仿生手的多种实现方法

张晗 昝鹭鸶

摘 要：在当今的社会生产、生活中机器人出现的频率越来越高，根据应用场景的不同，机器人也分成了很多不同的种类，比如：工业机器人、服务机器人、教学机器人等等。工业机器人顾名思义，主要是应用于工业生产活动的机器人，在工业生产中，用到的大多数机器除了加工机床，还有工业机械臂；服务机器人就是在相关场所进行有关于服务用户的操作的机器人，在我们的生活中，服务机器人也是越来越常见；教学机器人就是负责教学辅导的工作，它们针对使用用户的年龄或是学业情况，有着多种多样的形式、型号。

对于工业机器人、服务机器人以至于高端类型的教学机器人，大多都会用到机械手，或是仿生机械手，而对于机械手的实现方法有很多，本文将对常用的实现方法加以阐述。

关键词：仿生、机械手

仿生机械手或是机械手的类型有很多，根据机械手的自由度可以将机械手分为单自由度机械手、两自由度机械手以至于五自由度机械手、六自由度机械手、十自由度机械手等。单自由度机械手的运动方式和蟹钳的运动的方式有点相似。它可以实现拇指和四指的张开闭合运动，四指之间是固连的，四指之间没有相对运动。它主要应用于假肢，工业机器人等领域；两自由度的机械手并不常见，它就是在单自由度机械手上多加了一个虎口翻转的自由度；五自由度机械手可以实现每根手指的弯曲伸直运动，每根手指的运动都是相对独立的，也可以相互组合完成一系列组合的动作。六自由度机械手的运动方式是在五自由度的运动方式上添加了虎口的内外旋运动。这种机械手在国外高端的上臂式假肢上有所应用；十自由度机械手就是在六自由度机械手的基础上加上了四指的平面摆动。十自由度机械手多在高端科研产品中出现。

本文针对常用的六自由度机械手的实现方法加以阐述。六自由度机械手在手指运动的实现方法最常用的有两种。第一种方法如下：每根手指的结构都采用单自由度连杆机构。通过动力源驱动连杆，使整个连杆机构完成相应的动作，用来模拟人手指的弯曲和伸直运动。手指的动力源大多采用直线电机和舵机。采用这种方法的机械手通常叫做连杆手。第二种实现方法如下：每根手指有三个杆件构成，三个杆件之间通过铰链连接。这三根杆件用来模拟人手指的各个指关节。在手指弯曲方向上，模拟指尖关节的杆件固连着一根钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端连接在动力源上，动力源多采用直线电机或是舵机。在手指伸直的方向上，加有手指的弹性复位装置，该装置的作用就是在手指由弯曲状态变为伸直状态的过程中施加恢复力，使手指伸直。这种弹性恢复装置中弹性元件多采用弹簧或是弹性绳。这种方法实现手指弯曲运动的具体过程是：在动力源的驱动下，拉动钢丝绳，使得手指弯曲；实现手指伸直的具体过程为：动力源的执行元件翻转，使得钢丝绳不再对模拟指尖杆件施加力，此时弹性元件由于复位的作用，对模拟指尖的杆件施加恢复力，使得手指伸直。采用这种方法的机械手统称为拉线手。对于仿生机械手，每根手指间的长度关系要与人手的相似。具体的实现方案有两种：第一种是每根手指的长度相同，通过每根手指与手背板连接点位置的不同来实现手指间的长度关系。第二种方法是通过每根手指的长度不同来实现手指间的长度关系。

对于虎口运动的实现方法也有两种。第一种实现方法如下：将虎口部分分为两个元件，一个是虎口固定元件，另一个是虎口动作元件。虎口固定元件与手背板通过螺栓固连，虎口动作元件动力源的输出轴固连，动力源的机体与虎口固定元件相连，通过动力源的输出轴的旋转，带动虎口动作元件相对于虎口固定元件或是手背板做旋转运动，用来模拟虎口的内外旋运动。第二种方法是采用拉線的结构，具体的实现方法与手指的相似。

综上，仿生手的各个部分的实现方法已经讲述完毕，将其进行有机的组合就构成了六自由度仿生机械手。

参考文献：

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