一、灵巧手进化史
人类对机器人多指灵巧手的研究从假肢开始。1962年，Tomovic和Boni为南斯拉夫的一位伤寒病患者设计研制了Belgrade手，被认为是世界上最早的灵巧手。
1974年，日本成功研制了Okada手，是早期灵巧手的典型代表。它有３根手指和１个手掌，其中拇指有３个自由度，另外两根手指各有４个自由度。手指每个关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递，可以完成螺栓拧进螺母等操作。
图1：早期灵巧手的典型代表Okada
图2：与人类手指配置方式类似的UTAH/MIT
之后40年是多指机械手的快速成长期，驱动系统、传动系统、新型材料、新型传感器、电路技术以及控制系统等更新换代，为各国研究员在结构设计和控制策略等方面提供了便利。
德国宇航中心2000年研制出的DLR机器人多指机械手，被视为世界上复杂度、智能和集成化程度最高的仿人手多指机械手。
英国Shadow机器人公司于2004年研发的Shadow手，则是产品化的典型代表。
二、灵巧手类型
特斯拉在2023年12月12日发布了其人形机器人Optimus Gen-2 （擎天柱第2代）的一段演示视频，最新版本中所发布的灵巧手引入了新的触觉传感器以更全面地感知物体和环境，使手部的操作速度更快，其灵巧手的表现引起了公众对这一技术的广泛关注。
图5：擎天柱2代灵巧手
图6：灵巧手抓取图片
驱控技术是多指灵巧手的基础。灵巧手的驱动装置配合传感器，可以使之准确、柔顺地执行任务。我们常根据结构形式、驱动方式以及传动机构的不同，来划分多指灵巧手的类型。
图7：灵巧手分类
电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动方式，具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。但是电机本身固有的体积较大等缺陷，导致无论是外置还是内置，都会占用较大的物理空间，并且市场上很难匹配到通用电机。
特斯拉机器人所采用的空心杯型关节电机是一种无刷电机其特点是电机定子线圈无铁芯，从而形成一个空心的杯状结构。同时，特斯拉在空心杯型关节电机上加入了多级行星减速器，以提高输出扭矩和速度。将空心杯型关节电机布在机器人的手部，使机器人能够在 12 个自由度上移动，例如机器人的手腕可以在3个自由度上旋转，并且灵巧手的拇指可以在两个自由度上弯曲。
同时，特斯拉发布的擎天柱1代和2代产品印证了一个趋势，即机器人核心零部件今后的发展方向为小体积、大功率密度、低成本和可量产。
三、灵巧手自由度及驱动
图8：只有3根手指的Stanford/JPL灵巧手
随着材料、工艺技术的发展，驱动器的尺寸逐渐减小，机器人多指灵巧手逐渐走向驱动器内置式，让手指各关节具有较好的刚性，更利于传感器的直接测量，且模块化设计利于更换维护。相应的，驱动器内置和分布也让通信和控制难度加大，手指尺寸及灵巧手整手尺寸较大，导致关节灵活度下降。
典型的内置式灵巧手HIT/DLR–II，整体尺寸为人手的1.5倍。具有1个独立的手掌和5根模块化手指，每根手指集驱动、传感、控制等为一体，具有4个关节和3个自由度。其中，拇指与手掌之间有一个类似人手的外张/收敛自由度，可以通过配置拇指的位置来满足不同的抓取要求。
驱动器内置很难做到驱动整根手指，于是混合式多指灵巧手的概念就出现了。即驱动器外置和内置相结合的方式，进一步提高手指的输出力矩，保证较高自由度的同时，控制体积大小。
灵巧手的手指驱动电机一般内置于手腕区域里而非人类的手臂内，手臂内为手腕设计十分精巧的运转机构。作为机器人实现操作的终端执行机构，由于灵巧手的复杂程度大，使设计面临的最大难题是空间极小而驱动自由度极多。假如将人手不含腕关节2个自由度及4个被动自由度的21个主动自由度，所需的21个执行器完全布置于掌内，现有技术根本无法实现。
当下解决此难题有两个方向：一种是采用欠驱动方式，牺牲一定灵活性减少电机数量。另一种是将电机布置转移至前臂，采用拉线方式从远端控制灵巧手的关节，如英国的shadow手，这个方案的缺陷是拉线机构随着使用，精度会逐渐变化，机构复杂易损坏，因此尚不具备实用性。
特斯拉机器人灵巧手采取了折中的方案，使用较为经典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指各用一个电机带动。电机采用蜗杆传动机构，通过机构自锁降低能耗。为追求形态美观及自适应性，手指采用拉线式传动机构，但存在线驱动可靠性和精度的隐患。
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，依据医学上的解剖结构来进行灵巧手的设计。依据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。
图9：手部关节示意
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。
比较有争议的是，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。
因此，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由于不具备腕掌关节，不能完全实现对指功能的原因。
四、灵巧手驱动机构分析
灵巧手的驱动机构主要分为耦合驱动、全驱动和欠驱动。其中耦合驱动是指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。例如下图是指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。
图10：经典耦合驱动
图11：耦合驱动运行区域
这种仿生手的驱动结构设计方案简单，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，都是简单抓握或者单指点击。在合理的拇指结构设计之下，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。
