（本文素材源于专利WO2024073138A1）一个机器人手系统可以包括一个手掌区域和一个或多个手指，每个手指包括一个驱动装置；一个近端部件，其第一端机械地耦合到手掌区域并配置为绕着相对于手掌区域的第一枢轴旋转；一个远端部件，其第一端机械地耦合到近端部件的第二端，并配置为绕着相对于近端部件的第二枢轴旋转；一根电缆，其第一部分耦合到驱动装置，第二部分沿着近端部件和远端部件延伸，第二部分与第一枢轴和第二枢轴分离，且其末端具有比电缆直径更大的尺寸，具有更大尺寸的末端结构用于在驱动装置拉动电缆时与远端部件啮合。翻译而来供参考，亦可阅读英文原版、中文版本（见文末）。
图1是一个示例仿人机器人100的示意图，根据一个实施例，可以集成本文所描述的系统和方法。仿人机器人100可以包括上半身102、两只手臂104和两条腿106。上半身102可以包括一个用于控制机器人100的控制器108。控制器108可以包括处理电路110和通信接口112。处理电路110可以与通信接口112进行通信连接。处理电路110可以包括处理器114和存储器116。机器人100可以包括多个与关节相关的驱动器118。每只手臂104可以包括相应的手部120。机器人100还可以包括一个或多个传感器，用于感知机器人100的参数或其周围环境。机器人100也可以包括一个或多个摄像头。
处理器114可以实现为单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑设备、离散门电路或晶体管逻辑、离散硬件组件，或其设计为执行本文描述功能的任意组合。处理器114可以是微处理器。处理器114还可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核心结合使用，或其他类似配置。在某些实现中，控制器108可以包括一个或多个处理器114。
存储器116（例如，存储单元和/或存储设备）可以包括一个或多个设备（例如，RAM、ROM、闪存、硬盘存储）用于存储数据和/或计算机代码，以完成或促进本公开中描述的各种流程。存储器116可以与处理器114通信连接，以向处理器114提供计算机代码或指令，用于执行至少一些本文描述的流程。此外，存储器116可以是或包括有形的、非瞬态的易失性或非易失性存储器。例如，存储器116可以包括数据库组件、对象代码组件、脚本组件或任何其他类型的信息结构，以支持本文描述的各种活动和信息结构。
通信接口112可以包括任意组合的有线和/或无线接口（例如插孔、天线、发射器、接收器、收发器、线端子），用于与机器人100的各类系统或设备进行数据通信。例如，通信接口112可以使处理电路110（或处理器114）与机器人100集成的驱动器118、传感器或摄像头之间进行通信。在某些实现中，通信接口112可以使机器人100与远程系统或设备进行通信。
处理电路110或处理器114可以被配置为控制机器人100的关节。处理电路110或处理器114可以通过控制相应的驱动器118来控制与关节相关的动作。具体而言，每个关节可以包括或与一个或多个驱动器118相关联，这些驱动器被配置为驱动通过关节连接的机器人部件或元素的运动。如下面进一步讨论的，处理电路110或处理器114可以向驱动器118发送指令，以引起或触发机器人100的一个或多个元素或部件的精确运动。处理电路110或处理器114可以同时控制多个关节，以实现机器人100的协调运动。
处理电路110或处理器114可以接收来自集成在机器人100中的传感器和/或摄像头的数据，并根据接收到的数据做出决策，例如决定移动机器人100的哪些元素以及如何移动。例如，从传感器和/或摄像头接收到的数据可以指示机器人100路径上的障碍物。处理电路110或处理器114可以决定修改路径，并根据修改后的路径确定机器人100的一个或多个肢体或部件的移动。在某些实现中，处理电路110或处理器114可以从远程设备或系统接收与机器人100要执行的任务相关的数据，并确定机器人100的肢体或部件的移动顺序，以执行该任务。
