目 錄五指靈巧手概述五指靈巧手在航空航天領域的應用投資建議風險分析請務必參閱正文之后的重要聲明1招商基金五指靈巧手概述圖1：機器人末端執行器資料來源：蔡世波《機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰》末端執行器請務必參閱正文之后的重要聲明2弧焊焊槍工具類抓手類噴槍涂 點膠 焊槍 機手術刀具毛刺 鉚 體打 釘 溫磨 槍 槍機吸盤等多指靈巧手多指抓持手兩只夾持器靈巧手屬于機器人末端執行器的一種。在機器人學領域，操作和動作決策的執行輸出工具被稱之為末端執行器(End-Effector)。一般安裝于機器人腕部的末端，是直接執行任務的裝置。末端執行器作為機器人與環境相互作用的最后環節與執行部件，對提高機器人的柔性和易用性有著極為重要的作用，其性能的優劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。按其功能可以分為兩大類，即：工具類和抓手類。工具類末端執行器是根據具體工作需求專門設計并預留標準化接口的機器人專用工具，可以直接實現具體的加工工種、生產工藝或日常動作；抓手類機器人末端執行器恰如人的雙手，擔負著執行各種動作、抓持和操作的任務。五指靈巧手概述圖2：從夾持器到靈巧手典型兩指夾持器聯動型三指夾持器多關節手夾持器多指靈巧手多連桿夾持器氣缸夾持器多連桿三指夾持器氣缸三指夾持器均巧三指手SDH手Shadow

handSCHUNK

SF5H

hand從夾持器到靈巧手，根本原因在于，隨著機器人應用領域的不斷拓展，其應用場景、工作對象和任務日趨復雜。特別是對于人形機器人而言，其設計的初衷就是要最大限度上代替人類，與周邊環境進行交互。而人造世界的各種物品和工具都是以人手的使用方便為基本原則而設計開發，所以也只有仿人型機器人多指靈巧手才是最適合的操作工具。資料來源：蔡世波《機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰》請務必參閱正文之后的重要聲明3五指靈巧手概述圖3：靈巧手發展歷程1974

日本電子技術實驗室Okada1982

美國斯坦福大學Stanford/JPL1983

美國麻省理工學院和猶他大學Uath/MIT1984

日本日立公司Hitachi1994

德國宇航中心DLR-I1998

意大利熱內亞大學DIST1999

美國宇航局Robonaut20

世紀

90

年代以后，隨著計算機、微電子學、微電機等技術的發展，多指手進入了一個嶄新的快速發展階段21

世紀以來，多指手進入了一個穩步提高的發展階段，多指手的集成化、智能化和靈巧操作水平得到了新的提升2000

德國宇航中心2004

日本岐阜大學2004

英國Shadow

公2010

NASA和美國汽車DLR-IIGifu-III司Shadow通用公司

GMRobonuat

21984

清華大學TH-1/

TH-21993起

北京航空航天大學BH-1/BH-2/BH-3/BH-4/BH-9852004

哈爾濱工業大學與德國宇航中心DLR/HIT-I2008

哈爾濱工業大學與德國宇航中心DLR/HIT-II2001

哈爾濱工業大學HIT-I資料來源：呂博瀚《空間機器人多自由度靈巧手關鍵技術研究》、蔡世波《機器人多指靈巧手的研究現狀、趨勢與挑戰》請務必參閱正文之后的重要聲明4目 錄五指靈巧手概述五指靈巧手在航空航天領域的應用投資建議風險分析請務必參閱正文之后的重要聲明5五指靈巧手在航空航天領域的應用在超低溫、強輻射、高真空、高速度的太空環境下，利用靈巧手從事各種探測、研究、實驗顯然更具備優勢。目前機器人尚不具備取代人類的能力，但可以在重復或危險任務中為宇航員提供支持。在遠程操控系統的控制下，靈巧手可以執行許多艙外活動，如移除絕緣層蓋、操作螺絲刀等。典型的案例包括：1）美國NASA（美國航空航天局）的Robonaut

