摘要：大家好！在机器人领域，设计出像人类手一样灵活且适应性强的机械手一直是个难题。今天，咱们就来深入了解一种仿生软硬手指设计，它能让机械手更灵巧、更适应各种任务！
大家好！在机器人领域，设计出像人类手一样灵活且适应性强的机械手一直是个难题。今天，咱们就来深入了解一种仿生软硬手指设计，它能让机械手更灵巧、更适应各种任务！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景与设计理念
一直以来，设计能复制人类手部灵活性的机械手是科研人员的追求，但面临诸多挑战。传统刚性材料机械手虽能实现多自由度运动，可设计、制造和控制复杂，适应性差。软机器人虽适应性强，但在实现可控的高机动性方面有困难。
受人类手部肌肉骨骼系统启发，研究人员采用刚性-柔性混合方法，不过以往设计在模仿生物结构时存在问题。这次的仿生手指设计，通过刚性和柔性的协同作用，保留了人类手指关键的运动学和力学原理，让设计更简单，还能实现高机动性和适应性。
二、仿生手指的刚性-软混合设计
仿生手指主要由骨骼、韧带和驱动机制构成。骨骼结构包含基座、近端连杆和远端连杆，通过不同关节实现多种运动。比如，掌指关节（MCP）能实现屈伸、外展内收和有限的环转运动，指间关节（IP）主要负责屈伸运动。利用这些关节参数和连杆尺寸，就能建立手指运动控制模型。
在驱动方面，模仿人类深屈肌腱，采用肌腱驱动，通过弹簧和弹性伸肌实现关节的屈伸和复位。
MCP关节是设计关键，其采用球-环对和椭圆块的BRE机制，配合侧向弹性韧带。
通过建立理论模型，能分析BRE机制尺寸参数对工作空间的影响，进而进行参数化设计，让关节运动更接近人类手指。
弹性韧带不仅能稳定关节，还提供弹性，通过特定的锚点设置模仿人体韧带的作用，研究人员还通过实验选择了合适的韧带材料。
三、仿生手指的性能表征
研究人员用高分辨率3D打印和软模塑技术制作了手指原型，对其性能进行测试。
结果显示，手指能快速进行屈伸和外展内收运动，弹性组件让手指运动有弹性，还能实现被动环转。
在力的测试中，发现手指输出力和肌腱位移、初始弯曲角度有关，长期循环测试表明其性能稳定，只是会因一些因素略有下降。
仿生手指的动态响应时间也不错，屈伸和外展内收的响应时间分别为220ms和170ms，带宽分别约为1.25Hz和3.70Hz，和人类手部日常活动要求相当。
四、拟人化机械手的开发
为发挥仿生手指的潜力，研究人员开发了拟人化机械手，它集成了四个手指和一个对向拇指。
拇指有两个关键关节，能实现多种运动，增强了手部操作的灵活性。
整个机械手有八个独立驱动输入，各部件紧凑地组装在手掌和前臂内，由控制模块实现精确控制。
五、拟人化机械手的钢琴演奏技能评估
钢琴演奏是评估机械手性能的好方式，它对机械手的机动性和适应性要求很高。研究人员让机械手在单轴移动平台上进行钢琴演奏测试。
在音阶演奏中，机械手手指的主动外展能力使其能跨越最多10个音符，演奏准确且重复性好。
滑音演奏时，手指能通过MCP关节的被动柔顺性和弹性与键盘自适应交互，产生柔和连贯的声音。
和弦演奏中，机械手能精准协调多个音符，音符间延迟低于人类听觉感知阈值。此外，通过改变电机速度，机械手还能对同一音符产生不同音量，且音高不受影响。
六、拟人化机械手演奏音乐与灵巧抓握操作
研究人员选择了两首风格不同的音乐让机械手演奏。演奏《Alwayswithme》时，机械手能准确演奏所有音符，但因手指运动配置变化，部分音符时间间隔和标准记谱略有差异。演奏《Jasmineflower》时，尽管难度增加，机械手借助移动平台的协同，依然能准确无误地演奏，展现出强大的操作灵活性。
在抓握测试中，拟人化机械手表现出色。比如，手指外展帮助抓取球类物体，手指柔顺性使其能适应不同形状物体表面，完成各种抓握任务。在操作测试中，机械手能完成旋钮旋转、保定球和魔方的操作，即使遇到干扰也能稳定操作，体现了其在复杂操作中的优势。
七、研究总结与展望
这种仿生软硬手指设计及拟人化机械手取得了不错的成果，相比现有研究，更好地融合了可控的主动机动性和被动适应性，在多种任务中表现出色。
不过，研究人员也指出，未来还有提升空间。比如增加手指的主动自由度、改进拇指机动性、缩小驱动系统尺寸，同时优化材料制造技术、整合先进触觉传感技术和自适应算法等，让机械手在假肢、人形机器人和人机协作等领域有更广泛的应用。
今天关于仿生软硬手指设计的分享就到这里！
八、一起来做做题吧
1、在设计仿生手指时，面临的主要挑战不包括以下哪一项？
A. 平衡多自由度运动与自适应交互
B. 实现复杂生物结构的精确模拟
C. 提高软材料的刚度
D. 有效协调刚性和软组件
2、仿生手指的骨骼结构中，MCP 关节不具备以下哪种运动功能？
A. 屈伸运动
B. 内旋运动
C. 外展内收运动
D. 有限环转运动
3、在选择仿生手指的韧带材料时，主要考虑的因素是什么？
A. 材料的颜色
B. 材料的导电性
C. 材料的硬度和回弹性
D. 材料的透明度
4、在开发拟人化机械手时，拇指的 CMC 关节采用了哪种驱动方式？
A. 液压驱动
B. 直接驱动
C. 气压驱动
D. 磁驱动
5、在钢琴演奏实验中，以下哪项不是衡量拟人化机械手性能的指标？
A. 弹奏音符的准确性
B. 演奏时手部的美观度
C. 对不同音乐风格的适应性
D. 音符间的延迟时间
参考文献：
Ningbin Zhang et al. Biomimetic rigid-soft finger design for highly dexterous and adaptive robotic hands. Sci. Adv.11, eadu2018(2025).
来源：街拍美美哒一点号