尽管图1显示控制器集成在机器人100的胸部或上半身区域，通常控制器108可以放置或集成在机器人100的其他区域或部位。例如，机器人100可以包括一个头部，控制器108可以集成在头部内部或头部上。在某些实现中，控制器108可以放置在背部、腰部区域内部或上，或者放置在机器人100的某个肢体内部或上。
图2展示了一个机器人手200的正视图，根据一个实施例。该手200可以包括一个手掌区域202和多个手指，例如手指204a-204e，本文中也可以分别或共同称为手指204。手200的结构类似于人类的手，包括一个拇指手指204a和四个前指204b-204e。每个手指204a-204e可以包括一个相应的近端部件，例如近端部件206a-206e，以及一个相应的远端部件，例如远端部件208a-208e。
近端部件206a-206e也被称为近端部件206或近端链接206。远端部件208a-208e也被称为远端部件208或远端链接208。每个近端部件206可以配置为相对于手掌区域202旋转，例如围绕将近端部件206与手掌区域耦合的相应第一枢轴旋转。同样，每个远端部件208可以配置为相对于相应的近端部件206旋转，例如围绕将远端部件208与相应近端部件206耦合的相应第二枢轴旋转。
在一些实现中，每个手指204a-204e（或其子集）可以包括一个相应的基部件，例如基部件210a-210e。基部件210a-210e也被称为基部件210或基链接210。每个基部件210可以机械地固定在手掌区域202上，并与相应的手指204中的近端部件206机械耦合。例如，每个近端部件206可以通过相应的第一枢轴机械耦合到相应的基部件210。每个近端部件206可以配置为相对于相应的基部件210旋转，例如围绕相应的第一枢轴旋转。
每个手指204都可以独立于其他手指204进行驱动。图2所示的手（或手装置）200是一个拟人化的手，其结构模仿人类的手。特别是，手200包括一个拇指手指204和四个前指204b-204e。然而需要注意的是，本文描述的系统可以应用于其他类型的机器人手，它们可以具有任意数量的手指204。例如，本文描述的系统和方法可以集成或应用于单手指机器人手或多手指机器人手。更广泛地说，本文描述的系统和方法可以用于或集成到机器人的其他部件中，例如不局限于手指和/或手。
图3A-3C展示了手200的部分透明视图（图2中的手），根据一个实施例。图3A显示了手200的正视图，其中手掌区域202部分透明。图3B显示了没有拇指手指204a且手掌区域透明的手200。图3C显示了带有拇指手指204a但没有前指204b-204e且手掌区域透明的手200。
手200可以包括六个驱动器302a-302f。每个前指204b-204e都可以包括或与相应的驱动器302b-302e相关联。例如，驱动器302b可以驱动手指204b的近端部件206b和远端部件208b的运动，驱动器302c可以驱动手指204c的近端部件206c和远端部件208c的运动，驱动器302d可以驱动手指204d的近端部件206d和远端部件208d的运动，驱动器302e可以驱动手指204e的近端部件206e和远端部件208e的运动。每个驱动器302b-302e可以放置或集成在手掌区域202中，并与相应的手指204对齐或基本对齐。更广泛地说，驱动器302b-302e可以沿着手200和/或手指204的纵向方向排列或放置在手掌区域202内。
每个驱动器302b-302e可以被视为对应手指（或手指装置）204的一部分。例如，手指（或手指装置）204b可以包括相应的驱动器302b，手指（或手指装置）204c可以包括相应的驱动器302c，手指（或手指装置）204d可以包括相应的驱动器302d，手指（或手指装置）204e可以包括相应的驱动器302e。每个驱动器302b-302e可以包括相应的变速箱，例如变速箱304b-304e。例如，驱动器302b可以包括变速箱304b，驱动器302c可以包括变速箱304c，驱动器302d可以包括变速箱304d，驱动器302e可以包括变速箱304e。