手和Robonaut

2手；2）德國DLR（德國宇航中心）的的

DLR-I

和DLR-II

手；3）中國哈工大的HIT手，及與DLR合作研發的DLR/

HIT手。請務必參閱正文之后的重要聲明6資料來源：

DLR

《Dexhand

:

a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》圖4：五指靈巧手的功能需求DEXHAND應能夠掌握以下艙外工具：鉗子，并支持其操作剪刀，并支持其操作小型切割器，并支持其操作刷，并支持其操作錘，并支持其操作鏟，并支持其操作切割機，并支持其操作系繩，并支持其操作內六角扳手，并支持其操作手槍式握把工具（自動螺絲刀）并支持觸發致動開關注意：工具的成功操作意味著抓握的力量閉合，最好應實現形狀閉合。美國相關情況圖5：NASA的Robonaut計劃1999年，美國宇航中心（NASA）研制出Robonaut手。它是一種面向國際空間站應用的多指手，其設計目的是為了在危險的太空環境中替代人進行艙外操作。Robonaut手由5根手指、1個手掌、一個2自由度手腕和小臂組成。其拇指、食指和中指具有3個自由度，而無名指和小指各有1個自由度，手掌具有1個自由度，手腕具有2個自由度，共14個自由度。14個電機和驅動電路分布在長8in、直徑4in的小臂中。Robonuat手是空間機器人系統Robonuat的一個組成部分，該系統的開發目標是用機器人協助航天員在國際空間站執行艙外操作任務。2010年，在Robonuat手的基礎上，NASA和GM（通用汽車公司）于聯合研制出Robonaut2手。2011年2

月，Robonaut

2手作為Robonaut

2號機器人的一部分，被NASA發射到國際空間站，成為世界上第一個在太空服役的五指靈巧手。資料來源：

IEEE

Spectrum、韓如雪《腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》、孫成遠《腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗》請務必參閱正文之后的重要聲明7美國相關情況圖6：

Robonaut在空間站協助人類作業資料來源：

IEEE

SpectrumNASA最初打算將Robonaut操作分為

三個不同的階段。第一階段涉及固定操作，并于2013年底使用Robonaut軀干成功完成。第二階段是“IVA

Mobility”，其中IVA代表“車內”。在這一階段，Robonaut需要一種在國際空間站內部移動的方法，這就是腿的用武之地。第三階段是“EVA移動性”，腿部升級也是這一階段的關鍵，該階段將涉及在空間站外的真空中工作，因此需要對機器人進行更多重大硬件升級。由于太空中的失重環境，

Robonaut

2號的腿主要用于抓住空間站內的扶手，并幫助完成一系列機動與運動規劃實驗。請務必參閱正文之后的重要聲明8美國相關情況圖7：

Robonaut

Hand（左）和Robonaut

2

Hand（右）資料來源：韓如雪《腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》、孫成遠《腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗》作為Robonaut

手技術升級的換代產品，

Robonaut

2

具有諸多改進和優點。

設計層面：Robonaut

2手具有

14個自由度（手部12個+手腕2個）；

傳動方面：兩者都采用驅動器外置+腱傳動，但在方式上略有不同。

Robonaut手利用軟軸將電機的旋轉運動傳遞到手掌的絲杠內，軟軸主要作用的是傳遞旋轉運動。Robonaut

2手的腱傳遞的是直線運動；

傳感器方面：

Robonaut手只集成了最基本的位置和力傳感器，對外部環境的感知則采用有觸覺功能的數據手套；

Robonaut

2手直接在手指上安裝位置傳感器、六維力傳感器和腱張力傳感器等多種傳感器，提高了Robonaut2手的精確度和靈敏度。相比Robonaut

手，Robonaut2手的供電和通信連接線數量大幅減少。請務必參閱正文之后的重要聲明9美國相關情況圖8：Robonaut

2

主手指（食指+中指）圖10：Robonaut

2

主手指（食指+中指）遠端指骨傳動請務必參閱正文之后的重要聲明10圖9：Robonaut

2

大拇指圖11：Robonaut

2

大拇指的腱分布（N+1）資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–Designed

To

Do

Work

With

Tools》 資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》Robonaut

2分為主手指（食指+中指）、副手指（無名指+小指）、拇指。其中主手指有4個DOF，3個DOA，由4根肌腱控制，遠端指骨與中部指骨之間存在連桿耦合。副手指包含2個DOA，由2根肌腱控制。拇指包含4個DOA，由5根肌腱控制。美國相關情況圖13：

Robonaut

2

hand的腱驅動示意Robonaut

2

Hand

采用腱繩驅動，驅動器與電氣系統集中放置在前臂內，腱繩由導管引導，

從驅動器發出，經過腕關節，到達手指關節。整手的有效負載可以達到

9kg，手指在可以承受

2.25kg

的指尖力，指尖速度可以達到200mm/s。請務必參閱正文之后的重要聲明11資料來源：韓如雪《腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》圖14：

Robonaut

2

hand的執行器資料來源：韓如雪《腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》美國相關情況圖15：絕對關節位置傳感關節位置采用霍爾傳感器進行測量，關節轉動角度所引起的磁場變化影響霍爾電壓的變化，即霍爾效應，從而精確測量關節角位移的變化；指尖的抓握力采用多維力/力矩傳感器進行控制，每只手布置14個六維力矩傳感器；傳動系統中的腱設置腱張力傳感器。圖16：關節力矩傳感資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》圖18：關節力矩傳感資料來源：韓如雪《腱驅動空間多指靈巧手感知與控制關鍵技術研究》、L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》圖17：腱張力傳感請務必參閱正文之后的重要聲明12資料來源：呂博瀚《空間機器人多自由度靈巧手關鍵技術研究》資料來源：L.

