第二代Robonaut手部相比其前代有了诸多优势。这款机电一体化设备具备更高的灵活性，并且在力控制和感知方面得到了改进，使其能够抓取和操作更多种类的工具。与初代相比，它能在更高速度下实现更大的峰值力。这款手部由通用汽车和NASA合作开发，设计目标是更接近人类的手部结构。其类人化的设计使其能够实现更多适用于人类交互界面的抓取方式。手部性能提升的关键在于使用了低摩擦驱动元件，并将部分组件从手部移至前臂，这样使得手指和手掌中增加了更多的感知能力，这正是关键所在。本文介绍了该手部的设计、机械与电气集成以及控制特性，并分享了开发和初期操作中的经验教训，同时提出了未来改进计划，以进一步提升其性能。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译本（见文末）。
一. 引言
美国国家航空航天局（NASA）与其合作伙伴通用汽车（GM）联合开发了Robonaut 2（R2）手部设备，旨在打造一款能够适应广泛人机交互界面的设备，超越了最初仅用于宇航员太空行走工具的任务要求【1】。GM与NASA共享的愿景是让人类与机器人协同工作，并将人员的安全作为最高优先事项。通过与NASA的合作，GM延续了其长期努力，即利用机器人技术帮助员工完成目前在人体工程学上具有挑战性的任务。而对于NASA而言，与GM的合作则是资源与专业知识的结合，以制造出性能更优的Robonaut及更加先进的机器人手部。
自20世纪90年代末开发初代Robonaut手部以来，灵巧手技术已经取得了许多重要进展。在过去十年间，已经出现了多种先进手部设备。其中，三指的HRP-3手部为一个出色的行走类仿人机器人提供了强大的抓取能力【2】。SSL手部通过在简单性与灵活性之间寻求平衡，实现了对多种工具的兼容性【3】。DLR的最新设计从内置设计转向了外置设计【4】，进一步提升了其性能并延续了系列出色的设计【5】【6】。
像任何试图重现人类能力（本例为人手）的努力一样，R2手部的开发仍在持续改进中。与Robonaut 1手部相比，R2手部的重要改进包括增加拇指的自由度（DoF）、扩大关节运动范围、减少电线数量以及提高耐用性。本文将介绍R2手部的设计理念、机械结构、传感系统、航空电子系统、控制方案、应用领域、开发中的经验教训以及未来的发展方向。
二. 设计理念
如图1所示，R2手部和前臂的设计目标是进一步优化其前代Robonaut 1所实现的人类手部能力的近似【1】。这款拥有五指的灵巧手部与前臂是一个完全自包含的单元，所有的电机和航空电子系统都被集成在前臂内部。此外，与Robonaut 1相比，R2手部的电源和通信导线数量大幅减少，从原来的80多根减少至仅6根导线。这种改进使R2手部成为完整仿人机器人中的重要子系统，同时也是一个模块化、高度灵活的独立末端执行器。
图 1. Robonaut 2 手部和前臂，集成全部航空电子系统
R2手部的模块化设计也延续到了手指部分，每根手指都被视为一个独立的子组件。执行器的布局和设计同样采用模块化结构，便于快速更换组件和子部件。此外，前臂设计了与上臂的快速断开接口，方便进行维护和组装。
仿真在评估候选设计时是一个重要工具。Cutkosky的抓握分类法【7】是评估灵活性的重要基准。虽然Robonaut 1手部只能实现该分类法中约50%的抓握方式，但R2手部设计成功覆盖了90%以上的抓握类型【8】。图2展示了R2手部模拟了Cutkosky分类法中的16种抓握方式中的15种。
