劉 頊，崔娟娟，陳萬培，2，榮 靜

（1.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 機(jī)械電子工程系；2.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

隨著人工智能、現(xiàn)代控制技術(shù)、電子技術(shù)、仿真技術(shù)以及制造技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在人類生活、工業(yè)生產(chǎn)中所扮演的角色越來越多，代替人類從事笨重、危險而復(fù)雜的工作。機(jī)械手作為機(jī)器人執(zhí)行的最后環(huán)節(jié)，在不同工況下對機(jī)器的友好性、穩(wěn)定性、靈敏性和精確性等要求各不相同。例如：在工廠車間中的大多是機(jī)械臂，代替人類從事搬運(yùn)、安裝、分揀等工作。此類為剛性機(jī)器人，大多為金屬、塑料等材料組裝完成，驅(qū)動器為馬達(dá)，工況大多單一，控制較為簡單，整個系統(tǒng)為機(jī)電一體化設(shè)計，整個商用系統(tǒng)非常成熟，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度姿態(tài)變化，但是其運(yùn)動特性存在限制，尺寸較大、柔順性較低。傳統(tǒng)的機(jī)器人大多集中在工業(yè)領(lǐng)域，隨著控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人開始服務(wù)于更多領(lǐng)域，在諸多領(lǐng)域中，往往環(huán)境復(fù)雜多變，這對機(jī)械手的靈敏性、柔順性及對環(huán)境的適應(yīng)性提出了更高要求。例如：殘疾人患者安裝的假肢或輔助助力醫(yī)療器械，不僅要兼顧外形的高匹配、使用時的靈敏度與靈巧性以及高仿生性，還要考慮機(jī)械手的柔順性、安全性以及人—機(jī)、機(jī)—環(huán)境交互的高效性和自然性。

1 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過上萬年勞作的演變，人類手指有著高度的靈活性和自適應(yīng)性。各國研究人員投入大量的資金研發(fā)高仿生性的機(jī)械手，也出現(xiàn)了多種類型的仿生手。最早的仿生手研究始于20 世紀(jì)60 年代末，通過在內(nèi)部安裝壓敏傳感器提供控制信號，各關(guān)節(jié)的動作由電動機(jī)拉動鋼絲完成。由于控制技術(shù)、材料等技術(shù)發(fā)展的局限，仿生手的自由度較低，單純依靠傳感器反饋控制實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—環(huán)境交互在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度較大且整個裝置比較笨重。20 世紀(jì)80 年代，各國研究相繼取得突破性進(jìn)展，仿生手的驅(qū)動方式呈多樣性發(fā)展，同時也向著多自由度、多關(guān)節(jié)的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)也較為緊湊。日本研制的Hitachi 手率先使用形狀記憶合金驅(qū)動；在同一時期，麻省理工學(xué)院的Utah/MIT 仿生手采用氣動驅(qū)動。新的驅(qū)動方式使得仿生手的反應(yīng)速度快、質(zhì)量更小，但是使用壽命短，運(yùn)動可控性差。20 世紀(jì)90 年代后，隨著機(jī)電一體化技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)以及仿生研究的發(fā)展，仿生手的研發(fā)成果呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，外形、功能、自由度等各項(xiàng)更加接近人手。日本NAIST 研發(fā)出一款多指機(jī)械手，手掌中直接嵌入3 個驅(qū)動器，使用多跟連桿和齒輪傳動，內(nèi)嵌小型攝像機(jī)和力傳感器［1］。目前，仿生手的研究基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，但已取得顯著成果。2009 年，瑞士的研究人員開發(fā)出一款具有觸感的仿生手雛形，該仿生手通過電極與患者神經(jīng)系統(tǒng)相連接，從而建立觸覺的雙向聯(lián)系。2013 年，瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)校希爾維斯特羅·米克拉博士作進(jìn)一步優(yōu)化，制造出世界第一款能夠嚴(yán)密與上肢建立聯(lián)系，并且實(shí)時傳遞抓握觸感的義肢［2］。芝加哥康復(fù)研究所神經(jīng)工程中心研發(fā)一款仿生手臂，通過肌電傳感器感受神經(jīng)和肌肉活動，從而帶動仿生手進(jìn)行相應(yīng)的活動。目前，國內(nèi)市面上存在一款利用生物電流技術(shù)，通過電極傳感器讀取向肌肉發(fā)出的信號實(shí)現(xiàn)動作控制［3］。以上為剛性機(jī)械手，缺少相應(yīng)的柔順性和安全性，在抓取物體時不能保證易碎物品的完整。

