1 概述

机器人多指灵巧手的研究始终是机器人学术界和工业界的关注焦点，由于目前大部分的机器人末端执行器过于工具化，缺少通用的灵巧操作工具，而很多学者将注意力转移到了机器人多指灵巧手的研究中。机器人多指灵巧手是典型的机电一体化系统。是机器人关键部件的一部分。不同研究单位对多指灵巧手的定位各有不同，但是多指灵巧手的研发的出发点是通用的操作工具。将人手的功能映射给机器人。

值得一提的是，并不是说专业的末端夹具不好，相反，专业的末端夹具的销售量反而更好。某种程度上，机器人专业夹具是属于当代的机器人产品，针对不同任务采用不同的专业末端执行器。但是机器人灵巧手是针对明天的机器人产品。

DLR是德国宇航中心，其在机器人的技术与系统发展贡献非常大。灵巧手的研究也在DLR发扬光大。下面对DLR的灵巧手进行详细阐述。

2 DLR hand

内置式多指灵巧手要求在将所有的驱动器， 控制系统， 传感器系统及通信系统集成于灵巧手内部的同时， 保证灵巧手的仿人外形（包括尺寸） 和操作灵活性。 因此内置式灵巧手的设计不仅是对结构设计的挑战， 也依赖于驱动及传动， 控制和传感等器件的发展。 完全内 置式的多指灵巧手在上世纪 90 年代末才开始出现。

DLR hand I是当时世界上最复杂、 集成度最高的灵巧手。具有四个完全相同的手指， 每个手指包括 4 个关节和 3 个自由度， 参照人手关节， 远端指间关节和近端指间关节设计成 1:1 的耦合运动。DLR-Ihand 内部集成有大量传感器， 每根手指都具有近 30 个传感器（包括触觉感知、 关节位置、 关节转矩、 速度以及温度传感器等）。

DLR-I 在手指末端关节采用了 腱驱动， 所有驱动及传动装置，控制系统，传感器及通信系统均集成在灵巧手的内部， 使灵巧手系统独立于仿人机器人/臂成为一个模块化的局部自 主系统。 控制系统也第一次完全采用 了 模块化和分层化的设计， 分为整手协调运动控制层和手指运动控制层。

DLR hand I出品自1998年，时间到了2000年，DLR在DLR hand I的基础上研制成功了DLR II灵巧手。DLR II 灵巧手所有手指均为模块化设计，具有相同的机电一体化结构，并采用与DLR I型手类似的分层控制设计.所有手指关节均采用无刷直流电机 - 同步带- 谐波齿轮（基关节由锥齿轮实现侧摆和俯仰）的传动方式。它集成了多传感器系统，可以获得指尖力/力矩，关节力矩，关节位置和温度等多种信息，并采用完全数字化的数据传输方式以减小干扰，集成在灵巧手内部的高速通信保证了 1kHz 的控制频率。

3 DLR-HIT hand

为了进一步减小内置式机器人灵巧手的尺寸使之与人手相仿， 同时增加其自 由 度以提高仿人灵巧操作的灵活性， 哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心于 2004 年在 DLR II 的基础之上联合研制出了 DLR-HIT 四指仿人灵巧手.

DLR-HIT 多指灵巧手的手指关节和自 由度与 DLR II 手相仿， 拇指具有额外的一个自 由度， 可以通过拇指在不同位置的配置进行多样化的抓取操作控制。 其控制系统采用分层化设计， 手指层嵌入式 FPGA 完成数据采集和处理， 并将力和位置等传感器信息通过高速实时串行通信传送至主控制器。 运动控制层的主控制器由基于 DSP+FPGA 的工业接口 卡完成实时控制运算并将控制命令传输至手指 FPGA 层驱动无刷直流电机。

HIT/DLR–II 灵巧手是新一代具有相对位置、 绝对位置、 力/力矩、 触觉和温度等多种感知能力的五指灵巧手。该手指集驱动、 传感、 控制等为一体， 它具有一个独立的手掌和五个模块化的手指。 其中拇指与手掌之间有一个类似人手的外张/收敛自由度， 可以通过配置拇指的位置来满足不同的抓取要求。 每个手指具有四个关节和三个自由度。 新一代灵巧手的整体尺寸为人手的 1.5 倍， 相当于 HIT/DLR –I 灵巧手的三分之二。 整手重量 1.5 Kg， 指尖输出力矩达 10N。

4 Hasy(Hand Arm System) 手-臂联合系统

2010 年德国宇航中心DLR研制Hasy(Hand Arm System) 手-臂联合系统. 它由 5 个手指构成， 除无名 指具有 3 个自 由度以外， 其他手指均具有 4 个自 由度， 加上腕部的 2 个自 由度， 总共具有 21 个自 由度，多达 103 个滑轮和腱机构。 Hasy 手是第一个采用仿生学关节进行手指设计的多指灵巧手， 手指关节的运动模仿人手进行面接触滑动而不是单纯的转动. 在关节中 Hasy 融合了 变刚度（ Bidirectional Antagonistic Variable Stiffness (BAVS)）的设计理念， 采用了 浮动刚度关节（Floating Spring Joints (FSJ)） 的设计。 Hasy灵巧手的驱动器及其控制系统均置于前臂， 采用 SpaceWire 总线。

5 Dexhand 多指灵巧手

2011 年德国宇航中心设计了面向太空任务的 Dexhand 多指灵巧手，Dexhand 具有 4 个手指， 共 16 个自 由度， 手指各关节均采用腱加滑轮的驱动形式， 基关节采用锥齿轮实现侧摆和俯仰运动， 驱动器及其控制置于灵巧手外部。 Dexhand 针对太空任务对手指指尖形状和手指布置形式进行了大量优化， 并对灵巧手系统进行了相对模块化的独立接口 设计， 即欧洲宇航局CTED(Compact Tool Exchange Device) 接口。

DEXHAND 由拇指和三个相同的模块化手指组成，每个手指有 4 个关节和 3 个独立自由度， 基关节由两组电机模块进行耦合驱动，优点是可以提高输出力矩； 末端两个指间关节是通过腱绳进行耦合比为 1:1 的耦合运动。 指尖最大主动输出力 25N。 手指中布置有关节力矩传感器、 霍尔位置传感器以及面向空间环境的温度传感器等。 电机模块由定制电机和谐波减速器组成， 4个手指的 12 个电机模块都内置于手掌中， 电路板布置在腕部， 通过 Dyneema 腱绳进行传动。

6 Spacehand

2015 年德宇航在 DEXHAND 基础上面向地球同步轨道（GEO） 环境研制出改进型的灵巧手 Spacehand。spacehand 在结构上的改进主要有Dyneema腱绳在长期的工作中表现出过高的蠕变率， Spacehand 使用 zylon(PBO)纤维编织成的绳子替代 Dyneema 腱绳， 并进行了大量相关测试； 改进了电机模块结构，简化了安装并提高了稳定性； 基关节加入了滚动轴承， 将原有的滑动摩擦改进为滚动摩擦， 提高传递效率， 减少热量产生； 预紧机构中加入弹簧， 改善了预紧机构的受力状况； 电缆路径布置在手掌背面， 使布线更清晰。