B.

Bridgwater《The

Robonaut

2

Hand

–

Designed

To

Do

Work

With

Tools》德國相關情況圖19：

DLR德國宇航局機器人系統德國宇航局機器人和機電一體化研究所致力于正在開發高度自主的機器人，用于探索遙遠的行星、衛星和太陽系的小天體。官網展示的研究內容中，包含了機器人本體、手、腿、人機界面、移動平臺等多項內容。資料來源：德國宇航中心官網請務必參閱正文之后的重要聲明13德國相關情況圖20：德國宇航中心開發的靈巧手CLASH

HandDavid's

HandDEXHANDDLR

Hand

IIDLR-HIT

Hand

IIHybrid

Compliant

Gripper

(HCG)SpaceHand資料來源：德國宇航中心官網請務必參閱正文之后的重要聲明14德國相關情況作者：德國宇航中心發明初衷：Rollin‘

Justin機器人的末端執行器發明歷程：1998年德國宇航中心推出DLR

Hand

I和DLR

Hand三指版。2001年推出了DLR

Hand

II。DLR

Hand

II

的詳細參數

設計層面：全驅動方案，四個相同的模塊化手指，每個手指具有四個關節和三個自由度，內側關節和遠端關節以1:1直接耦合。手掌中有一個自由度。手一共13個自由度。對于每個手指模塊的控制，需要一個手指控制器模塊，每個手指模塊包含三個無刷直流電機。

結構形式

：驅動器內置

動力源：

無刷直流電機，驅動系統由無刷直流電機、齒帶、諧波減速器、底座接頭中的錐齒輪組成

傳動方案：齒輪/帶

傳感器：每個關節都配有關節角度傳感器和關節扭矩傳感器，還包括限位傳感器、溫度傳感器和位置傳感器圖21：各版本DLR

HandDLR

Hand

I DLR

Hand

三指版DLRHand

II電機資料來源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》；樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》15請務必參閱正文之后的重要聲明中部關節：11(24)

mNm,

17,000

rpm近端關節：24(35)

mNm,

6,000

rpm齒輪諧波減速器,1.8

Nm,

6,000

rpm,

100:1傳送帶近端關節1.2:1；中部關節2:1資料來源：德國宇航中心官網表1：DLR

Hand

II

驅動器數據部件 參數德國相關情況內側關節有一個電機，并通過傳動帶與減速器連接。第一和第二指節屬于固定耦合關系。具有兩個自由度的底座接頭為差動錐齒輪類型，由于幾何原因，諧波驅動齒輪直接與電機耦合。圖23：DLR

Hand

II圖24：DLR

Hand

II圖22：DLR

Hand

II資料來源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》資料來源：德國宇航中心官網請務必參閱正文之后的重要聲明16資料來源：DLR

RM圖25：DLR

Hand

II資料來源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》德國相關情況表2：DLR

Hand

II

每個手指中的傳感器配置傳感器類型數量/手指參數關節位置3110°(10

bit)120°(10

bit)關節力矩32.4;4.8N(11

bit)力/力矩110-40N;150Nmm(11

bit)電機速度3溫度60-125℃(8

bit)圖26：一個手指中的PCB請務必參閱正文之后的重要聲明17資料來源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》資料來源：德國宇航中心官網DLR

Hand

II每個手指中的傳感器配置：3個關節位置傳感器：專門設計的導電塑料電位計3個關節力矩傳感器：應變儀傳感器3個電機位置/速度傳感器：帶插值的霍爾傳感器1個指尖六維力矩傳感器：應變儀傳感器3個電機溫度傳感器：NTCs3個溫度補償傳感器：集成傳感器資料來源：J.