剛性仿生手較高自由度和精確的力度需要復(fù)雜的傳感器和控制算法，使得仿生手造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究人員開始考慮使用柔性材料設(shè)計制造仿生手。哈佛大學(xué)的研究人員設(shè)計出一款氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟體康復(fù)手套，該手套利用流體彈性制動器實(shí)現(xiàn)手套的彎曲變形，并在外部纏繞纖維材料限制手指的變形方向，從而達(dá)到輔助患者操作抓取物品的目的［4］。德國柏林大學(xué)研發(fā)出一款基于氣動執(zhí)行器的RBO Hand，該仿生手手指為硅膠制成，研究人員通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練抓取。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員進(jìn)一步優(yōu)化RBO Hand，利用機(jī)器強(qiáng)化算法自學(xué)人手動作，實(shí)現(xiàn)了靈巧執(zhí)行任務(wù)。首爾大學(xué)Kim 等［5］選擇直接可變形的形狀記憶合金作為驅(qū)動器，制作出一款軟體手，通過改變仿生手剛度抓取不規(guī)則形狀物體。

盡管柔性仿生手具有很好的柔順性，但是與真實(shí)手的結(jié)構(gòu)相差較大，存在魯棒性和精確性差的問題［6-7］。近期，研究者們開始考慮將剛性部件與柔性部件相結(jié)合，以彌補(bǔ)剛性與柔性仿生手的不足，已成為研究熱點(diǎn)。

剛—柔耦合仿生手可以從生物學(xué)意義上模擬人手，為了實(shí)現(xiàn)仿人手的功能，研究者們從解剖學(xué)的角度設(shè)計出多種類似生物手的機(jī)械裝置。楊浩［8］基于形狀記憶合金研發(fā)出仿生靈巧手，該仿生手不論從外形還是觸感都最大程度地模仿人手，安裝有皮膚組織、骨骼和肌肉。手的骨骼結(jié)構(gòu)主要是由3D 打印制成，關(guān)節(jié)處嵌入霍爾傳感器，驅(qū)動器采用SMA 彈簧驅(qū)動，皮膚由硅膠澆筑而成［9］。該仿生手一共有16 個自由度，已無限接近人手21 個自由度。韓國三星公司將直徑3.5mm 的McKiben 型氣動人工肌肉技術(shù)應(yīng)用于仿生手研究；日本東京工業(yè)大學(xué)鈴森康一教授團(tuán)隊研發(fā)出1.3mm 與2mm 直徑細(xì)徑McKiben 型氣動人工肌肉，進(jìn)一步提高了氣動人工肌肉的精度［10］；上海大學(xué)南卓江等［11］將1.3mm 與2mm 直徑細(xì)徑McKiben 型氣動人工肌肉作為柔性執(zhí)行器研發(fā)出一種剛—柔耦合仿生手并通過構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動學(xué)模型驗(yàn)證了其運(yùn)動性能。謝勝龍等［13］綜合現(xiàn)有研究進(jìn)展總結(jié)出氣動人工肌肉的控制策略并提出該形式的仿生手運(yùn)動過程中存在遲滯、蠕變、運(yùn)動精度等問題，并給出解決問題的關(guān)鍵途徑。

