生活中液压传动的工具

报告出品方：光大证券

以下为报告原文节选

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1、 机器人灵巧手设计与关键技术

机器人中操作和动作决策的执行输出工具在机器人学领域被称之为末端执行器(End-Effector)。末端执行器是机器人执行部件的统称，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。

末端执行器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。

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，得到持续的研发投入和广泛关注。

1.1、 灵巧手发展历史

20 世纪 70 年代，在日益增长的工业需求的推动下，灵巧手的概念逐步形成，并产生了许多简单的灵巧手。这一时期的代表性成果有日本的 Okada Hand 和通用公司(GM)的 Handyman Hand 等。

20 世纪 80 年代，随着相关技术的快速发展，灵巧手的应用范围逐渐扩大，很多国家和地区都开始着手于灵巧手的研制。这一时期的灵巧手不但具备了多手指、多自由度，而且初步具备了力/力矩、位置感知功能。由于技术水平的限制，驱动元件（如电机、气压驱动（气动）肌肉等）尺寸较大，为保证灵巧手尺寸与重量，采用腱驱动将驱动元件放置在灵巧手外是当时的主流设计思路，主要代表性成果有 Utah/MIT Hand、Stanford/JPL Hand 等。

20 世纪 90 年代，随着驱动元件体积减小与电气系统集成度的提高，灵巧手体积迅速减小，并且在手指数目、自由度数、传感器的丰富程度等方面有所提高。这一时期的灵巧手开始注重手掌的构型设计，以提高灵巧手的抓取能力，代表作品有 UB-II Hand、DLR-I Hand、DIST Hand 等。由于采用了新型的驱动器，DLR-I Hand 得以将驱动系统、电气系统以及传感器系统都集成在灵巧手内部，被认为是当时世界上最复杂、集成度最高的灵巧手。

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。由于实现了电气系统的完全集成化和数字化，DLR-II 手与主处理器之间的连线数量从 DLR-I 手的 400 多条减少到 8 条。

1.2、 灵巧手的分析框架

从应用领域来看，目前灵巧手实现成熟应用的领域主要有：航空航天、医疗假肢、工业及科研领域。

航空航天领域对性能的要求较高，对成本不敏感，如美国宇航中心（NASA）的Robonaut Hand、德国宇航中心（DLR）的 DLR Hand、Dexhand；医疗假肢是目前少有的已实现商业化批量制造的领域，如 ottobock 的 Bebionic Hand、Michelangelo Hand；工业领域灵巧手目前由少数协作机器人夹爪企业所引领，如 SCHUNK 公司的 SCHUNK SVH Hand、Festo 公司的 Festo ExoHand；而科研领域主要由全球知名高校主导，灵巧手的设计思路较为开阔。

从灵巧手设计层面来看，主要有全驱动和欠驱动两种。DOF 为手指关节的自由度，DOA 为由驱动器控制的自由度。若 DOA 小于 DOF，则为欠驱动结构；若DOA 等于 DOF，则为全驱动结构。

全驱动手的代表包括 Robonaut Hand、Shadow Hand、DLR Hand II 等，分别使用了 14/20/12 个驱动器，通过对每个自由度的独立控制，达到对灵巧手出色的掌控效果。但考虑到鲁棒性和功能性之间的取舍，欠驱动灵巧手成为更主流的选择。其优势在于通过合理的结构设计以少于手指关节自由度的驱动器，从而降低整只手的系统复杂度，同时提高可靠性。

从驱动源来看，目前灵巧手的驱动源包括电机、液压、气压、形状记忆合金等。

从传动方式看，灵巧手的传动方式主要包括腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆等。

从结构形式来看，主要有外置式、内置式、混合置式。随着电机和控制电路的小型化发展，除了某些全驱动/腱绳传动的灵巧手外，内置式已成为灵巧手设计的发展趋势。其优点在于，通过将驱动、传动装置放置于灵巧手内部，可实现灵巧手的模块化设计，有利于灵巧手与机器人本体的无缝切换。

