引人的奴仆性工作和危险性工作方面的性能，直至照料数量日益增大的老年人。

多指灵巧手机器人研究的主要趋势是：开发技术，实现多指灵巧手机器人与人在同一作业空间合作，使传统机器人在与人类环境完全隔绝的作业空间内完成困难任务。随着研究人形机器人的人不断增多，而且医疗福利机器人正在成为热点，对具有多指灵巧手机器人的需求会不断增多。

5 总结

如上所述, 目前已经制造出来的这些多指灵巧手或多或少的都存在不同方面的问题，都有许多不完善的地方，如结构型式、结构尺寸、传动及驱动方式等方面都有待发展，特别是对于多指手结构参数方面的优化的研究还比较少。多指灵巧手的结构设计和研究是机器人方面研究的基础。因此，对具有理想结构的多指灵巧手进行抓取机理、操作理论、运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行多指灵巧手的结构设计研究，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对多指灵巧手进行研究, 提出各种协调控制、抓取规划系统, 使多指灵巧手能完美的模拟人手的抓取运动。应该开展对多指灵巧手的的优化设计, 从而设计出结构上最优化的多指灵巧手，使多指灵巧手在结构、外形和功能等方面, 都越来越象人手。

参考文献

[1] 张立彬，杨庆华，胥芳，等. 机器人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状[J].农业工程学报，2004，

20(3)：271-273.

[2] Okada

on Systems， [3] 张永德，刘廷荣.1-2.

[4] Journal of Robotics Research, 1991,10(4): 314-326.

[5] 毕树生，宗光华. 机器人抓具[J]. 机器人技术及应用，1996，(2)：15-18.

[6] 卢江舟，张启先. 机器人多指灵巧手的抓取结构分析[J].中南工业大学学报，1998，(29)：40-43.

[7] 徐振中，周华平，张彭.3指机器人手系统协调运动的一种规划方法[J].中国有色金属学报，1994，(5):

438-443.

[8] Jacobsen S C, Wood J E, Knutti D F, Biggers K B.The Utah/MIT Dexterous Hand: Work in Progress[J].The

International Journal of Robotics Researoh，1984,3(4): 20-30.

[9] Thomas H. Speeter. Control of the Utah/MIT Dexterous Hand: Hardware and Software Hierarchy[J].Journal

of Robotic Systems，1990,7(5): 759-790.

[10] Nakano Y, Fujie M , Hosada Y. Hitachi’s robot hand [J]. Robotics Age, 1984, 6(7):18-20.

[11] Caffaz A ,Cannata G.The design and development of the DIST 2 hand dextrous gripper[J].P roceedings of

the IEEE International Conference on Robotics and A- utomation. Leuven,Belgium.1998: 2075-2080.

[12] Hirzinger G, FischerM ,Brunner B,et.al.A dvances in robotics:the DLR experience [J].The International

Journal of Robotics Research.1999,18(1): 1064-1087.

[13] Lovchik CS, MdiflerM A. The robonaut hand: a dextrous robotic hand for space[J]. Proceedings for the IEEE

International Conference on Robotics and Automation. Detroit, Michigan,1999: 907-912.

[14]何平,金明河，刘宏等.机器人多指灵巧手基关节力矩位置控制系统的研究[J].机器人， 2002， 24

(4) ：314-318.

[15] Dinsdale J.Short course on electronics and control for mechanical engineers: high performance

servoactuators and drives[A]. Cranfield, Coll. Manuf. Cranfield Inst.Technology[C], 1986.

[16]ArcherJR,Blenkinsop PT.Actuation for industrial robots[J].ProcInst Mear EngrsB: JMgmt EngManuf,1996,

200: 85-89.

第二篇：文献综述报告范例

成 都 理 工 大 学

学生学士学位设计（论文）文献综述报告