2 仿生手材料與驅(qū)動

2.1 仿生手材料

傳統(tǒng)剛體機(jī)器人的制作材料一般為剛性材料，如金屬、硬質(zhì)塑料等，一般為楊氏彈性模量109與1012帕之間，驅(qū)動方式通常為電機(jī)、液壓、氣壓驅(qū)動，驅(qū)動力可以達(dá)到毫牛到兆牛之間。工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系比較簡單，一般分為4 種，如表1 所示。

Table 1 Industrial robot structure表1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

柔性機(jī)器人或剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人的出現(xiàn)提高了機(jī)器人的柔順性和適應(yīng)環(huán)境的靈活性。軟體材料也呈多樣化發(fā)展，軟質(zhì)橡膠（彈性模量接近1GPa）、硅膠、編織物、紙、纖維、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）等。根據(jù)用途不同，軟體仿生手的材料和制造技術(shù)也大不相同。目前，成本低、效率高的方法為鑄造倒模，而材料的選擇也會影響制造方法。3D 打印技術(shù)的發(fā)展極大方便了柔性零件制造，為多種材料融合性使用提供了靈活性，也提高了軟體手結(jié)構(gòu)的緊湊性［13］。

柔性手材料在發(fā)展中的另一個重要問題是對通訊、觸覺、控制等方面的可控性［14］。軟體手在執(zhí)行任務(wù)時需要發(fā)生較大的形變，這就要求其中的通訊、電路、傳感器具有能夠承受一定形變的能力。隨著聚合物晶體管與彈性材料技術(shù)融合發(fā)展，在軟材料表層進(jìn)行電路印刷以及電子元件制備的柔性電子技術(shù)日益成熟，出現(xiàn)了具有良好生物性能的電子皮膚，實(shí)現(xiàn)了軟體手可穿戴功能［15-17］。

2.2 仿生手驅(qū)動

驅(qū)動技術(shù)是仿生手發(fā)展的另一個關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前大多數(shù)剛性機(jī)械手多以直流電機(jī)作為執(zhí)行器，一般安裝于手指關(guān)節(jié)處。直流電機(jī)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、控制簡單、輸出力矩大等特性，但是這些固有特性使得仿生手存在質(zhì)量大等問題。為了解決這些問題，研究者們采用電機(jī)后置，通過腱傳動或拉線輔助驅(qū)動的方式，但是此驅(qū)動方式由于摩擦、松弛產(chǎn)生能量損耗，效果并不理想。

柔性以及半柔性仿生手的驅(qū)動與剛體機(jī)器人不同，驅(qū)動通常與柔性材料構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，通過外界刺激比如流體壓力、化學(xué)反應(yīng)、電場、類肌腱驅(qū)動等方式實(shí)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)不同加工方式的柔性手所需的驅(qū)動方式也不盡相同，且各部件驅(qū)動方式不唯一。4 種驅(qū)動方式如表2 所示。

2.2.1 流體壓力驅(qū)動

流體壓力驅(qū)動一般有兩種方式，一般分為氣壓式和液壓式。在彈性材料內(nèi)部有一系列呈封閉狀態(tài)的腔體，通過纖維約束或氣動網(wǎng)格，當(dāng)外部流入不同壓力的氣體或液體時，通過內(nèi)部張力不同控制形變程度。氣壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、獲得方便、質(zhì)量輕，廣泛應(yīng)用于各位機(jī)器人驅(qū)動。氣壓驅(qū)動從供氣方式上可分為壓縮供氣（物理供氣）和化學(xué)反應(yīng)供氣。McKiben 型氣動人工肌肉為目前仿生性較好的驅(qū)動執(zhí)行器，由橡膠管外層編制纖維套，如圖1 所示。其一端與仿生骨骼相連，另一端與送氣管相連，如圖2 所示，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓收縮手指達(dá)到驅(qū)動功能。

