高灵活性拟人拇指基关节的构型综合与运动性能研究

《Results in Engineering》：A Study on Configuration Synthesis and Kinematic Performance of a High-Flexibility Humanoid Thumb Base Joint

为提升拟人灵巧手的灵活性与适应性，研究团队开展了高灵活性拟人拇指基关节的构型综合与运动性能研究。通过设计气动空间弯曲关节，结合柔性驱动与刚性约束层，实现了拇指多自由度空间弯曲运动。实验表明，关节轴向伸长可达自身长度的40%，最大弯曲角度达60°，夹持力达2N，显著提升了灵巧手的操作稳定性与人机交互安全性。

　　

在机器人技术创新浪潮中，柔性机器人领域日益受到关注。开发柔性仿生机器人的目的是为人们提供更轻松舒适的生活。如今，柔性仿生机器人在医疗服务、家庭服务、工业制造等多个领域均有迫切需求。仿生机器人采用多种驱动方式，包括气动、液压和电机驱动等。其中，气动驱动机器人在综合灵活性和人机交互安全性方面具有显著优势。传统刚性驱动机构侧重于仿人结构和运动特性，在综合灵活性和人机交互安全性等方面做出了妥协。相比之下，气动柔性驱动优先考虑人机交互安全性、运动灵活性和对物体形状的适应性。

人手表现出多自由度运动特性，并集成了刚柔复合结构。这种结构不仅提供了抓取物体所需的力量和适应性，还确保了与脆弱物体交互时的顺从性，以及运动灵活性和人机交互安全性。具体而言，拇指可进行外展、内收、伸展、屈曲、复位和对掌等运动。拇指与其他四指最显著的区别在于其能够实现“对掌运动”。因此，柔性机器人手指不仅需要实现单向弯曲，还需具备空间弯曲能力。机械手的拇指是提高抓取效率的核心部件：它提高了抓取稳定性和对物体形状的适应性，是实现稳定、灵活抓取和精细操作的关键。

作为仿生机器人的末端执行器，柔性灵巧手的性能决定了机器人的工作能力。随着技术的不断进步和创新，机械手也取得了显著进展，包括关键突破。然而，现有的一些设计在复杂抓取任务中稳定性不足、抓取力较弱、人机交互安全性低且整体灵活性有限，或缺乏仿人手结构，对物体形状的适应性有限，抓取力相对较弱，手指只能单向弯曲导致运动模式单一。

为此，研究人员开发了一种以气动柔性空间弯曲关节作为拇指基关节的设计，该设计结合了柔性驱动器和刚性约束层。这种设计不仅确保了手的灵活性，还兼顾了其刚度。通过应用多肌肉协同驱动方法，可以精确控制手指弯曲角度和夹持力，从而实现更自然的弯曲抓握和精细操作。

该研究建立了关节的静态模型并通过实验进行了验证。关节的伸长可达自身长度的40%，并且关节可以在360°范围内向任意方向弯曲，在任意方向上的最大弯曲角度为60°（0-60°）。同时还建立了柔性手指的运动学方程并通过实验验证。当基关节、近端关节和远端关节同时工作时，拇指的最大前屈角度为180°，最大后屈角度为37°，面内运动范围为220°。最后，对手指进行了夹持力测试。当施加不同的气压组合时，手指的夹持力可达2N。这项研究为拟人灵巧手的设计提供了重要的理论依据和技术支持，显著提升了其操作性能和安全性。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，设计了空间弯曲柔性关节的核心结构，该关节集成了三个气动人工肌肉（PAM）、一系列约束环、弹簧以及上下端盖，实现了3自由度的空间弯曲和轴向伸长运动。其次，建立了关节的静力学模型和手指的运动学模型，用于分析关节在气压驱动下的变形、力矩平衡和指尖位姿。第三，搭建了实验测试系统，包括气压控制系统（采用电气比例阀和电磁换向阀控制三组人工肌肉的压力）和测量系统（采用数据处理投影仪非接触测量关节变形，磁罗盘测量空间弯曲方向，以及接触力传感器测量夹持力）。此外，还通过解剖学分析对比了所设计拇指关节与成人拇指的关键活动范围（ROM）和功能指标。

3.1. 轴向伸长的静态模型和实验分析

在气压驱动下，关节会发生轴向伸长变形。通过建立橡胶管（气动人工肌肉的核心部件）变形前后的几何关系模型，并基于超弹性材料体积不可变的假设，推导出关节轴向伸长量与输入气压之间的理论关系。实验结果表明，随着气压增大，关节轴向伸长量增加，且曲线呈非线性。在0.35 MPa气压下，伸长量达到自身长度的40%。加压和卸压过程中的数据曲线不重合，存在迟滞现象，这源于橡胶材料的变形迟滞特性。通过实验数据拟合得到了关节轴向变形伸长的经验公式，理论计算与实验数据趋势一致，验证了理论模型的正确性。