2、 欠驱动与全驱动：灵活度设计

从自由度与原动机数量上来看，可将其划分为欠驱动灵巧手和全驱动灵巧手。

欠驱动灵巧手原动机的数量少于被控制的灵巧手自由度，没有驱动源的关节则是进行耦合随动。全驱动灵巧手则是原动机数量与被控制灵巧手的自由度数量相等。

欠驱动灵巧手优点在于易于控制，但拟人性不强，稳定性有所欠缺。由于耦合关节结构简单，所占空间小并具备可控性，如今大部分灵巧手都是欠驱动灵巧手。

相对于欠驱动灵巧手，全驱动灵巧手的手指更加灵活，省去了无驱动手指关节的耦合机构，但由于驱动器增多，导致体积变大、安装困难并且灵巧手的控制变得更加繁琐。

2.1、 全手自由度设计

人手骨骼结构：手指：食指、中指、无名指和小指分别由 3 块指骨和一块掌骨组成，三块指骨分别为远节指骨（Distal phalange）、中节指骨 (Intermediate phalange)和近节指骨（Proximal phalange）。拇指：除了掌骨以外，只包含近节指骨和远节指骨 2 块指骨，两个指骨之间的关节是指间关节 （Interphalangeal joint，简称 IP 关节）。

人手自由度分析：IP 关节和 PIP 关节分别有 1 个自由度，能够完成屈曲 /伸展运动。而 MCP 关节具有 2 个自由度，可以完成屈曲/伸展和侧向摆动的动作。因此，对于食指、中指、无名指和小指，每个手指具有 4 个自由度。拇指中的关节依次是指间关节和掌骨关节。其中指间关节有 1 个自由度，MCP 关节具有 2 个自由度， 掌骨和小腕骨指间的关节具有 2 个自由度，共计 5 个自由度。整个手具备 21 个自由度。

Taylor 等将人手抓取归纳为六种基本抓取模式，分别为圆柱抓取(Cylindrical)、指尖抓取(Tip)、胡克抓取(Hook)、掌心抓取(Palmar)、球形抓取(Spherical)及侧向捏取(Lateral)。这些抓取模式可以实现日常生活中人手的大部分功能。除胡克抓取外，其余五种抓取模式均需要拇指参与。

从有拇指参与的抓取模式中可以发现，拇指主要集中两种姿态(拇指的姿态是指掌骨的姿态)附近。

(1) 姿态 T-I-M。在该姿态下，拇指与食指和中指之间的交互起主要作用。在这一姿态附近可以实现指尖抓取、掌心抓取和侧向捏取，例如握笔和指尖操作一些小的物体等。

(2) 姿态 T-M-R。拇指与中指和无名指之间的交互起主要作用。在这一姿态附近可以实现圆柱抓取和球形抓取，例如抓取矿泉水瓶和网球等类型的物体。

相关统计表明，力量抓握、精捏和侧捏这三个的动作占比高达 85%，因此，灵活运动的拇指、食指和中指是完成动作的关键。

对于灵巧手自由度及功能的评估，通过采用 Cutkosky 抓取分类法。在该分类方法中，手的抓取动作按照从力量型到精确型被分为 16 种。

例如，针对 SCHUNK 五指灵巧手的抓取任务评估表明，SCHUNK 五指灵巧手可以完成 Cutkosky 抓取分类法中的 14 种。

2.2、 单关节双自由度实现

拇指：对掌运动是拇指的基本运动，通过对掌运动拇指可与其余 4 指接触形成钳状，它是实现人手功能的基础。这说明，拇指的双自由度处于较为优先的位置。

手指：手指拥有两种运动形式，通过各指节旋转副的屈曲/前伸运动以及通过手指末端球形副的侧摆运动。

要实现单个关节的双自由度运动，具有代表性的传动形式有三种：（1）实现外展/内收和翘曲的两个轴正交，但却不是相互交叉的。它们在轴线位置上有一定的距离，并且分别由单驱动器驱动，如 Salisbury 手。这种结构可以使手指结构简单化，但降低了手指的灵活性，同时对驱动系统有更高的要求。

（2）球/孔结构，如 Omni 手。这种结构可以使手指的运动具有更大灵活性和适应性，也可以使手指的计算机控制简化。同时，它所具有的机械限位可以避免手指产生过度的伸展。虽然这种结构有很好的紧凑性和灵活性，但结构复杂，增加了手指的加工难度和成本。

（3）四个齿轮组成的差动结构。这种基关节的两个自由度通过 4 个相互啮合的伞齿轮来实现。灵巧手基关节采用锥齿轮差动结构不但能够有效减小灵巧手的外形尺寸，而且能够有效提高基关节的承载载荷。