参照图3C，拇指手指204a可以包括或与两个驱动器302a和302f相关联。驱动器302a可以是一个拇指驱动器，类似于驱动器302b-302e。换句话说，驱动器302a可以被配置为驱动近端部件206a和远端部件308a的运动，方式与驱动器302b-302e驱动相应的近端部件206b-206e和远端部件208b-208e的方式相似。驱动器302f可以是一个外展/内收（Ab/Ad）驱动器，被配置为驱动拇指的外展和内收运动。在某些实现中，驱动器302a和302f可以排列或集成在手掌区域，并且与手200或前指204b-204e的纵向方向水平或基本垂直。驱动器302a可以包括变速箱304a，驱动器302f可以包括变速箱304f。
每个驱动器302a-302f在本文中可以分别或共同称为驱动器302。同样，变速箱304a-304f在本文中可以分别或共同称为变速箱304。驱动器302和变速箱304将在下文进一步描述。
现在参照图4A-4F，展示了一个由电缆驱动的手指（或手指装置）400的各种视图，根据一个实施例。图4A和图4C展示了手指400处于直立位置的正视图，图4B展示了手指400处于直立位置的背视图。图4D展示了手指400处于直立位置的侧视图，图4E展示了手指400处于弯曲位置的侧视图。图4F展示了手指400的分解视图，根据一个实施例。
参照图4A-4C，手指400可以包括一个近端部件402，其第一端404机械地耦合到手掌区域202，并配置为围绕相对于手掌区域202的第一枢轴406旋转。第一枢轴406在本文中可以称为枢轴结构，且可以包括销、销钉或其他耦合结构，以便使近端部件402旋转。手指400可以包括一个远端部件408，其第一端410机械地耦合到近端部件402的第二端412，并配置为围绕相对于近端部件402的第二枢轴414旋转。第二枢轴414在本文中可以称为枢轴结构，且可以包括销、销钉或其他耦合结构，以便使远端部件408相对于近端部件402旋转。
手指400可以包括一根电缆416，其与驱动器302耦合（或机械耦合）。电缆416的第一端或第一部分可以与驱动器302耦合，电缆的第二部分418。在某些实现中，电缆416的第一部分可以绕在驱动器302或相应的变速箱304的滑轮上。电缆416可以包括一个第二部分418，沿着近端部件402和远端部件408延伸或浮动。例如，当电缆416被驱动器302驱动（例如被拉动）时，第二部分418可以自由地沿着手指400移动。在某些实现中，电缆416或第二部分418可能没有在任何位置上固定到近端部件402，也没有固定到远端部件408。
电缆416或第二部分418可以沿着近端部件和远端部件408布置，使其远离第一枢轴406和第二枢轴414。换句话说，电缆416或第二部分418不会绕在第一枢轴406和第二枢轴414周围。例如，电缆416或第二部分418可以沿着手指400的前部布置，靠近第一枢轴406，而不会绕在第二枢轴414周围。特别地，当电缆416或第二部分418的路径不经过第一枢轴406和第二枢轴414时，近端部件402绕第一枢轴406旋转和/或远端部件408绕第二枢轴414旋转时，电缆将保持其路径。
现在参照图4D和4E，电缆416或第二部分418的末端420可以与一个比电缆416直径更大的尺寸（例如厚度或直径）相关联。具有较大尺寸的末端420可以位于远端部件408处，并设计用于在电缆416被驱动器302拉动时与远端部件408啮合。例如，末端420可以包括一个填充端、带有填充插入物的端部或连接到旋钮或其他具有比电缆416直径更大尺寸的结构的端部。当电缆416被驱动器302拉动时，末端420可以与远端部件408或其结构啮合，以使近端部件402或远端部件408中的至少一个移动。例如，当电缆416被驱动器302拉动时，末端420可以与远端部件408或其结构啮合，从而导致近端部件402围绕第一枢轴406旋转和/或远端部件408围绕第二枢轴414旋转。