3.2. 空间弯曲方向的静态模型和实验分析

当关节中三个气动人工肌肉的变形量不同时，关节可在X-Y平面内向任意方向弯曲。其原理在于三个肌肉产生的驱动扭矩在关节端盖上的合力矩方向决定了弯曲方向。通过建立力矩平衡方程，并分解到X、Y坐标轴，得到了关节弯曲方向与三个肌肉输入气压之间的数学关系。实验采用磁罗盘测量空间弯曲方向，通过控制三个肌肉的气压组合（气压范围0-0.4 MPa），验证了理论公式的正确性。实验数据显示，弯曲方向与气压差符合理论预测，例如当P3大于P2时，弯曲方向在0到90度之间；反之则在270到360度之间。

3.3. 空间弯曲角的静态模型和实验分析

针对拇指的平面弯曲（条件为P1 ≠ P2 = P3），建立了基于齐次坐标变换的手指运动学模型，用于描述指尖等关键点在根坐标系下的位姿。实验分析了单驱动（仅驱动基关节或近远端关节）和双驱动（同时驱动基关节及近远端关节）等不同模式下的弯曲角度。结果表明，随着气压增大，弯曲角度增大。当基、近、远端关节同时驱动且气压为0.3 MPa时，柔性拇指的弯曲角度可达180°，反向弯曲角度可达37°。拇指还能实现轴向伸长运动（最大伸长20 mm），这是人手无法实现的运动，增强了灵巧手的灵活性。

3.4. 静态刚度分析与实验分析

分析了关节在轴向伸长和平面弯曲后的侧向静态刚度，以及多方向点的静态刚度。实验通过施加侧向力（负载范围0-2.5 N）并测量关节端盖中心的竖向位移变化来进行。结果表明，在相同气压下，关节轴向伸长后，随着负载增加，端盖中心位移增大；相同负载下，气压越高，侧向静态刚度越小。对于平面弯曲的关节，刚度变化规律与轴向伸长相同。多方向点刚度测试表明，弹簧骨架的位置对关节侧向静态刚度有显著影响。研究明确了关节侧向静态刚度随气压升高而减小的规律。

4. 柔性拇指的结构功能与运动学方程

将空间弯曲柔性关节作为拇指的基关节，与前期独立开发的近端和远端关节（两个单向弯曲柔性关节串联）串联，构成了仿人拇指。该拇指可进行前屈、后屈、侧摆和伸长等多种运动形式。通过运动学模型可以分析不同气压下手指上各关键点的位置变化。

4.2. 柔性拇指的功能与运动学实验研究

通过功能主实验和运动学实验，验证了拇指的各种运动形式。实验结果表明，柔性拇指可实现前屈高达180°、后屈达40°的空间弯曲，以及轴向伸长。其运动范围覆盖了成人拇指的关键活动范围，甚至在某些指标上（如多方向运动范围）优于人手。对掌能力测试表明，其对手指数达到91分，相当于人手的平均功能水平。

4.3. 柔性拇指夹持力实验分析

测量了拇指在基关节驱动、近远端关节驱动以及三者同时驱动等不同模式下的法向夹持力。实验结果表明，指尖的法向夹持力随着输入气压的增加而增大，且近似线性关系。当基、近、远端关节同时驱动时，指尖法向夹持力最大，略小于单独驱动时的夹持力之和。最大夹持力可达2N，能够满足抓取日常物品的功能需求，并保证了人机交互的安全性。

5. 柔性基关节手指控制系统

设计了柔性手指的控制系统，主要包括气动控制系统和电气控制系统。气动控制系统主要由电气比例阀、电磁方向阀和气源组成，实现对每个肌肉的独立控制。电气控制系统主要由上位机、控制器和相关传感器组成，用于控制手指运动、采集传感器数据（如指尖位姿、接触状态、气压值）并进行处理。实验证明，在该控制系统下，柔性手指能够稳定运行。

本研究设计的拟人气动空间弯曲关节，特别是作为拇指基关节的应用，成功结合了柔性驱动与刚性约束，实现了多自由度空间运动。其不仅复现了人手拇指的灵巧运动特性，而且在运动范围（如360°多向运动）和某些功能（如轴向伸长）上有所超越。通过系统的理论建模和实验验证，明确了关节的静力学、运动学特性和夹持性能。该设计显著提升了拟人灵巧手的综合灵活性、人机交互安全性和对非结构化环境的适应性，具备自适应抓取能力并保证了较高的负载能力，为下一代高性能仿人灵巧手的发展提供了重要的技术基础。