图 2. R2 手部演示 Cutkosky 抓握分类法
三. 机械结构细节
A. 总览
R2的手部和前臂在其最宽处直径为127毫米，从基座到手掌中心的长度为304毫米，能够承载超过9公斤的负载。手部拥有12个自由度（DoF），并配有一个双自由度的手腕。前臂中集成了16个手指执行器和2个手腕执行器，共同控制14个自由度。在完全伸展状态下，手指尖端可施加2.25公斤的力，并以超过200毫米/秒的速度移动。
R2手部的尺寸设计与人类手部相近，符合60%至85%人类男性的手部尺寸百分位【9】。其手指和执行系统的设计特性使得R2的手在保持紧凑尺寸的同时，具备操作人类工具所需的力量。
B. 手指设计
通常，人类的手指被认为拥有4个自由度（DoF）。R2的主要手指包含4个关节，其中3个关节是独立可控自由度，其配置方式能够有效近似人类手指的动作姿态（如图3所示）。第四个自由度，即远端指间关节（J4），在该设计中并未实现独立控制。J4的角度与近端指间关节（J3）之间存在固定关系。
这种关系通过一个四连杆机构来实现，该机构包括近端、中段和远端指骨以及一个远端连杆，其结构如图4所示。
图 3. R2 主要手指的结构，标注每个关节的位置及轴线位置
图 4. 四连杆机构控制J4的角度与J3的角度之间的关系
R2的次级手指在机械结构上与其主手指相似，但消除了手指的内收/外展运动（J1）。在剩余的三个关节中，有两个松散耦合，第三个则保持与上述描述一致。控制次级手指的肌腱在中节指骨处固定，因此它们在掌指关节（J2）和第三指间关节（J3）处产生扭矩。
“N+1”法则的应用 —— 最小化肌腱数量以减少驱动装置所需空间 [10]。一个具有N个自由度的肌腱驱动机械手可以通过至少N+1根肌腱实现完全控制。对于主手指（即食指和中指），三个自由度由四根肌腱完全控制。而次级手指则包含两个自由度，并仅由两根肌腱控制。因此，次级手指是欠驱动的，主要用于抓握，而非灵巧操作。
手指的各个关节运动范围设计接近于人类手指，从而能够实现多种类似的人手姿态。表I展示了手指关节的运动范围。
表 I R2 机械手指的关节活动范围
C. 拇指设计
人的拇指可以通过五个独立可控的自由度进行精准模拟【11】。R2 的拇指包含4个指节和4个独立可控的自由度，可以有效模拟人类拇指能够实现的姿态。
图 5. R2拇指的标签及各轴的位置
人类模型的第五个自由度 是第二和第三关节轴线之间的角度扭转，如图5中的虚线箭头所示。此自由度在R2中被替换为J2和J3之间具有固定角度扭转的刚性连接。所选角度是设计权衡的结果，旨在尽可能准确地模拟人类拇指对向手指的动作，并优化肌腱的布置路径。拇指的活动范围如 表 II 所示。
表 II R2拇指的关节活动范围
拇指的控制同样采用了N+1配置，用于管理其四个自由度。五根肌腱的选择和布置旨在最大化拇指对抗手中四根对指所产生握力的能力。这五根肌腱中，有四根跨越了拇指前两个自由度的屈肌侧，而另一根为拮抗肌腱，如图6所示。
图 6：R2 拇指的肌腱布置路径
D. 手指执行器
R2 的手指驱动系统是实现机器人手指紧凑且接近人类尺寸的关键因素。该驱动系统的组件包括：执行器（由电机、齿轮头和滚珠丝杠组件组成）、肌腱、导管、张力传感器（见下文描述）和终端装置（如图7所示）。
图 7：R2 机械手的驱动系统
执行器（图 8）的设计行程为35毫米，能够提供23公斤的拉力。这些设计参数基于R2手指和拇指所需的关节活动范围和扭矩需求。
图 8：R2 手指执行器
