人形机器人专题（一）：经典五指灵巧手拆机航空航天篇

目 录五指灵巧手概述五指灵巧手在航空航天领域的应用投资建议风险分析请务必参阅正文之后的重要声明1招商基金五指灵巧手概述图1：机器人末端执行器资料来源：蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》末端执行器请务必参阅正文之后的重要声明2弧焊焊枪工具类抓手类喷枪涂 点胶 焊枪 机手术刀具毛刺 铆 体打 钉 温磨 枪 枪机吸盘等多指灵巧手多指抓持手两只夹持器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。五指灵巧手概述图2：从夹持器到灵巧手典型两指夹持器联动型三指夹持器多关节手夹持器多指灵巧手多连杆夹持器气缸夹持器多连杆三指夹持器气缸三指夹持器均巧三指手SDH手Shadow

handSCHUNK

SF5H

hand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。资料来源：蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》请务必参阅正文之后的重要声明3五指灵巧手概述图3：灵巧手发展历程1974

日本电子技术实验室Okada1982

美国斯坦福大学Stanford/JPL1983

美国麻省理工学院和犹他大学Uath/MIT1984

日本日立公司Hitachi1994

德国宇航中心DLR-I1998

意大利热内亚大学DIST1999

美国宇航局Robonaut20

世纪

90

年代以后，随着计算机、微电子学、微电机等技术的发展，多指手进入了一个崭新的快速发展阶段21

世纪以来，多指手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能化和灵巧操作水平得到了新的提升2000

德国宇航中心2004

日本岐阜大学2004

英国Shadow

公2010

NASA和美国汽车DLR-IIGifu-III司Shadow通用公司

GMRobonuat

21984

清华大学TH-1/

TH-21993起

北京航空航天大学BH-1/BH-2/BH-3/BH-4/BH-9852004

哈尔滨工业大学与德国宇航中心DLR/HIT-I2008

哈尔滨工业大学与德国宇航中心DLR/HIT-II2001

哈尔滨工业大学HIT-I资料来源：吕博瀚《空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究》、蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》请务必参阅正文之后的重要声明4目 录五指灵巧手概述五指灵巧手在航空航天领域的应用投资建议风险分析请务必参阅正文之后的重要声明5五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。请务必参阅正文之后的重要声明6资料来源：

DLR

《Dexhand

:

a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》图4：五指灵巧手的功能需求DEXHAND应能够掌握以下舱外工具：钳子，并支持其操作剪刀，并支持其操作小型切割器，并支持其操作刷，并支持其操作锤，并支持其操作铲，并支持其操作切割机，并支持其操作系绳，并支持其操作内六角扳手，并支持其操作手枪式握把工具（自动螺丝刀）并支持触发致动开关注意：工具的成功操作意味着抓握的力量闭合，最好应实现形状闭合。美国相关情况图5：NASA的Robonaut计划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。资料来源：

IEEE

Spectrum、韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》请务必参阅正文之后的重要声明7美国相关情况图6：

Robonaut在空间站协助人类作业资料来源：

IEEE

SpectrumNASA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。请务必参阅正文之后的重要声明8美国相关情况图7：

Robonaut

Hand（左）和Robonaut

2

Hand（右）资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、孙成远《腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验》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。请务必参阅正文之后的重要声明9美国相关情况图8：Robonaut

2

主手指（食指+中指）图10：Robonaut

2

主手指（食指+中指）远端指骨传动请务必参阅正文之后的重要声明10图9：Robonaut

2

大拇指图11：Robonaut

2

大拇指的腱分布（N+1）资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–Designed

To

Do

Work

With

Tools》 资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》Robonaut

2分为主手指（食指+中指）、副手指（无名指+小指）、拇指。其中主手指有4个DOF，3个DOA，由4根肌腱控制，远端指骨与中部指骨之间存在连杆耦合。副手指包含2个DOA，由2根肌腱控制。拇指包含4个DOA，由5根肌腱控制。美国相关情况图13：

Robonaut

2

hand的腱驱动示意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。请务必参阅正文之后的重要声明11资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》图14：

Robonaut

2

hand的执行器资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》美国相关情况图15：绝对关节位置传感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。图16：关节力矩传感资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》图18：关节力矩传感资料来源：韩如雪《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》、L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》图17：腱张力传感请务必参阅正文之后的重要声明12资料来源：吕博瀚《空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究》资料来源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》德国相关情况图19：

DLR德国宇航局机器人系统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。资料来源：德国宇航中心官网请务必参阅正文之后的重要声明13德国相关情况图20：德国宇航中心开发的灵巧手CLASH

HandDavid's

HandDEXHANDDLR

Hand

IIDLR-HIT

Hand

IIHybrid

Compliant

Gripper

(HCG)SpaceHand资料来源：德国宇航中心官网请务必参阅正文之后的重要声明14德国相关情况作者：德国宇航中心发明初衷：Rollin‘

Justin机器人的末端执行器发明历程：1998年德国宇航中心推出DLR

Hand

I和DLR

Hand三指版。2001年推出了DLR

Hand

II。DLR

Hand

II

的详细参数

设计层面：全驱动方案，四个相同的模块化手指，每个手指具有四个关节和三个自由度，内侧关节和远端关节以1:1直接耦合。手掌中有一个自由度。手一共13个自由度。对于每个手指模块的控制，需要一个手指控制器模块，每个手指模块包含三个无刷直流电机。

