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在科幻電影中，失去雙手的人可以“長出”機(jī)械手而重獲新生。在現(xiàn)實(shí)生活中，越來越多“賽博朋克”化的仿生手臂逐漸出現(xiàn)在大眾面前，炫酷的外觀、流暢的動(dòng)作，不僅能幫助傷殘人士重獲勞動(dòng)和生活的能力，還能增強(qiáng)人的身體機(jī)能。

你是否好奇，這些仿生手臂是如何實(shí)現(xiàn)抓握、操縱等任務(wù)的？這其實(shí)涉及到一項(xiàng)重要技術(shù)——驅(qū)動(dòng)。

最近，北京理工大學(xué)和日本電氣通訊大學(xué)的研究人員在類生命系統(tǒng)（Cyborg and Bionic Systems）期刊上發(fā)表了一篇綜述，回顧了多種商用和實(shí)驗(yàn)室中類人仿生手臂的驅(qū)動(dòng)方法，并討論每個(gè)驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何選擇合適的驅(qū)動(dòng)方法來發(fā)揮其優(yōu)勢，以便未來研究人員開發(fā)更先進(jìn)的仿生手臂。

01為什么驅(qū)動(dòng)方法的選擇如此重要？

人的雙手是最精妙的器官之一，有大量的骨骼和關(guān)節(jié)，許多關(guān)節(jié)獨(dú)立移動(dòng)，從而讓雙手可以靈活使用和創(chuàng)造各種工具。因此，要設(shè)計(jì)仿生手，需要考慮許多設(shè)計(jì)要求，以模仿人手的功能，包括手指的數(shù)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于三個(gè)主要要素：驅(qū)動(dòng)、傳感器和控制系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)方式奠定了一切的基礎(chǔ)，不同的驅(qū)動(dòng)方式會(huì)對(duì)仿生手的一系列性能產(chǎn)生影響，例如齒輪、連桿、流體等，這些不同的驅(qū)動(dòng)方式在重量、尺寸、驅(qū)動(dòng)距離、剛度、驅(qū)動(dòng)精度、驅(qū)動(dòng)精度和驅(qū)動(dòng)效率等方面都有不同，其中可達(dá)到的驅(qū)動(dòng)比也有很大差異。

因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇和組合合適的驅(qū)動(dòng)方式非常重要，必要時(shí)還要考慮將多種驅(qū)動(dòng)方法組合起來使用，從而彌補(bǔ)單一驅(qū)動(dòng)的局限性，但由多種驅(qū)動(dòng)方式組成的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比由單一驅(qū)動(dòng)方式組成的單一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更難實(shí)現(xiàn)。

02驅(qū)動(dòng)方法有哪些？該如何選擇？

驅(qū)動(dòng)包括執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中執(zhí)行器提供運(yùn)動(dòng)和功率輸出，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)和功率傳輸?shù)剿璧奈恢谩?/span>

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

肌腱驅(qū)動(dòng)

肌腱驅(qū)動(dòng)的仿生手臂具有體積小、重量輕、可遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等特點(diǎn)。由于質(zhì)量中心（COM）與肩部底座距離較遠(yuǎn)，因此在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，為了最大限度地減少慣性力，上臂中的執(zhí)行器需要盡可能靠近肩部底座安裝，根據(jù)執(zhí)行器安裝位置不同，其驅(qū)動(dòng)模式分為內(nèi)在驅(qū)動(dòng)模式（IAP）、外在驅(qū)動(dòng)模式（EAP）和混合驅(qū)動(dòng)模式（HAP）。

齒輪驅(qū)動(dòng)

齒輪驅(qū)動(dòng)器常用于手指的關(guān)節(jié)，具有精度高，減速比高，抓握力大等優(yōu)點(diǎn)，可執(zhí)行更準(zhǔn)確的抓握任務(wù)，齒輪可以通過合理配置齒輪比，改變執(zhí)行器輸出的初始速度、扭矩和方向；但人手的關(guān)節(jié)數(shù)目多，為了模仿人手的骨骼關(guān)節(jié)，通常需要大量的齒輪部件，這會(huì)增加仿生手臂的重量。

連桿驅(qū)動(dòng)

下圖中的仿生手采用了連桿傳動(dòng)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由鏈接板和鏈接桿組成，由于鏈接板的某些部分是可移動(dòng)的，因此該機(jī)構(gòu)可以根據(jù)物體的大小和柔軟度調(diào)整執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度，自動(dòng)并均勻地調(diào)整抓握力。

這種方法可以很好地利用其結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)提供更好的抓握穩(wěn)定性，但是設(shè)計(jì)很復(fù)雜，在設(shè)計(jì)完成后，手指的運(yùn)動(dòng)是固定的。

流體驅(qū)動(dòng)

流體驅(qū)動(dòng)的仿生手臂輸出力大，摩擦力低，小型流體執(zhí)行器可直接布置在每個(gè)手指活動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和扭矩的傳遞，因此扭矩輸出更準(zhǔn)確，可減少摩擦和振動(dòng)。大型流體執(zhí)行器通常放置在前臂的近端，這就提供了更多的空間，可以安裝沖程更高、容量更大的執(zhí)行器，為仿生手臂增加抓握力。

03小結(jié)

總的來說，肌腱驅(qū)動(dòng)最常用于仿生手臂的整體設(shè)計(jì)，齒輪驅(qū)動(dòng)常用于拇指和手指的MCP掌指關(guān)節(jié)，連桿驅(qū)動(dòng)常用于手指的指間關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。由多種驅(qū)動(dòng)方法組成的復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)考慮了不同驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)勢，并廣泛應(yīng)用于機(jī)器人機(jī)構(gòu)。選擇合適的驅(qū)動(dòng)方法，可以確保該機(jī)構(gòu)具有更理想的設(shè)計(jì)輸出，同時(shí)，合理使用低速驅(qū)動(dòng)器以及耦合驅(qū)動(dòng)有時(shí)可以進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人機(jī)構(gòu)。