在一些实现中，手指400可以包括一个沿着近端部件402和远端部件408至少部分延伸的通道结构424。该通道结构可以至少部分接收或容纳电缆416的第二部分418。在某些实现中，通道结构424可以包括一个或多个凹槽、槽或管道。通道结构424可以为电缆416或第二部分418提供一个导管，使其在被驱动器302驱动时可以沿着手指400来回移动。在某些实现中，如图4D和4E所示，通道结构424可以包括一个位于或位于近端部件402的第一通道部分426，以及一个位于或位于远端部件408的第二通道部分428。换句话说，通道结构424在近端部件402和远端部件408之间的关节处是不连续的。
在一些实现中，位于远端部件408处的第二通道部分428可以包括一个台阶结构430。当电缆416被驱动器302拉动时，与较大尺寸相关联的末端420可以被设计为与位于远端部件408的第二通道部分428的台阶结构430啮合。在某些实现中，与较大尺寸相关联的电缆416末端420可以被设计为与位于远端部件408的第二通道部分428（或通道结构424）的末端啮合，当电缆416被驱动器302拉动时。
在一些实现中，电缆的末端420（或第二部分418）可以在第二通道部分428（或通道结构424）中浮动。换句话说，电缆的末端420（或第二部分418）可能不会固定连接到远端部件408。在某些实现中，电缆416的末端420（或第二部分418）可以在位于远端部件408内的一个口袋或空间中浮动。例如，口袋或空间可以位于远端部件408的末端，在第二通道部分428（或通道结构424）之外。
在一些实现中，如图4D和4E所示，近端部件402和远端部件408可以被设计为形成一个凸曲面432，例如在第一通道部分426和第二通道部分428之间，当手指400弯曲或远端部件408绕枢轴414旋转时，使电缆416按照预定的半径弯曲。电缆通常具有较小的弯曲半径，这可能导致它们在弯曲时断裂。通过使电缆416按照较大的半径弯曲，例如大于电缆416的典型弯曲半径，可以避免电缆416断裂，从而提高电缆的稳定性。凸曲面432的一部分可以位于近端部件402中，另一部分可以位于远端部件408中。
参照图4A-4C，手指400可以包括一个放置在第一枢轴406处或周围的第一扭转弹簧434，以及一个放置在第二枢轴414处或周围的第二扭转弹簧436。第一扭转弹簧434可以设计或配置为在近端部件402和手掌区域202之间的关节处提供一定的刚度，第二扭转弹簧436可以设计或配置为在近端部件402和远端部件408之间的关节处提供一定的刚度。关节或枢轴406和414处的刚度有助于手指系统400的稳定性。
在一些实现中，手指（或手指系统）400可以包括一个基部件438。基部件438可以固定在手掌区域202上。近端部件402可以通过基部件438耦合到手掌区域202。例如，近端部件402可以通过枢轴406耦合到基部件438，并配置为相对于基部件438围绕枢轴406旋转。
图4F展示了手指（或手指系统）400的分解视图，根据一个实施例。每个枢轴406和414可以包括一个销钉。扭转弹簧436（在图4F中称为远端扭转弹簧）可以放置在销钉上，销钉可以通过轴承固定到远端部件（或远端连接件）408和/或近端部件（或近端连接件）402上。扭转弹簧434（在图4F中称为近端扭转弹簧）可以比扭转弹簧436大（例如，直径更大），且刚度可能比扭转弹簧436更大。弹簧支架可以放置在销钉上以固定扭转弹簧434，弹簧支架可以通过轴承固定到远端部件（或远端连接件）408和/或近端部件（或近端连接件）402上。
图4F中将电缆416称为腱索。位于远端部件408内的电缆416的末端420可以连接到一个手动张紧器上，以在电缆416被驱动器302驱动时与远端部件408啮合。手动张紧器可以在一个带有弹簧的自动张紧器中浮动。自动张紧器可以布置在远端部件408的一个口袋或空间中，位于通道结构424的末端。
在某些实现中，如图4D-4F所示，容纳电缆416浮动末端420的通道部分428可以相对于手指400的背面表面处于一个角度。
