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作者：此用户叫小明
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正常人类手指的结构分析
灵巧手的设计主要是基于对人手解剖结构的参考，以实现拟人化的功能。因此，在研究过程中，我们依据医学上的解剖结构来进行灵巧手的设计。
依据《系统解剖学 第9版_丁文龙、刘学政主编2018年》和《Grays Atlas of Anatomy (Richard Drake, Wayne Vogl, Adam W. M. Mitchell etc.) 》等主流解剖学著作的观点，手部的各个关节具有不同数量的自由度，从而使手能够实现多样化的运动。
其中，拇指的指尖关节被认为具有1个自由度，拇指的指尖关节(IP)具有1个自由度，拇指掌指关节(MCP)关节具有2个自由度，拇指腕掌关节(CMC)关节具有2个自由度，整个拇指因此被归纳为拥有5个自由度。
除了拇指外的其他手指，每个手指都有四个指骨：掌骨、近端指骨、中间指骨和远端指骨。这 3 个关节分别称为掌指关节 (MCP)、近端指间关节 (PIP) 和远端指间关节 (DIP)，分别具有 2、1 和 1 个自由度，共4个自由度。
接下来是有争议的地方，按照主流的解剖学观点，手掌区域不具有自由度。
但基于实际的解剖学观察，除拇指外的每根手指在腕掌关节（CMC）属于车轴关节，因此被认为具有一个自由度。 但食指和中指的腕掌关节的运动范围受限严重，可以认为是锁定的，只有无名指和尾指具有较小的活动范围。
根据上述的推断：可以认为完整的人类手掌有——拇指5自由度，食指4自由度，中指4自由度，无名指5自由度，尾指5自由度，既实现完整手掌运动需要23个自由度。
这也是绝大多数灵巧手看起来“笨笨的”的原因——不具备腕掌关节，不能完全实现对指功能。
灵巧手的设计方案
灵巧手的驱动方案
- 耦合驱动：当一个机构的关节数量大于自由度数量，并且其中一个关节的运动始终与其相连关节的运动成正比，这种驱动方式称为耦合驱动。耦合机构一般使用一个执行器来控制所有自由度，如果一个关节停止运动，那所有关节都会停止。
- 全驱动：当一个机构的执行器数量等于自由度时，这种机构称为全驱动机构。全驱动方案的每个指关节都由独立的执行器控制，不受其它的关节影响，拥有最高的灵活性和自由度，能实现更精细的控制和应用。
- 欠驱动：当一个机构的执行器数量少于自由度时，该机构被称为欠驱动机构。当应用于机械手时，由于欠驱动机构会允许自适应抓握，所以欠驱动方案抓取物体的方式，比起全驱动方案来说，会更接近人类。
1. 耦合驱动方案(Coupled)
下图是使用了比较经典耦合驱动方案，一个直线电机配合连杆机构实现简单活动的仿生指关节运动。
这种方案最大的特点就是使用单个电机或者推杆移动主关节，然后通过连杆、滑轮等机构连接第二、第三关节，这两个关节会随主关节的运动而运动，产生类似下图的固定的指尖活动路径。
虽然这种仿生手的驱动结构设计方案比较简单，但并不妨碍它也能完成各种各样的任务。通常情况下，人类手指执行任务时，都是简单的抓握或者单指点击。当有合理的拇指结构设计，这种简单的方案能提供更大的单指指尖力量和执行速度，并使得整体的设计非常紧凑。
2. 全驱动方案(Fully actuated)
这种方案的指关节有4个自由度，每个关节都能独立运动，并且整个手指还可以实现俯仰运动。
全驱动方案的优势在于：某些功能性和精细操作较高的场合，例如两个手指捏着一个球形物体，进行来回滚动的动作。同时全驱动方案具有完全可重复的运动轨迹。在工业场合，例如组装、测量等情况下有更好的表现，而且多一个执行器，也使得全驱动方案对比欠驱动方案在握持物体时具有更大的扭矩。 缺点是对控制策略的要求较高，当没有合理的运动学分析控制时，整体的灵活性其实并不如欠驱动的方案。
3. 欠驱动方案(Underactuated)
这种方案在掌指关节有2个执行器，在近端指间关节有1个执行器，左MCP线和右MCP线能控制掌指关节的旋转和俯仰运动，远端指间关节与近端指间关节耦合。