用于驱动 R2 手指的肌腱必须机械地固定在其施力的骨骼上，因此终端固定的空间设计非常重要。在一种新的固定方法中【12】，一个不可压缩的球体被放置在中空编织的聚合物肌腱的编织结构内部。然后将肌腱和球体一起放入一个小型圆柱体内，圆柱体会卡住球体，并让肌腱从圆柱体的两端穿过。圆柱体设计有一个特征，使球体无法通过。整个组件使用粘合剂灌封，以防止球体在设计的张力负载范围内滑动。这种设计（如 图9 所示）允许一根连续的肌腱在中间固定，两端作为拮抗肌腱对骨骼施加力，从而减少了每根手指所需的终端数量。在 R2 手指的设计中，每对肌腱的固定空间为直径 3.1 毫米、长度 5 毫米的区域。
图 9：肌腱终端装置 (a) 组装状态 (b) 剖面图
肌腱材料 – 经过广泛测试，最终选择 Vectran™ 作为基础肌腱材料，因其具有优异的强度、抗拉伸和抗蠕变性能。为了进一步提升其耐磨性，将 Teflon™ 与 Vectran™ 混合编织，形成一种复合编织结构。选择了名义直径为 1.2 毫米、断裂强度为 181 公斤 的肌腱材料，作为尺寸、强度和耐磨性之间的最佳平衡，用于 R2 机械手的设计。
E. 手腕设计
R2 机械手通过一个万向节安装在前臂上，以接近人类手腕的活动范围。该万向节的轴线与前臂的旋转轴正交，俯仰关节位于靠近前臂的一侧，偏航关节位于远离前臂的一侧，两者之间的轴线间隔为6毫米。万向节通过两个减震安装件连接到前臂上，以吸收机械手与环境交互时的冲击力。
万向节的中心是开放的，允许16个用于驱动手指的导管以及一个用于保护穿越手腕的电线导管通过。尽管这种布线方式与人类解剖结构不同，但它被选用以尽量减少手指运动与手腕运动之间的耦合。此外，导管分层排列，以避免在操作过程中发生折叠或缠绕。
F. 手腕驱动器
R2 的手腕是一个封闭的运动链，由安装在前臂背侧的两个紧凑型线性驱动（如图 10 所示）实现差动驱动。驱动器固定在前臂的主骨架上，并顺应前臂的锥形结构排列。每个驱动器都包含一个定制的无刷直流电机，电机配有中空轴，用于驱动滚珠丝杠的螺母。丝杠通过伸缩滑块驱动一个连接至手掌的球窝联动装置。
在驱动器尾部，安装了一个磁性增量编码器用于跟踪驱动器的位置。手腕驱动器能够施加27公斤的力，并具有100毫米的行程。
图 10：手腕驱动器组件
手腕驱动器通过两个球窝接头连接到不锈钢的双力构件的两端。这些接头中装有带橡胶垫的青铜杯，用于增强耐磨性并吸收冲击力。在驱动器侧和手掌侧使用相同的球窝接头，以确保零件通用性并简化制造工艺。
四. 传感器
R2 的手指、拇指和手腕中使用了三种类型的传感器：
A. 绝对关节位置传感
每个关节的绝对角度位置通过霍尔效应传感器和一种新型的“椭圆形”磁体进行测量【13】。这种磁体的形状经过设计，使角度位置与磁场变化之间保持线性关系。传统的圆形磁体会生成正弦信号，而R2手指中使用的新型磁体在150°的可用范围内产生接近线性的信号。图11展示了椭圆形磁体与环形磁体的磁场比较。
图 11：椭圆形磁体与环形磁体的磁场比较
B. 触觉载荷传感
R2 的手指的近节、中节和末节指骨，以及拇指的中节和末节指骨都设计为可容纳一个触觉载荷传感器，这是一种新型的六自由度力矩传感器【14】。该载荷传感器最初是一种用于每根手指基础指骨的低外形设计（如图12所示），后来演变为一种拱形结构，以适应所有指骨部位的安装需求。
每个载荷传感器都使用了八对安装在铝制弹性元件上的半导体应变片。这些铝制应变元件的设计旨在最大化可测量的弯曲应变，同时适应R2手指指骨上有限的空间。为了确保应变元件不会超过其弹性极限，在约2.2公斤的力或113 mNm的扭矩后，硬限位结构会重新分配载荷。
