近期IEEE Robotics and
Automation Letters发表了一种用于拟人手的C形双向刚性关节，它是迄今为止结构最简洁的双向刚度仿人手指关节。内凹C形的弹簧钢片用于连接的手指关节，手指由低刚度驱动的肌腱弯曲，并由其自身弹性复位。弹簧钢片的C形结构具有反向弯曲的高刚度。推导了设计节点的模型，并对其承载力进行了分析。同时，对该节点的最大弯矩进行了有限元模拟。然后，搭建了一个实验平台来测试单个手指，发现C形接头比矩形截面接头的最大弯矩大36倍。最后，开发了一个原型拟人手，并通过各种手势、抓握和负重实验验证了基于C形关节拟人手的有效性。![]()
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人类的手是功能最复杂、最灵活的器官之一。仿人机器人手一直吸引着广泛的兴趣，并成为研究的热点。传统的拟人手价格昂贵、笨重或复杂，使得普通人难以操作。特别是假手的性能仍需要进一步改进，以满足实际要求。拟人手的功能主要由手指决定，灵活的手指可以有效地提高灵活性。因此，对拟人手的手指的研究，尤其是对手指关节结构的研究至关重要。因此，我们用C形弹簧钢设计了拟人手的关节结构。C形接头在C形截面的凹侧具有较大的刚度，称为反向承载力。另一方面，刚度很小，不影响关节弯曲，仅通过弯曲后自身的弹性即可恢复。拟人手指的设计应满足日常屈曲/屈曲运动的需求。连接两个关节的关节区域非常重要。一些现有的转向节难以驱动，包含冗余的关节结构空间，并且设计复杂。因此，两个关节用尼龙3D打印，将钢片插入关节上保留的弯曲空间，并使用紧固件将钢片和关节固定在一起，形成类似于人体手指骨架的结构，如图1（a）所示。图1（b）显示了手指模型，其中有两个孔，用于将腱索穿过每个关节的左侧和右侧。这些孔与手指头部的角度逐渐降低，肌腱绳的一端固定在手指头部，一次穿过一个预留孔。另一端连接到手掌中的微型线性致动器，微型线性致动器的行程被延长。图1（c）和（d）显示了手指和拇指尺寸参数的设计。当手指弯曲时，微小的线性致动器拉动肌腱绳运动，使手指通过弯曲运动，当手指打开时，致动器行程返回。![]()
图1.手指设计。（a） 接头部分的部件和装配过程。（b） 设计手指的组成。（c） 手指各部分的详细尺寸。（d） 拇指各部分的尺寸以及离开的角度。拟人手指关节通过具有C形截面的弹簧钢片连接到两个关节，该弹簧钢片在传统状态下是平的，并连接到由尼龙印刷的关节3D，关节末端具有预定义的C形孔，钢片插入其中并使用刚性元件固定。由于C形孔，平面弹簧钢在径向上发生弹性变形，钢在两个转向节的中间形成C形截面。使用C形接头连接转向节时，弹簧钢件的中间横截面并不总是标准的C形横截面。当手指弯曲运动发生时，手指关节在z负方向上受到力。如图1（a）所示，接头处的横截面为矩形。此时，防止手指弯曲的载荷很小，手指很容易弯曲。当手指关节受到z轴正方向的力时，截面为完整的C形截面。此时刚度更大，手指可以承受更大的反向刚度。我们可以确定所构建的关节在相反方向上具有良好的屈曲、伸展和较大的刚度。大多数假肢拟人手的反向刚度仍然不足，导致手指握持能力较差。我们设计的关节的基本结构满足手指的自然弯曲运动，并弥补了手指的低承载能力。如图2（a）、（c）、（d）中的Abaqus模拟所示，C形接头结构在向后弯曲时需要更大的弯矩。向前弯曲需要较少的弯矩。从结构方面的理论分析也表明，反向模拟与理论计算结果一致。C形接头的向前弯曲偏离了图2（C）所示的理论值。实际试验表明，当弹簧钢向前弯曲时，接头处的弹簧钢具有非C型截面，但具有矩形截面。如图2（b）、（e）所示，当横截面为矩形时，模拟分析表明，正向弯矩的模拟与矩形横截面的理论计算基本一致。利用该横截面接头的正向和反向弯曲力矩的差异以及弹簧钢板本身的弹性，它可以在正向弯曲后自行恢复。它是手指关节的理想结构。![]()
图2.关节模拟过程。（a） C形管段模拟的正向和反向弯曲。（b） 模拟矩形部分。（c-e）接头弯曲角度与弯矩之间的关系。如图3（a）所示，为了评估C形接头的实际效果，将C形截面和矩形截面用作关节连接。如图3（b）所示，手指的总长度为120 mm，由弹簧钢片、尼龙材料印刷的指关节和肌腱绳组成，三个手指套与外侧的三个指关节相对应。手指套的材料是乳胶橡胶。图3（c）-（e）显示了不同设计的手指。横截面关节和人的手，并且在末端加载相同的100g重量后，手指变形形成明显对比。图3（c）显示了具有C形关节的手指，其中反向支撑更大，手指变形程度与人手基本相同。图3（d）显示了具有矩形横截面的铰接手指。与人手相比，反向支撑是脆弱的和显著的变形。实验结果表明，设计的具有C形关节的手指具有与人手类似的反向支撑力。![]()