相对于耦合驱动方案，这种方案具有更好的灵活性，能更像人类手指一样完成任务。对比全驱动方案，少一个甚至少两个执行器，对节省手臂、手腕的空间和重量，都是非常大的提升，而且具有更好的顺应性。但缺点也很明显，不具备完全重复的运动轨迹，在需要精密操作的情景下，表现可能不如全驱动方案，甚至不如耦合方案。
仿生手的传动方案
仿生手的传动方案主要分为两种，线传动和齿轮连杆传动。
1. 线传动方案(wire rope)
线传动方案是现在仿生机器手更普遍的选择。在仿生机器人手部领域中，比连杆传动和传统的丝杆传动要更常见。主要原因是线传动对比其余两个，能在狭小的空间里面，增加更多的自由度，同时采用线传动的这种远端传动方式，可以把执行器放置在手臂甚至躯干内，实现更好的灵活性。
上面几个是比较有代表性的欠驱动设计，这种方案虽然也有一定的弊端，例如负载较低、需要预紧结构、强度低、易断裂等缺点，但合理的设计和负载需求，是能够规避这些问题的。这种能把手部结构做的非常
2. 齿轮连杆传动方案
齿轮连杆传动方案一般是配合耦合方案一起使用的，既一个手指仅由一个执行器控制。虽然这种传动方案的自由度比较低，但是连杆传动方案可以带来更简单的结构设计，手部的力量和强度更高。 这种方案更多是用在假肢上，其特点是结构简单，容易维护，是非常符合假肢的使用方向。
做的比较好的是上海OYmotion的Ohand智能假肢，虽然每个手指都只有一个执行器，但得益于精巧的拇指设计和合理的关节耦合，能完成日常中的许多工作，而且齿轮连杆结构带来优秀的刚性，让这个仿生手能举起超过20KG的物体。
3. 指关节内置执行器
这是个比较特殊的方案，把所有的执行器和传感器都集成在指关节内。
这种方案具有非常高的机电系统集成，将所有的电机、减速器、传感器和驱动器都集成在整个手掌的空间内，这个方案最大的优势就是不需要在手臂内放置臃肿的执行器，可以腾出空间放置更多属于手臂的执行器或传动结构。
这是DLR-Hit Hand II德国宇航局和哈工大的合作项目，图片上的手集成了控制手运动所需要的所有机械和硬件系统，每根手指上有三个自由度，四根手指是模块化设计且是一样的。
仿生手的执行器方案
对于仿生手的执行器可以分为两个大类，传统执行器和人工肌肉。
- 传统执行器是指旋转执行器和线性执行器，通过电机配合减速器、齿轮齿条、丝杆、皮带传动等部件组成的执行机构
- 人工肌肉可以分为气动人工肌肉和液压人工肌肉，两种人工的肌肉的工作方式是类似的，只是介质不同。
1. 传统执行器
传统执行器多数是采用电机、减速机、旋转-直线转换机构相互配合实现的，这种方案是安全且清洁的，不会出现气体、液体储存的能量瞬间泄漏的，也不会出现液体介质的污染。而且有更高的能量转换效率、更容易实现力控的效果的优势。整体结构在仿生手上也更容易实现。
2. 气动人工肌肉
气动人工肌肉（PAM）是类生物肌肉的执行器，基本设计由硅胶管内芯、覆盖硅胶管的聚碳酸酯编织网、密封两端的密封件、从一端提供气压的聚氨酯软管组成。在为 PAM 提供加压入口后，硅胶管会像气球一样沿其轴线增加其体积，而聚碳酸酯网由于网的独特编织性质而在整个长度上保持增加的体积，导致致动器长度减少，从而提供线性致动。PAM的出力和驱动器长度特性接近生物肌肉，对比传统执行器，具有高轴向力重量比、高功率重量比，并且可以轴向扭转等优势。
3. 液压人工肌肉
液压人工肌肉（HAM）是使用了液体替代空气的人工肌肉，类似液压传动和气压传动的关系，液压人工肌肉比起气动人工肌肉有更好的性能，包括更快的速度、更高的精度和更高的功率密度。
但由于更高的压力，使得液压人工肌肉的执行器和相应配件的尺寸会比气动人工肌肉更高，整体的结构设计会更臃肿。
4. Peano-HASEL类人工肌肉执行器
这是一种新型高性能电动液压人造肌肉执行器，通过液压放大自愈静电（HASEL）执行器（一种新型高性能人造肌肉）
总结
这里只是简单讲了一下关于灵巧手部分结构设计的内容，想完整进行灵巧手设计还有很多的工作需要进行。除了驱动方案的选择，还要考虑执行器堆叠设计，执行器的驱动器设计，传感器设计，运动学分析，控制策略、鲁棒性、适应性的设计。
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