结构形式

：驱动器内置

动力源：

无刷直流电机，驱动系统由无刷直流电机、齿带、谐波减速器、底座接头中的锥齿轮组成

传动方案：齿轮/带

传感器：每个关节都配有关节角度传感器和关节扭矩传感器，还包括限位传感器、温度传感器和位置传感器图21：各版本DLR

HandDLR

Hand

I DLR

Hand

三指版DLRHand

II电机资料来源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》；樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》15请务必参阅正文之后的重要声明中部关节：11(24)

mNm,

17,000

rpm近端关节：24(35)

mNm,

6,000

rpm齿轮谐波减速器,1.8

Nm,

6,000

rpm,

100:1传送带近端关节1.2:1；中部关节2:1资料来源：德国宇航中心官网表1：DLR

Hand

II

驱动器数据部件 参数德国相关情况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。图23：DLR

Hand

II图24：DLR

Hand

II图22：DLR

Hand

II资料来源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》资料来源：德国宇航中心官网请务必参阅正文之后的重要声明16资料来源：DLR

RM图25：DLR

Hand

II资料来源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》德国相关情况表2：DLR

Hand

II

每个手指中的传感器配置传感器类型数量/手指参数关节位置3110°(10

bit)120°(10

bit)关节力矩32.4;4.8N(11

bit)力/力矩110-40N;150Nmm(11

bit)电机速度3温度60-125℃(8

bit)图26：一个手指中的PCB请务必参阅正文之后的重要声明17资料来源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》资料来源：德国宇航中心官网DLR

Hand

II每个手指中的传感器配置：3个关节位置传感器：专门设计的导电塑料电位计3个关节力矩传感器：应变仪传感器3个电机位置/速度传感器：带插值的霍尔传感器1个指尖六维力矩传感器：应变仪传感器3个电机温度传感器：NTCs3个温度补偿传感器：集成传感器资料来源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》图27：指尖用六维力矩传感器德国相关情况图28：DEXHANDDEXHAND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。请务必参阅正文之后的重要声明18资料来源：王海荣《仿人型灵巧手拇指灵巧性设计方法的研究》德国相关情况图29：DEXHAND手指驱动原理资料来源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》

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。请务必参阅正文之后的重要声明19图30：DEXHAND手指驱动原理资料来源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》

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。德国相关情况图31：构成掌骨关节基座的应变计传感器主体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。资料来源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》图32：DEXHAND铝质外壳请务必参阅正文之后的重要声明20资料来源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》传

感器：中国相关情况作者：德国宇航中心、哈尔滨工业大学发明用途：Justin空间机器人远程操作发明历程：2001年开始，DLR/HIT

Hand在DLR

Hand

II的基础上开始被研发，2004年推出DLR/HIT

Hand

I后，2006年又推出了DLR/HIT

Hand

II设计层面：一代为四指结构，二代为五指结构；欠驱动结构，每个手指有4个关节和3个驱动器（二代）；

结构形式

：驱动器内置

动力源：

无刷直流电机

传动方案：齿轮/带（二代）

传感器：每个关节都配备了一个非接触式磁性关节角度传感器和一个关节扭矩传感器，共有89个传感器（二代）

应用领域：第一代为非商业化版本，第二代为商业化版本。主要用作空间机器人、服务机器人、远程控制。

目前DLR-HIT

Hand

II

被用作Space

Justin上进行遥控操作的工具图33：

DLR/HIT

HAND

I

and

II（右）资料来源：德国宇航中心官网；Liu

H,

Meusel

P,

Seitz

N,

et

al.

The

modular

multisensory

DLR-HIT-Hand[J]；西安交通大学官网请务必参阅正文之后的重要声明21中国相关情况图35：安装在

DLR

JUSTIN

上的DLR/HIT

Hand

II图34：DLR/HIT

HAND

I

的模块化手指图36：DLR/HIT

Hand

II灵巧手的基关节部分资料来源：德国宇航中心官网资料来源：德国宇航中心官网资料来源：Hong

Liu《The

Modular

Multisensory

DLR-HIT-Hand

Hardware

and

Software

Architecture》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。请务必参阅正文之后的重要声明22中国相关情况图38：手指指节结构图资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》图37：灵巧手的基关节部分请务必参阅正文之后的重要声明23两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。资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》中国相关情况图41：手指传感器系统图39：指关节扭矩传感器资料来源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》图42：手指关节位置传感器图43：六维指尖传感器及其结构

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。图40：指尖用柔顺性触觉传感器的结构及实物请务必参阅正文之后的重要声明24传感器类型个数/手指关节力矩3关节位置3电机位置3力/力矩1温度2表3：传感器数量资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》资料来源：樊绍巍《类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究》资料来源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》资料来源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》请务必参阅正文之后的重要声明25中国相关情况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。图44：天宫二号空间机械手资料来源：哈工大工学部五指灵巧手在航空航天领域的应用国家是否实际应用驱动设计传动方式企业重量指尖力(N)DOF（自由度）Robonaut

Hand美国√全腱/连杆NASA2.25kg14DLRHand

II德国全齿轮/带德国宇航中心1.8kg3013dexhand德国全腱德国宇航中心4kg2512DLR/HITHand