通常情况下包含两个主动轮和两个从动轮。当主动轮同向转动时，实现基关节俯仰方向的运动；当主动轮逆向运动时，实现基关节侧摆方向的运动。

2.3、 自由度优先级

BH-985 共有 5 个手指和 16 个关节，配置有 10 个驱动源。拇指、食指和中指有3 个关节自由度和 3 个驱动源，其余两个手指采用一个驱动源耦合传动。

从图 12 中可见，手指关节可分为双驱动关节、单驱动关节、耦合随动关节。

（1） 从手指自由度优先级方面考虑，通常大拇指根部关节的双自由度拥有最高优先级。主要是由于拇指在各种抓握中占据的重要角色；

（2） 而手指根部的双自由度是区分高级灵巧手的一个重要特征。经典的六电机方案（特斯拉 Optimus）在拇指配置双电机，其他手指各配置一个电机，即根部关节单电机驱动。而在 4 根手指中，食指、中指所发挥的功能通常要高于无名指、小指；（3） 远端关节通常处于优先级最后，作为耦合随动关节。

3、 动力源

3.1、 动力源分类

按驱动方式，灵巧手动力源可分为电机驱动、气压驱动（气动）、液压驱动与形状记忆合金驱动。

基于气压驱动的灵巧手是近年来的研究热点，典型的有 Festo 的气动灵巧手、上海交大联合 MIT 开发的气动灵巧手等。

英国 Shadow 公司研制出一款基于 McKibben 气动人工肌肉的灵巧手 Shadow Hand，该灵巧手具有高达 20 个自由度，且每个自由度都是由一个独立的McKibben 气动人工肌肉结构进行驱动，几乎可以模仿人手能够完成的所有动作。

Festo 软体神经假肢手具有六个主动自由度，在气压驱动下可实现多种灵巧抓握手势。每个手指具有内嵌多段分布式硬质结构层的纤维增强软体结构，在气压驱动下具有一个弯曲自由度。特别是拇指具有一个额外的自由度，用于实现对掌运动。此外，手指固有的柔顺性使其在面对柔软、易碎物体时也能够进行自适应抓握。

气压驱动的灵巧手是比较接近人体肌肉驱动的一种方式，具有易于控制、能量储存方便、柔性等特点，但其刚度低、动态性能差，且装配较难并无法精确运动，从而难以广泛应用于工业生产中。

液压驱动是指为了完成能量的传递、增强和积压，通过液体介质的静压力来实现的驱动方式，通常在一定的机械和电子系统内使用较多。为得到较大操作力，一般使用液压马达等作为驱动装置，能驱动较大的负载，但因有较大的泄露和流体阻力的影响，故效率不高。并且因为液体存在可能泄漏和被压缩的缺点，所以导致传动比不够精确，并且体积大、成本高和易污染。

形状记忆合金(SMA)具有方向灵活度高、变形量大和可迅速进行变位的特性。它是一种能记忆任何形状，即便产生变形，只要将其加热到某一合适温度时，就能恢复为变形之前外形的特殊合金。形状记忆合金驱动技术即为这种驱动器进行的驱动技术。因此，它具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特性。

对于机器人进行高速度及高精度的小负载装配任务非常合适，但形状记忆合金的缺点是造价高，并且易产生疲劳，寿命较低。

日本的 Hitachi 灵巧手，就是采用形状记忆合金驱动。

电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。

作为灵巧手典型代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为驱动源。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板能与手指机械本体融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

综合比较驱动器类型，电机驱动的综合性能更好，具有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是目前技术成熟、应用广泛的一种驱动方式，为大多数灵巧手采用。

3.2、 动力源位置及数量

按结构形式，灵巧手可分为驱动器外置式、驱动器内置式与驱动器混合置式。

早期的多指灵巧手一般将驱动器外置，主要是受驱动器结构尺寸影响，难以嵌入手指内。外置式的典型代表 NASA 手和 Shadow 手，其突出的优点是灵巧手的仿人化程度较高，灵巧手本体内没有需要布置的器件，可以缩减手本体的体积，做到接近人手的外形，自由度的布置也很灵活。

同时也具有以下缺点：第一，驱动器与手本体之间空间距离较远，必须借助腱实现两者的连接，不可避免地具有腱传动的相关弊病。第二，可维护性差。当某根腱断裂时，必须进行灵巧手整体的拆卸，工作量大。

随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式。

内置式的多指灵巧手的出现，除能够有效地克服由于绳索驱动带来的缺点外，还具备下列优势：1、由于驱动器集成在手指内部，因此集成度较高，简化手指同外部的软硬接口，便于手指模块化设计；

