专家丨从FESTO的气动机械手说说那些“绕指柔”，如何刚柔并济，能屈能伸

导读

前段时间，FESTO出品的气动机械手惊艳了很多人。手指柔若无骨却能灵巧操作物体，惊叹之余也让机器人的关键一环——灵巧手再次成为人们讨论的热点。为此，机器人大讲堂邀请浙江工业大学鲍官军教授为我们详细解读能屈能伸的灵巧手。

本文由鲍官军教授撰写，机器人大讲堂编辑整理扩充

科学家认为，手是使人能够具有高度智慧的三大重要器官之一。在400万年的进化史中，人类的手逐渐演变成了大自然所能创造出的最完美的工具。不言而喻，机器人多指灵巧手是机器人系统中最重要部件之一，近五十年来得到科学家和工程界的持续研究。

最近，仿生机器人领域的佼佼者德国FESTO公司新发布的气动机械手又引起业界的广泛关注。FESTO的气动机械手完全采用柔性的硅胶等材料和气体驱动方式，具有极强的柔顺性和安全性。抓握脆嫩的物体，例如水果、玻璃杯等，绝对保证安全。玩起玩具来也像人手一样灵活和柔和。即使是和真人来一次握手，对方也不会感觉到任何的惧怕。

与之相比，科学家和工程师们之前研发的机器人多指灵巧手可就没那么柔和了，多数都是用冷冰冰的钢铁结构制作，虽然刚性十足，但也令人生畏。

例如：日本“电子技术实验室”的Okada灵巧手、美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手、美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MIT手、美国国家航空宇航局的NASA灵巧手、德国宇航中心先后研制的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手、哈工大研制的HIT灵巧手以及与德国宇航中心研制的HIT-DLR灵巧手，英国Shadow Robot研制的柔性驱动灵巧手Shadow hand等。

这些机械灵巧手大多模仿人类手指的骨骼关节，通过模仿骨骼结构来达到模仿人类手指形态的效果。以广为知名的Shadow为例，虽然是较为成功的产品化多指灵巧手，也在AI的支持下显得动作更加灵活智能。但是我们依然能够看出，略显机械的动作暴露出了它和人手操作过程的差距。

2013年以来，随着软体机器人研究的兴起，多指灵巧手研究也从中获得了灵感，逐渐出现了很多柔性或者软体的多指灵巧手，例如柏林工业大学研制的软体、欠驱动、柔顺多指灵巧手、康奈尔大学研制的软体多指灵巧手、浙江工业大学研制的软体多指灵巧手，以及FESTO最新发布的气动机械手。

以康奈尔大学的多指灵巧手为例，机器人手指均由柔软的材料制成，手指内部的传感器可以在机器人手触摸物体时发生弯曲变化并对触摸对象形貌进行采集。这样，拥有触觉的灵巧手可以预估对象物体形状，并确定抓取方式，这使得这款柔性机器人手在工作时能够轻轻地握住物体，并且还可以检测到物体的形状和纹理。

软体多指灵巧手虽然不像刚性机械手那样令人生畏，但是他们过于柔软以至于抓握无力；没有关节结构以至于无法精确的定位。就像婴儿的小手，虽然柔软可人，但是总是找不准位置、抓不紧东西。

太过刚强不安全，太过柔软又无力，是不是可以像太极一样轻灵沉着、刚柔并济呢？浙江工业大学采用柔性驱动、刚性关节设计的多指灵巧手就实现了软体与刚性机器人的有机融合；北京航空航天大学的教授更是别出心裁，在软体多指灵巧手的手指内设置了链式刚性模块，巧妙地治好了软体机器人的“软骨病”。这些同时具备刚性结构、柔性驱动和柔性机体的机器人多指灵巧手可以满足各种场合对灵活性、抓持力、控制精度、适应性和安全性等的综合性要求，并且成本相对较低，极具推广应用的可行性。

浙江工业大学刚柔多指灵巧手

北京航空航天大学可变刚度软体多指灵巧手

不过，不管是刚性的，柔性的，还是刚柔相济的，机器人多指灵巧手目前还都处于实验室研究阶段，普及应用前还有不少工作需要研究人员、工程技术人员和最终用户的多方合作与努力。我们认为，以下几个方面是机器人多指灵巧手推广应用道路上的瓶颈问题：

1、仿生机理：材料、机体组织、结构、驱动、控制、操作分析建模、可变刚度接触、操作映射等多个维度、多学科交叉和全方位的仿生理论和技术，是实现多指灵巧手的研究和应用的基础和关键

2、驱动与控制技术：机器人多指灵巧手驱动的最大难题在于自由度多、驱动点位和驱动器多，而机械结构小、驱动和传动空间有限。如何协同控制诸多的驱动器实现仿人的运动和动作，也是研究中的一个巨大挑战。

3、柔性传感：人手遍布周身的传感系统是机器人多指灵巧手的仿生目标之一，这就需要大面积、多信息融合的柔性传感技术。

4、成本：在功能完备、技术成熟的前提下，成本因素是机器人多指灵巧手能否得到用户接受和市场认可的关键。

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