Butterfa《DLR-Hand

II:

Next

Generation

of

a

Dextrous

Robot

Hand》圖27：指尖用六維力矩傳感器德國相關情況圖28：DEXHANDDEXHAND是德國宇航中心(DLR)于

2011

研制的面向空間應用的多指靈巧手，也是目前唯一具備空間工作能力的空間靈巧手。該靈巧手由四根模塊化手指構成，每根手指有4個活動關節、3個獨立自由度。其中，MP關節是一個2自由度關節，通過2組驅動器耦合驅動；DIP關節與PIP關節通過“∞”字型耦合，形成1:1的傳動比，由1個電機驅動。Dexhand的模塊化手指由電機與諧波減速器所構成的驅動單元驅動，由Dyneema腱繩傳動，可以輸出25N指尖力。Dexhand的傳感器系統十分豐富，主要包括關節力矩傳感器、溫度傳感器以及用來標定關節初始位置的裝置。請務必參閱正文之后的重要聲明18資料來源：王海榮《仿人型靈巧手拇指靈巧性設計方法的研究》德國相關情況圖29：DEXHAND手指驅動原理資料來源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》

驅動單元：Robodrive

ILM

25電機，包含傳動比例為100:1的諧波減速器HFUC

8。整體放置在直徑27mm、長17.5mm、重46g的圓柱體。該裝置可提供2.4Nm的連續扭矩，峰值為9Nm。DEXHAND中電機最大扭矩限制為2Nm，以免電流過大。請務必參閱正文之后的重要聲明19圖30：DEXHAND手指驅動原理資料來源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》

傳動系統：整體使用諧波減速器+聚乙烯腱，將扭矩傳遞至各關節，這避免了手指中出現電子設備，以提高屏蔽性能和堅固性。MP（基關節）含兩個自由度，由兩個電機驅動，由于MP關節中的腱耦合，兩個電機可同時作用于同一個自由度。德國相關情況圖31：構成掌骨關節基座的應變計傳感器主體每個驅動關節都有一個位置傳感器，由基于霍爾效應的磁鐵組成。關節扭矩由基于應變橋的扭矩傳感器測量（每個手指3個）。此外還有部分溫度傳感器。傳感器都放置于手指中。為了應對復雜的空間環境，Dexhand進行了特殊的設計：1）驅動器及電氣系統都集中在手掌內，并通過2mm厚的鋁質外殼來屏蔽電磁干擾，降低溫度影響。2）鋁質的外殼經過精細的加工，去除了菱角等尖銳的地方防止電荷積聚形成的電磁干擾。3）所有的電氣接頭都經過特殊設計，以便于對接頭進行屏蔽保護，不易脫落。4）所有電子元器件都經過電磁兼容性測試。機器人技術是太空任務中的一項關鍵技術，盡管其要求緊湊性和輕量化設計，但復雜的機器人系統必須承受太空的影響（溫度、真空、放射性、潤滑劑、振動和沖擊載荷）。DLR（德國宇航局）正在與歐空局一起研究在國際空間站上使用遠程操作系統來幫助宇航員。為了能夠使用為宇航員開發的工具，DEXHAND只有一只用于艙外活動的手套大小。其扭矩測量和阻抗控制實現了靈敏的操作，直觀的操作員界面縮短了學習時間。資料來源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》圖32：DEXHAND鋁質外殼請務必參閱正文之后的重要聲明20資料來源：Maxime

Chalon《Dexhand:a

Space

qualified

multi-fingered

robotic

hand》傳

感器：中國相關情況作者：德國宇航中心、哈爾濱工業大學發明用途：Justin空間機器人遠程操作發明歷程：2001年開始，DLR/HIT

Hand在DLR

Hand

II的基礎上開始被研發，2004年推出DLR/HIT

Hand

I后，2006年又推出了DLR/HIT

Hand

II設計層面：一代為四指結構，二代為五指結構；欠驅動結構，每個手指有4個關節和3個驅動器（二代）；

結構形式

：驅動器內置

動力源：

無刷直流電機

傳動方案：齒輪/帶（二代）

傳感器：每個關節都配備了一個非接觸式磁性關節角度傳感器和一個關節扭矩傳感器，共有89個傳感器（二代）

應用領域：第一代為非商業化版本，第二代為商業化版本。主要用作空間機器人、服務機器人、遠程控制。

目前DLR-HIT

Hand

II

被用作Space

Justin上進行遙控操作的工具圖33：

DLR/HIT

HAND

I

and

II（右）資料來源：德國宇航中心官網；Liu

H,

Meusel

P,

Seitz

N,

et

al.