2、高集成度带来的好处就是手指间互换性增强，便于维护和实际应用；

3、能够作为一个局部自主系统同任何机器人手臂通过标准接口相连。

当然内置式灵巧手也同样存在一些问题，比如目前由于驱动器的不同及系统结构设计的思路不同导致灵巧手的整体外形尺寸较大，这也是内置式灵巧手的最大问题。

1998 年，DLR 新型驱动器的研制成功，使得灵巧手的所有驱动器、传动装置、传感器系统及电器系统都集成在灵巧手的内部。因此，被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成度最高的灵巧手。

典型的内置式灵巧手 HIT/DLR–II，整体尺寸为人手的 1.5 倍。具有 1 个独立的手掌和 5 根模块化手指，每根手指集驱动、传感、控制等为一体，具有 4 个关节和 3 个自由度。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。

动力源位置及数量的一般性规律：

1） 对于非电机驱动（如气压、液压），往往采用驱动器外置；对于电机驱动的灵巧手，外置+腱绳传动普遍适用于驱动器数量较多的情况（如 10 个以上驱动器）；内置式则适用于 1-15 个电机的各类型灵巧手；

2） 6 电机方案是较为经典的一种配置类型。即拇指 2 个+其他手指各 1 个；

3） 在追求高自由度的情景下，可采用单手指 3 电机方案，在 4 指/5 指灵巧手中分别使用 12/15 个电机。

3.3、 电机与减速器选型

在现代灵巧手的发展过程中，电机驱动逐渐成为主流驱动方式。作为灵巧手典型代表的 Stanford/JPL 手、DLR 手和 NASA 手均采用电机作为驱动源。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用，使电机、驱动电路板能与手指机械本体融为一体，利于实现多指灵巧手手指的模块化控制。

从已有案例的电机选型来看，灵巧手用到的电机有直流无刷电机、无框力矩电机、空心杯有刷电机、空心杯无刷电机。

从电机外形来看，灵巧手存在着两种方案：

1） 扁平电机，即直流无刷电机、无框力矩电机，普遍搭配谐波减速器，两者之间可以轴心垂直，也可以平行放置，并通过传动带实现耦合；

2） 细长电机，即空心杯有刷电机和空心杯无刷电机，而空心杯有刷电机的电刷又分为稀有金属电刷和石墨电刷。空心杯电机普遍搭配行星齿轮减速器。

直流无刷电机、无框力矩电机呈现双高特点：高转子惯量、高转矩密度。

盘式电机（直流无刷电机）

盘式电机在 maxon 产业手册中属于 EC flat 系列，本质上属于直流无刷电机。

带有定子铁芯绕组+永磁体转子，采用内外转子设计结构，转速可达 20000rpm，尤其适于空间狭小的应用场合。

已有的灵巧手案例中，DLR/HIT Hand II、Michelangelo Hand 均使用了盘式电机。

DLR/HIT Hand II：模块化手指基关节的驱动器和传动系统中，两个内置位置传感器的盘式电机（型号：EC-20flat）和谐波减速器并排横卧于手指后侧。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处，二者之间通过同步带结构连接。

无框力矩电机

已有的灵巧手案例中，Dexhand、Spacehand 使用了同一款无框力矩电机——Robodrive ILM 25。在上述两款灵巧手中，无框力矩电机与传动比 100:1 的谐波减速器 HFUC 8 结合，组成圆柱体驱动单元，提供 2.4Nm 的连续扭矩，峰值高达 9Nm。

Dexhand 中，该驱动单元直径为 27 毫米、长度为 17.5 毫米、重 46 克；后续的Spacehand 中，该驱动单元直径 27 毫米、长度 20 毫米、重量 50 克。

空心杯电机（有刷/无刷）

空心杯电机在灵巧手中得到广泛应用，已有的灵巧手案例中，Pisa//IIT SoftHand、Vincent Hand、Ilimb Ultra、IDLA hand 均使用了空心杯有刷电机，而 RIC Arm 则使用了空心杯无刷电机。

空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷电机转子无铁芯，无刷电机（又称无刷无齿槽电机）定子无铁芯。有刷空心杯电机利用碳刷（或者金属电刷）和换向器的配合来完成换向，无刷空心杯电机没有这种物理结构，线圈导线直接连接到控制器，通过处理连接板上的霍尔反馈的位置信号完成换向。

空心杯电机的优点包括：无齿槽效应（低速运行平稳、低振动、低噪音、转子可控制在任意位置），结构紧凑（磁路设计更优、功率密度更高、温升低、效率高），低电感（高动态响应、高加速度）。

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