鑽石舞台

在科幻電影中，失去雙手的人可以「長出」機械手而重獲新生。在現實生活中，越來越多「賽博朋克」化的仿生手臂逐漸出現在大眾面前，炫酷的外觀、流暢的動作，不僅能幫助傷殘人士重獲勞動和生活的能力，還能增強人的身體機能。

你是否好奇，這些仿生手臂是如何實現抓握、操縱等任務的？這其實涉及到一項重要技術——驅動。

最近，北京理工大學和日本電氣通訊大學的研究人員在類生命系統（Cyborg and Bionic Systems）期刊上發表了一篇綜述，回顧了多種商用和實驗室中類人仿生手臂的驅動方法，並討論每個驅動方法的優缺點，以及如何選擇合適的驅動方法來發揮其優勢，以便未來研究人員開發更先進的仿生手臂。

人的雙手是最精妙的器官之一，有大量的骨骼和關節，許多關節獨立移動，從而讓雙手可以靈活使用和創造各種工具。因此，要設計仿生手，需要考慮許多設計要求，以模仿人手的功能，包括手指的數量、大小、重量、自由度（DOF）、抓握力和指尖力等。

仿生手的這些性能取決於三個主要要素：驅動、傳感器和控制系統，其中驅動方式奠定了一切的基礎，不同的驅動方式會對仿生手的一系列性能產生影響，例如齒輪、連杆、流體等，這些不同的驅動方式在重量、尺寸、驅動距離、剛度、驅動精度、驅動精度和驅動效率等方面都有不同，其中可達到的驅動比也有很大差異。

因此，根據設計要求選擇和組合合適的驅動方式非常重要，必要時還要考慮將多種驅動方法組合起來使用，從而彌補單一驅動的局限性，但由多種驅動方式組成的混合驅動系統比由單一驅動方式組成的單一驅動系統更難實現。

▍驅動方法有哪些？該如何選擇？

驅動包括執行器和驅動系統，其中執行器提供運動和功率輸出，而驅動系統將運動和功率傳輸到所需的位置。

執行器一般分為電子、氣動和液壓執行器，其中電子執行器分為直流、交流和步進電機。仿生手臂主要使用電子執行器，主要的驅動方法可分為肌腱、齒輪、鏈條、流體（液壓和氣動）等，在研究人員發表的綜述中，這些驅動各有利弊，具有不同的重量、尺寸、變速箱傳動距離、剛度、變速箱傳動比和變速箱傳動效率，也適合不同應用場景的仿生手臂。

1.肌腱驅動

肌腱驅動的仿生手臂具有體積小、重量輕、可遠距離傳動等特點。由於質量中心（COM）與肩部底座距離較遠，因此在運動過程中會產生較大的慣性力，為了最大限度地減少慣性力，上臂中的執行器需要儘可能靠近肩部底座安裝，根據執行器安裝位置不同，其驅動模式分為內在驅動模式（IAP）、外在驅動模式（EAP）和混合驅動模式（HAP）。

2.齒輪驅動

齒輪驅動器常用於手指的關節，具有精度高，減速比高，抓握力大等優點，可執行更準確的抓握任務，齒輪可以通過合理配置齒輪比，改變執行器輸出的初始速度、扭矩和方向；但人手的關節數目多，為了模仿人手的骨骼關節，通常需要大量的齒輪部件，這會增加仿生手臂的重量。

下圖中的仿生手採用了連杆傳動，該傳動機構由鏈接板和鏈接杆組成，由於鏈接板的某些部分是可移動的，因此該機構可以根據物體的大小和柔軟度調整執行器的旋轉角度，自動並均勻地調整抓握力。

這種方法可以很好地利用其結構特徵，同時提供更好的抓握穩定性，但是設計很複雜，在設計完成後，手指的運動是固定的。

流體驅動的仿生手臂輸出力大，摩擦力低，小型流體執行器可直接布置在每個手指活動關節進行運動和扭矩的傳遞，因此扭矩輸出更準確，可減少摩擦和振動。大型流體執行器通常放置在前臂的近端，這就提供了更多的空間，可以安裝衝程更高、容量更大的執行器，為仿生手臂增加抓握力。

總的來說，肌腱驅動最常用於仿生手臂的整體設計，齒輪驅動常用於拇指和手指的MCP掌指關節，連杆驅動常用於手指的指間關節和肘關節。由多種驅動方法組成的複合驅動系統考慮了不同驅動方法的優勢，並廣泛應用於機器人機構。選擇合適的驅動方法，可以確保該機構具有更理想的設計輸出，同時，合理使用低速驅動器以及耦合驅動有時可以進一步優化機器人機構。

https://spj.sciencemag.org/journals/cbsystems/2021/9817487/