图 12：指骨传感器的演变 (a) 初始概念 (b) 实际应用
C. 肌腱张力传感器
R2 的手指驱动系统通过一种传感器监测肌腱中的张力，该传感器通过测量肌腱布置导管中的压缩力来实现张力检测【15】。研究发现，导管中的压缩力与肌腱上的拉力相等，误差范围为5-10%。这些肌腱张力传感器（如图13所示）安装在手掌结构内，以防止导管和外部物体的意外接触对其造成损害。
图 13：肌腱张力传感器的结构
五. 航电系统与控制器
R2 的前臂中集成了手部运行所需的全部航电和驱动电子设备。
A. 电机驱动器
每个电机驱动器采用名为“Trident”的电路板（如图14所示），其组成包括：一个定制的三轴混合电机驱动器、Actel ProAsic3 FPGA、用于电机换向和编码器累积的霍尔传感器反馈系统、每个电机的相电流检测，以及用于电机和混合驱动器的数字温度通道。
每个 Trident 板上的 FPGA 通过点对点串行链接与主控制器“Medusa”通信。此通信完全由 FPGA 逻辑控制，并与高层级的多点低电压差分信号通信（MLVDS）并行传输信息。
Trident 接收来自 Medusa 的电机 PWM（脉宽调制）指令，并反馈电机相电流、编码器累积位置及温度数据至 Medusa。内部设置了电流限制阈值，以保护电机、执行器和肌腱系统的安全。
图 14：Medusa 和多个 Trident 板的位置
B. 主控制器
与 R2 的通信系统保持一致，前臂中的 MLVDS（多点低电压差分信号通信）引擎允许通过一条双线通信链路控制和读取所有18个前臂执行器和50个传感器的数据。MLVDS 和分布式控制策略大幅减少了导线数量以及中央计算机的处理负荷。
前臂中的Medusa 负责与 R2 的脑干控制模块和六块 Trident 驱动板进行通信。Medusa 的主要组件包括 Xilinx Virtex 4-FX FPGA 和 16通道模数转换器（ADC）。MLVDS 通信引擎在 FPGA 上实现，早期版本的 Virtex 4 FPGA 主要作为 Trident 电机驱动的通信分配枢纽，后来板载的 PowerPC 被用于执行手部运动的闭环控制。
Medusa 通过 MLVDS 读取手部控制处理器发送的所有手指位置和张力传感器数据。同时，FPGA 模块并行与六块 Trident 电机驱动器通信，并通过板载的 ADC 测量手腕位置的霍尔传感器和内部电压。Medusa 配有 SPI 闪存，用于存储非易失性参数，如控制增益和传感器校准数据。此外，Medusa 还预留了一个 IO 端口，可用于读取一线制数字温度传感器。
C. 传感器数据序列化
位于手掌背侧的 FPGA 模块“Mini-Medusa”（如图14所示）负责手部传感器数据的序列化处理。为了减少导线数量并处理来自50个传感器、共计164个模拟信号的数据，传感器链的序列化是必要的。
所有指骨和角度传感器信号通过多路复用器传递给指部的 ADC，并通过 ADC 与 R2 的控制系统通信。在手掌中安装了16个肌腱张力传感器，每个张力传感器包含两个半桥电路。这些信号通过手掌内部的柔性电路板传递至 Palm ADC 电路板上的扁平连接器。Palm ADC 通过串行链路将数据传输给 Mini-Medusa。
R2 手部包含大量传感器，这些传感器通过一个分布式 ADC 网络进行数据的数字化和序列化传输。这种方法使系统能够使用更小的连接器和局部的线束，从而使整个系统具有高度的模块化和可维护性。