图3.比较实验。（a） C形平面和矩形平面设计接头。（b） 手指和组装手指的部件。（c）C形植物的手指，承重后的变形效果。（d） 手指具有矩形平面，承重后变形效果好。（e） 人体手指，负重后变形效果。
我们设计了一个实验来测试手指前后弯曲力的大小。图4显示了手指向前和向后弯曲的测试过程。我们首先固定手指根部，并在手指末端施加重力。手指长度为120mm，因此手指向前方向的最大弯曲力矩为20Nmm。反向弯曲时手指的最大弯曲力矩为728 Nmm。反向弯曲时设计的C形接头的最大弯矩是正向弯曲时最大弯矩的36倍。实验结果与模拟和计算的最大弯矩相差14%。这是由于弹簧钢板制成的接头的尺寸和形状存在制造误差。![]()
图4.（a） 显示了测试结构。（b-c）显示了最大弯曲的结果
实现了具有精确抓握、三指协调抓握和包络抓握的拟人手的性能。他们抓住了十种不同形状和大小的物体。图5（a）至（c）为双指精密抓取；（d） 至（g）是包络的；以及（h）至（j）是三指协作抓取。如图6所示，拟人化设计显示了全包络的最高成功率三指协调抓握。图5.手指间配合操作抓握。（a） -（c）双指精确抓取。（d） -（g）全包封。（h） -（j）三指协调抓握。
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目前，大多数灵活的拟人手对手指的反向支撑度较低。我们基于C形弹簧钢的柔性关节拟人手的设计旨在保持柔性关节的适应性、柔顺性和灵巧性拟人化的手，能够像人手一样支撑手指并举起重物。图7（a）显示了四个不同形状和体积的物体及其在秤上的重量。图7（b）显示了拟人手的手指握住或支撑这四个不同重量的物体。图7（c）显示了人的手指握住或支撑这四个物体的状态。![]()
图7.拟人手手指反向支撑性能的实验研究。（a） 电子秤上显示了四个物体的重量。电子秤的数字单位是克。（b） 拟人手的手指握住或支撑物体。（c） 用手指握住或支撑物体的图形。
此外，通过压力传感器测量不同抓取模式下的力。两个手指的精确抓握力约为3.1 N，三个手指的协同抓握力为7.5 N，包络力约为14.2 N。所提出的手可以抓握1.5 kg的重量，也可以反向支撑1.5 kg的体重，如图8所示。![]()
图8.抓握重量实验。（a） 拟人手的反向支撑重量。（b） 抓握重量我们提出了基于C形双向刚度关节的拟人手设计。这些拟人化的手使用弹簧钢片代替手指关节。驱动源内置在手掌中，通过肌腱绳驱动手指弯曲动作。通过分析关节的力矩载荷，导出了手指在屈曲过程中的运动方程。使用ABAQUS有限元模拟具有C形截面的接头和矩形截面。获得弯曲至90°时的弯矩大小。计算和模拟都表明，手指反向支撑弹簧接头在C形截面中具有较高的承载能力。手指正弯曲弹簧钢板，矩形截面，承载能力低。C形截面中指关节的最大弯矩是其软状态下的36倍。搭建实验平台，对手指承重力进行手势、抓握和承重实验。拟人化的手被设计成具有类似于人类手指的反向承载能力，同时确保抓握过程中的顺应性和灵活性。与传统的拟人手相比，我们的关节结构设计简单、轻便、成本低且安全。解决了具有低反向刚度的柔性拟人手指关节的问题。一系列实验表明，设计的仿人手具有很强的抓握能力，C形关节可以在向前弯曲时自适应地包裹物体表面。C形结构的背面具有较大的刚性，可以支撑物体。未来的工作将旨在增加拟人手的触觉功能，增加手指摆动的自由度，并优化控制系统。拟人化的手将是智能的、自主的和拟人化的，以应用于医疗和服务行业。参考文献：J. Yan, H. Zheng, F. Sun, H. Liu, Y. Song and B.
Fang, "C-Shaped Bidirectional Stiffness Joint Design For Anthropomorphic
Hand," in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 7, no. 4, pp.
12371-12378, Oct. 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3216982.(Corresponding author: fangbin@tsinghua.edu.cn）