现在参照图5A和5B，展示了另一个手指（或手指系统）500的内部视图，根据一个实施例。与手指400类似，手指500可以包括一个近端部件502和一个远端部件504。手指500还可以包括一个基部件506。远端部件504可以被设计或配置为绕枢轴506相对于基部件506或相对于手掌区域202旋转。远端部件504可以被配置为绕枢轴510相对于近端部件502旋转。手指500可以包括一个电缆512，其第一端连接到驱动器302，第二端位于远端部件504中。电缆512或其部分可以沿着近端部件502和远端部件504延伸，并且远离枢轴508和510。
手指500可以包括一个或多个管道，例如管道514和516，形成部分容纳或接收电缆512的通道。电缆512的第二端可以浮动（未连接、固定或固定）在远端部件504的一个区域（或口袋区域）518中。电缆512的第二端可以带有一个填充插入件520，该插入件被设计为在电缆512被驱动器302拉动时与口袋区域518的末端啮合。
手指（或手指系统）400和500或其机制可以用于或集成在图2中的手200中。图2中的任意手指204a-204e都可以实现为手指400或手指500。需要注意的是，不同图中或实施例中描述的特征可以在一个单一实施例中结合。例如，手指500的口袋区域518可以应用于手指400。同样，填充插入件520可以集成在图4中的手指400中。
与图4A-4F和图5A-5B相关的电缆416、512的布线相较于传统的电缆驱动系统具有多种技术优势。具体来说，传统的电缆驱动手指会将电缆416绕在枢轴406和414上。电缆416可能是金属电缆，而金属电缆具有固定的弯曲半径。在传统系统中，电缆416会绕在关节处的枢轴上，以保持恒定的半径在弯曲时避免电缆断裂，因为这些电缆通常具有很小的弯曲半径。然而，将电缆416绕在枢轴406和414上会限制手指的运动范围（或近端部件402和远端部件408的运动范围）。
图4A-4F和图5A-5B中描述的电缆布线可以施加更多的力，特别是在近端部件402和远端部件408之间的角度减小时。施加的力实际上是电缆416离关节有多远的函数。随着电缆416距离关节越来越远，手200闭合时可以施加更多的力，这可以在空间中微调扭矩曲线。本文描述的电缆布线（未绕在枢轴上）也有助于产生更均衡的关节扭矩，并有助于微调扭矩，而不是像传统系统中那样微调变速箱。微调变速箱会导致各种问题，例如使用非同心和/或不对称齿轮，使设计更复杂。通过使用手指结构（例如，电缆相对于关节的位置、手指部件的长度和/或其他参数）微调扭矩，而不是微调变速箱，可以减少零件数量并降低零件复杂性。
现在参照图6A-6G，展示了包括两个手指的系统600的运动仿真结果，根据一个实施例。图6A显示了系统600，包括一个拇指手指602和一个食指604。图6B-6G展示了视频序列的样本帧，描绘了手指602和604相互靠近的运动。
当驱动器302或变速箱304拉动两个手指602和604的电缆时，手指602和604向彼此移动。图6B-6G中显示的圆形标记表示手指400中的凹槽（或曲面），这些凹槽允许电缆保持不弯曲，并能够调节扭矩。随着手指602和604的弯曲，电缆（用黑线表示）与相应关节之间的距离增加，表明每个关节与电缆之间的半径或距离在变化。每个手指的近端部件和远端部件的运动表明电缆的作用非常类似于人类手指中的肌腱。此外，电缆的半径（或与关节的距离）变化的事实，有助于将一些复杂性从变速箱304转移到手指本身。
图7A-7C展示了一个变速箱304的示意图，根据一个实施例。变速箱304可以包括一个齿轮702（例如蜗轮）和一个蜗杆704。齿轮702可以固定在驱动器302的轴上。当电机旋转轴时，齿轮也随之旋转，并使蜗杆704旋转。蜗杆704可以包括一个滑轮706，电缆416可以连接到滑轮706。例如，电缆416的一部分可以绕在滑轮706上。随着齿轮702的旋转，电缆被拉动或从滑轮706上解开。