六. 控制策略
完整的控制算法讨论可参考文献【16】。以下是最终的控制算法，其中执行器实现了内部位置控制环路。
p 和 pc 表示执行器的实际位置和目标位置，R (n × n+1) 表示从肌腱张力 (f) 到关节扭矩的运动学映射矩阵，W 是一个与 R 正交的行矩阵，t 是衡量肌腱网络内部张力的标量（t = Wf）。Kp 和 kd 为常数增益参数。
七. 应用
R2 机械手能够实现多种抓握方式，从而拓展了以往仅由人类完成的应用场景。这些应用范围广泛，包括灵活的任务，如通过手指的主动运动旋转旋钮，或使用精细的抓握方式握持柔性材料（如图15所示）。正如在 Robonaut 1【17】中所学到的那样，柔性材料手套（具有顺应性、低摩擦或高摩擦特性）对于在操作过程中成功实现和维持稳定接触至关重要（见图15）。
图 15：R2 机械手的交互操作 (a) 操作基础旋钮 (b) 操作太空毯
R2 机械手可以使用各种地面工具和“太空”工具。图16展示了机械手操作一把标准的商业电钻，尽管这把电钻并不轻便。机械手的食指拥有足够的控制力，可以在拧紧螺栓时调节电钻的转速。此外，图16 还展示了两只 R2 机械手协同操作一台由 NASA 地质学家使用的便携式 X 光设备。
图 16：R2 机械手操作多种设备 (a) 手持电钻工具 (b) 便携式 X 光设备
八. 经验总结
R2 机械手设计中的关键工程开发之一是编织聚合物肌腱材料的选择。最初选择了 Spectra™ 作为基础肌腱材料，因为它具有高强度和良好的耐磨性能。然而，很早就发现 Spectra™ 线缆的固有蠕变特性与 R2 手指驱动系统不兼容，因为滚珠丝杠驱动器的行程有限。
经过对其他高强度编织聚合物线缆的研究，Vectran™ 被确定为一种有潜力的候选材料。然而，Vectran™ 较低的耐磨性成为了一个重大挑战。
为提高 Vectran™ 线缆的耐磨性，在编织结构中加入了 PTFE（聚四氟乙烯） 纤维。经过详尽的测试，确定了最优的滑动表面材料和肌腱润滑剂组合，即使用含铅磷青铜作为滑动表面，并配合 杜邦 Krytox™ 润滑剂。这一组合相比其他测试组合显著延长了线缆的耐磨寿命。手指设计中随后采用了青铜滑动表面，并在安装前对肌腱预先涂抹 Krytox™ 润滑剂。此外，线缆的直径增加了 50%，不仅大幅提升了断裂强度，也显著提高了耐磨寿命。实验显示，该设计在失效前可承受超过100 万次循环的磨损，比初始测试结果提高了约五倍。
九. 结论与未来发展
R2 机械手的各个组件仍在规划和设计的不同阶段进行研发。未来的工作包括将已应用于 Robonaut 2 上臂和躯干的系列弹性驱动技术适配于下臂的手腕机构。此外，还计划改进机器人皮肤的设计，以增强抓握能力。这些改进将包括更优的“肌肉组织”以及更紧密的柔性材料与机械结构的集成。
同时，增加手指被动自由度的设计概念已接近实现初始原型。为解决电机滚珠丝杠行程有限的问题，未来还需开发更小型的驱动器和新的驱动解决方案，这为进一步创新提供了大量机会。
总之，R2 机械手在强度、速度、传感能力以及模仿人类抓握能力方面，相比前代产品取得了巨大进步。NASA 和通用汽车公司（GM）正在积极寻找这些能力在实际工作中的应用场景，以支持人类员工。同时，两家机构也在开发潜在的衍生产品，将 R2 手部技术应用于传统机器人领域之外。
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