Fig.1 McKiben pneumatic artificial muscle圖1 McKiben 型氣動人工肌肉

Fig.2 Mckiben pneumatic artificial muscle bionic hand圖2 McKiben 型氣動人工肌肉仿生手

2.2.2 類肌腱驅(qū)動

繩索拉動驅(qū)動是實(shí)現(xiàn)類肌腱驅(qū)動的一種方式，通常由電機(jī)或舵機(jī)帶動繩索驅(qū)動工作部件。繩索通常選擇在長度方向上有一定強(qiáng)度、在其他方向上易于彎曲且不易發(fā)生形變的材料。拉線驅(qū)動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對繩索線路的制造精度以及結(jié)構(gòu)緊湊性要求較高，以防產(chǎn)生較大的摩擦，影響驅(qū)動效果。此外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求也較高。

另一種較為主流的類肌腱驅(qū)動方式為形狀記憶合金（SMA）。SMA 是一種智能材料，在不同的溫度下能表現(xiàn)出不同的機(jī)械性能和形狀，一般被制成絲狀、片狀或彈簧形狀。目前，一般用電控制溫度，運(yùn)用電控技術(shù)控制較為簡單。單程SMA 在變形后需要冷卻才能恢復(fù)原狀，往往成對對抗使用以達(dá)到連續(xù)驅(qū)動的目的。

2.2.3 電活性聚合物（EAP）驅(qū)動

電活性聚合物是一種在電場作用下能夠改變內(nèi)部分子排列結(jié)構(gòu)以達(dá)到形變目的的高分子智能材料。EAP 具有較強(qiáng)的電化學(xué)性能，響應(yīng)速度快、質(zhì)量輕、能耗低，同時還能充當(dāng)傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，因此在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景較為廣闊。

Table 2 Four driving modes表2 4 種驅(qū)動方式

3 機(jī)械手仿真與控制算法

機(jī)械手結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)控制方法也不盡相同。傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制器構(gòu)成，整個系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、外界干擾較大、各關(guān)節(jié)存在相互耦合的特點(diǎn)，整個系統(tǒng)的動力學(xué)模型非常復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。在未加入執(zhí)行器動態(tài)的情況下，一般采用基于PID 的控制算法［18］、前饋力矩補(bǔ)償+PD 算法魯棒控制算法［19-21］，這些算法各有優(yōu)點(diǎn)，但不適用于剛體機(jī)械手耦合的情況，可能會產(chǎn)生震顫現(xiàn)象，損傷系統(tǒng)。1966 年，Slotine 等［22］與Young［23］最早提出變結(jié)構(gòu)滑?？刂扑惴?，解決了控制中模型不確定性的問題。自適應(yīng)控制算法利用在線的控制信號通過設(shè)計好的規(guī)律對被控對象參數(shù)進(jìn)行在線估計，在一定程度上減少了慢變不確定參數(shù)的影響。目前，已有相關(guān)研究將自適應(yīng)算法與變結(jié)構(gòu)滑模塊變結(jié)構(gòu)算法相結(jié)合，取得不錯的效果。

1991 年，Kanellakopoulos 系統(tǒng)地提出Backstepping 魯棒自適應(yīng)設(shè)計方法，通過將控制系統(tǒng)分解成簡單的耦合系統(tǒng)，反復(fù)地引入虛擬控制，并利用Lyapunov 穩(wěn)定性函數(shù)設(shè)計每一步虛擬控制，最終得到實(shí)際控制輸入算法［24］。目前，該算法已成為非線性控制的前沿課題之一，并取得較多研究成果。研究者們傾向于結(jié)合Backstepping 算法、自適應(yīng)算法和滑?？刂扑惴ǎ〉酶玫目刂菩Ч?5-27］。