The

modular

multisensory

DLR-HIT-Hand[J]；西安交通大學官網請務必參閱正文之后的重要聲明21中國相關情況圖35：安裝在

DLR

JUSTIN

上的DLR/HIT

Hand

II圖34：DLR/HIT

HAND

I

的模塊化手指圖36：DLR/HIT

Hand

II靈巧手的基關節部分資料來源：德國宇航中心官網資料來源：德國宇航中心官網資料來源：Hong

Liu《The

Modular

Multisensory

DLR-HIT-Hand

Hardware

and

Software

Architecture》DLR/HIT

HAND

I

沿襲了DLR

Hand

II的掌指關節錐齒輪結構。錐齒輪由雙電機驅動，電機直徑16mm，長度28mm，附加減速比159:1的行星齒輪。兩電機同向運動，基關節卷曲/伸展；兩電機反向運動，基關節外展/內收。近端關節與遠端關節通過連桿傳動。連桿由直流電機+諧波減速器驅動。諧波減速器直徑20mm，長13.4mm，減速比100:1。DLR/HIT

HAND二代基關節仍然保留了差動錐齒輪。請務必參閱正文之后的重要聲明22中國相關情況圖38：手指指節結構圖資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》圖37：靈巧手的基關節部分請務必參閱正文之后的重要聲明23兩個內置位置傳感器的盤式電機（型號：

EC-20）和諧波減速器并排橫臥于手指后側。為了有效減小基關節的橫縱向尺寸，保持電機和諧波減速器的最佳傳動效率，在電機和諧波之間及諧波和差動機構之間采用了兩套不同類型的同步帶減速機構。手指單元的驅動器同樣是盤式電機，

該電機橫臥于第一關節內部、諧波減速器橫臥于手指第三關節

J3

處。二者之間的同步帶機構同基關節相同，手指的末端關節J4

并不是獨立自由度，而是通過鋼絲機構實現的耦合傳動把動力傳遞到末端關節。資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》中國相關情況圖41：手指傳感器系統圖39：指關節扭矩傳感器資料來源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》圖42：手指關節位置傳感器圖43：六維指尖傳感器及其結構

力感知傳感器：二維力矩傳感器放置在手指基關節差動耦合機構的輸出端，十字梁式的彈性體作為手指力矩的輸入端嵌入到手指單元內。指尖一維力矩傳感器放置在手指的指尖關節處的回轉處，同指尖關節軸及鋼絲輪構成了手指第四關節的主體結構。指尖集成了六維力矩傳感器。

位置感知傳感器：集成了兩種類型的位置傳感器，一種是絕對位置傳感器，該傳感器直接集成在盤式電機內部，

用于在電機空間檢測電機的運動狀態。另一種是集成在手指關節處的相對位置傳感器，兩種類型的傳感器能夠提高靈巧手的末端狀態信息度精確度，提高手指控制精度。為了在最佳位置放置位置傳感器，采用兩種類型的相對位置傳感器。一種是基于電位計式，其中用于檢測電壓變化的雙電阻環固定在手指基關節框架上。另一種基于霍爾效應的非接觸式相對位置傳感器。

觸覺傳感器

：優化后的觸覺傳感器的形狀不但完全覆蓋了指尖表面，而且能夠保證壓阻單元點陣列的規則性。圖40：指尖用柔順性觸覺傳感器的結構及實物請務必參閱正文之后的重要聲明24傳感器類型個數/手指關節力矩3關節位置3電機位置3力/力矩1溫度2表3：傳感器數量資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》資料來源：樊紹巍《類人型五指靈巧手的設計及抓取規劃的研究》資料來源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》資料來源：H.

Liu《MultisensoryFive-Finger

Dexterous

Hand:

TheDLR/HIT

Hand

II》請務必參閱正文之后的重要聲明25中國相關情況2016年，中國天宮二號航天員與空間機械手的人機進行了協同在軌維修科學試驗。天宮二號空間機械手由哈工大研制，包含多感知柔性機械臂、五指仿人靈巧手、控制器及其軟件、手眼相機、人機交互設備及其軟件等研制任務。2016年9月15日，空間機械手隨天宮二號發射入軌。2016年10月19日，天宮二號與神舟十一號對接后，航天員與機械手協同完成了拿電動工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學試驗。人機協同在軌維修試驗是天宮二號三大關鍵試驗任務之一，航天員地面培訓共計10人天、在軌操作共計80人時。截止2016年11月13日，圓滿完成全部試驗任務。圖44：天宮二號空間機械手資料來源：哈工大工學部五指靈巧手在航空航天領域的應用國家是否實際應用驅動設計傳動方式企業重量指尖力(N)DOF（自由度）Robonaut

Hand美國√全腱/連桿NASA2.25kg14DLRHand

II德國全齒輪/帶德國宇航中心1.8kg3013dexhand德國全腱德國宇航中心4kg2512DLR/HITHand