图8A和8B展示了使用霍尔效应传感器802监测手指或其相应部件位置的示意图，根据一个实施例。手指（例如手指400）可以包括一个磁铁804，例如一个环形磁铁。磁铁804可以耦合到近端部件402和手掌区域202（或基部件438）之间的枢轴406。手指400可以包括一个靠近相应磁铁804放置的霍尔效应传感器802。例如，霍尔效应传感器803可以放置在基部件438或手掌区域202中。霍尔效应传感器802可以感知或测量磁铁804产生的磁场。当近端部件402旋转时，磁铁804也会旋转。霍尔效应传感器802不随近端部件402移动，能够检测到近端部件402旋转时磁场的变化。霍尔效应传感器802可以与处理器114通信连接。处理器114可以基于测量的磁场确定近端部件402的位置或旋转角度。
在一些实现中，手200中的每个手指可以包括一个相应的霍尔效应传感器802和一个相应的磁铁804。在一些实现中，手指400（或手200中的每个手指）可以包括一个放置在或围绕枢轴414的磁铁和一个在近端部件中布置在磁铁804附近的霍尔效应传感器802。处理器114可以使用霍尔效应传感器802检测远端部件相对于近端部件402的位置或旋转角度。
在某些实现中，手指400（或手200中的每个手指）可以包括一个用于监控近端部件402位置的第一霍尔效应传感器和一个第一磁铁，以及一个用于监控远端部件408相对于近端部件402位置的第二霍尔效应传感器和第二磁铁。在某些实现中，磁铁804可以包括一个环形磁铁，放置在枢轴406或枢轴414周围。
图9展示了一个用于优化电缆驱动手指参数的框架900，根据一个实施例。该框架包括两个手指和一个被两个手指抓握（或即将抓握）的物体。每个手指都有一个对应的近端连接件和一个对应的远端连接件。每个手指由对应的电缆驱动，并对物体施加相应的力。
自适应手指机制本质上是不稳定的。优化的目标是求解手指的最佳参数，包括手指的长度（例如手指的近端和远端部件的长度）、关节刚度（例如由相应的扭转弹簧引入的刚度）、关节位置和电缆布线（例如距关节的距离）。优化过程可以包括最小化接触后工作量（例如物体相对于手指的位移）和最大化可抵抗的外力。最小化接触后工作量意味着在物体被抓握后，尽量减少物体相对于手指的移动（例如打滑）。这预计将导致更可靠和稳定的抓握。最大化可抵抗的外力意味着在抓握物体后，最大限度地抵抗外部施加的力量。这将防止或减轻在遇到障碍时物体掉落的可能性。
力FxL和FyL分别表示左侧手指在x轴和y轴上的力。力FxR和FyR分别表示右侧手指在x轴和y轴上的力。这些力都取决于电缆的位置或布线。优化可以在一组约束条件下进行，例如平衡约束、扭矩平衡、手部模型约束、闭合约束和/或运动学约束等其他约束条件。
在某些实现中，可以对抓取各种物体的动作进行建模或仿真，在不同位置下模拟，并通过包含内存和处理器的计算机系统求解最佳参数（例如，最佳组件和组件位置）。失效模式可能包括物体弹出、失去抓握力和/或失去稳定性。解决优化问题可能包括确定电缆位置或与关节的距离、弹簧的刚度和/或手指或其连接部件的长度。
图10A和10B展示了一个优化模型和优化手模型的仿真。特别是，图10A显示了在优化中考虑的近端部件和远端部件的变量。图10B展示了一个示例手模型的仿真，包含通过计算机系统解决图10A中所示的优化问题后估算的电缆位置和代表性的几何结构。
图11A-11C展示了仿真结果，描绘了电缆驱动手指的有效力臂、可行力范围、接触向量场以及能量损失的情况，如本文所述的实施例。
尽管本文所述的实施例主要针对仿人机器人的膝关节组件进行讨论，但这些实施例同样可以应用于其他类型的关节和/或其他类型的机器人。
声明：本文素材来源于https://patentimages.storage.googleapis.com/e4/d0/9f/4ebc9a8480c938/WO2024073138A1.pdf 致敬原作者。侵权可后台联系删除。
篇幅所限，以上仅摘录部分内容。
如需获取英文原版、中文版本，
请加入知识星球，并搜索编号“A214”获取详细资料。
另在知识星球有一篇非公开资料，
《端到端纯视觉智能体的发展思考：从自动驾驶3.0到人形机器人（编号S120）》