剛性結(jié)構(gòu)自由度較高，可以看成關(guān)節(jié)與連桿結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學(xué)方法可以找到末端執(zhí)行器的空間和姿態(tài)。與剛性連桿關(guān)節(jié)的離散性與超冗余相比，柔性仿生手由于彈性變形而具有柔順性和連接性，運(yùn)動更為復(fù)雜。目前其控制方法也較為復(fù)雜。柔性機(jī)器人控制算法選擇與其驅(qū)動部件密切相關(guān)，柔性手本身具有適應(yīng)性和柔順性，這對末端執(zhí)行器的輸出力要求有所降低，因此可采用開環(huán)控制。有的采用傳統(tǒng)控制方法，如基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。一般對柔性機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)建模的研究可分為3 類：純運(yùn)動學(xué)建模、集總參數(shù)動力學(xué)建模和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建模。純運(yùn)動學(xué)建模已應(yīng)用于肌腱驅(qū)動或啟動驅(qū)動的柔性臂。一般是基于分段常區(qū)率彎曲的假設(shè)，在沒有外部載荷或外部載荷足夠小的情況下，該方法非常有效。Simo 等［28］對大動撓度梁進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，利用能量法分析了由基座扭矩驅(qū)動的柔性機(jī)器人手臂的撓度，這項(xiàng)研究經(jīng)常被看作是當(dāng)代連續(xù)體機(jī)器人分析的基礎(chǔ)；Habibi 等［29］受蛇類運(yùn)動機(jī)制啟發(fā)，建立了一系列有趣的彈性模塊肌腱驅(qū)動臂。他建立了從機(jī)械臂構(gòu)型到肌腱位移的逆運(yùn)動學(xué)模型，該模型假設(shè)肌腱在任何時候都處于拉伸狀態(tài)，但并不試圖模擬它們的拉伸。在假定為剛性肌腱的情況下，機(jī)械手的軸向長度參數(shù)在非線性運(yùn)動學(xué)模型中也被建模為純幾何項(xiàng)。隨著氣動人工肌肉成為最新研究熱點(diǎn)，研究者們提出了諸多建模方法和控制方法。楊揚(yáng)等［30］基于有監(jiān)督的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動學(xué)對仿生手構(gòu)建運(yùn)動模型，通過多次測試，建立數(shù)學(xué)模型，改善了傳統(tǒng)的線性模型誤差較大的問題。這種方法模型簡單，但是需要大量的數(shù)據(jù)樣本作為訓(xùn)練，比較耗時，且可移植性不高。CamaRillo 等［31］構(gòu)建了一種新的線性模型-n 腱位移與梁構(gòu)型之間的正逆運(yùn)動學(xué)映射，將柔性梁系統(tǒng)作為一個整體的力學(xué)系統(tǒng)，該模型在實(shí)現(xiàn)精確控制和避免柔性肌腱松弛方面有良好效果，目前該算法較為領(lǐng)先。采用集總參數(shù)模型描述的末端執(zhí)行器的動態(tài)響應(yīng)也取得不錯的效果［32-34］。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法是基于分布參數(shù)模型，允許任意變形生成響應(yīng)的外部載荷，基于該算法也有大量研究［35-36］。

目前，剛體機(jī)械手的商業(yè)應(yīng)用較廣，研究也較為成熟。柔性機(jī)械手的運(yùn)動復(fù)雜，控制算法多處于理論研究階段，國內(nèi)研究更為淺顯，在算法上多有創(chuàng)新，穩(wěn)定性欠佳，尚有較大研究空間。

4 結(jié)語

智能仿生機(jī)械手是智能機(jī)器人的重要分支，在諸多領(lǐng)域替代人類完成工作，幫助人類從事多種危險或不可能完成的任務(wù)。目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成熟的商業(yè)化，但在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、殘疾、救援輔助等方面的應(yīng)用還不夠成熟。柔性或半柔性機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)性、安全性具有更好的優(yōu)勢，但在傳感器、電化學(xué)、控制、材料等方面存在不足，各種驅(qū)動方式的運(yùn)用還存在諸多缺點(diǎn)。并且，仿生手對環(huán)境的感知及人機(jī)協(xié)作也沒得到解決，控制算法也尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，未來發(fā)展存在無限可能，這都有待進(jìn)一步研究。