全驱动是指机构的执行器数量等于自由度，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。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。
图12：全驱动结构示意
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，进行全向滚动。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，假如没有合理的运动学分析控制，整体的灵活性不如欠驱动的方案。
欠驱动是指机构的执行器数量少于自由度，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。
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。
图13：欠驱动机构（韩国IRIM实验室的FLLEX Hand）
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有很大的提升，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。
图14：几款代表性欠驱动设计
欠驱动设计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，能够规避这些问题，而且能把手部结构做得非常紧凑。
五、灵巧手传动
灵巧手的传动方案主要分为线传动和齿轮连杆传动两种，其中线传动方案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方案，能在狭小空间里，增加更多自由度，同时采用线传动这种远端传动方式，可以把执行器放置在手臂甚至躯干内，以提高灵活性。
腱绳驱动是最常用的灵巧手驱动方式，具有控制灵活、结构简单、柔性高的特点，特别适合自适应的抓取动作。但控制精度不高、抓取力不大，腱绳需要额外的张紧装置、易磨损。早期DLR系列、DLR Dexhand/Space、DLR_Hand Arm System，以及商用化的shadow hand等都采用腱绳驱动。
指关节内置执行器方案比较特殊，即把所有的执行器和传感器都集成在指关节内。这种方案将所有的电机、减速器、传感器和驱动器都高度集成在整个手掌的空间内，集成了控制手运动所需的所有机械和硬件系统，每根手指上有3个自由度，所有4根手指均为相同模块化设计。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。
图16：DLR-Hit Hand II灵巧手
齿轮组的传动方式可以实现精确的传动比，传动精度高、传动扭矩大，通过集成关节传感器可以实现精确控制。一般齿轮驱动难以实现远距离传动，常配合连杆、同步带等耦合方案实现传动，即一个手指仅由一个执行器控制。虽然这种传动方案自由度较低，但可以带来更简单的结构设计，手部力量和强度更高。这种方案更多用在假肢上，结构简单，便于维护，符合假肢的使用需求。
图17：采用齿轮组传动方式的灵巧手
其中Naist hand有4根手指，每根手指有3个自由度，共12个自由度。其中MP关节有2个自由度，PIP关节有1个自由度，DIP关节与PIP配对(耦合)。所有的执行器都嵌入在手掌中，所有接头均由齿轮和连接机构驱动，而不使用电线，每根手指都按模块设计。
以上传动方式虽然每个手指都只有一个执行器，但配合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，而且齿轮连杆结构刚性好，使之能举起超过20KG的物体。
六、灵巧手传动执行器
对于灵巧手的执行器可以分为传统执行器和人工肌肉。其中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；人工肌肉则可以分为气动人工肌肉和液压人工肌肉，两种人工肌肉工作方式类似，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，这种方案安全清洁，不会出现气体、液体储存的能量瞬间泄漏，也不会出现液体介质污染。具有更高的能量转换效率、更容易实现力控效果，整体结构在灵巧手上也更容易实现。
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，而聚碳酸酯网由于其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。因此，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。
基于气动驱动的灵巧手是近年研究热点，是比较接近人体肌肉驱动的一种方式。具有易于控制、能量储存方便、柔性等特点，但其刚度低、动态性能差。典型的有Festo的气动灵巧手、上海交大联合MIT开发的气动灵巧手等。
图19：典型气动灵巧手
3. 液压人工肌肉
液压人工肌肉（HAM）是使用液体替代气压的人工肌肉，类似液压传动和气压传动的差异，液压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比气动人工肌肉更高，整体结构设计更为臃肿。
图20：液压人工肌肉
4. Peano-HASEL类人工肌肉执行器
一种应用液压放大自愈静电执行器的新型高性能人造肌肉。
图22：类人工肌肉执行器
5. 形状记忆合金驱动式机器人多指灵巧手
形状记忆合金(SMA)是美国海军在研究时无意发现的一种金属材料，之后更多种类的SMA被大量研发。其中，Ni-Ti形状记忆合金的性能较为优良，广泛应用于多个领域，可通过增加SMA的使用量来实现较大驱动位移输出。
完整的灵巧手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、适应性设计等等问题。
当前，不管是刚性、柔性，还是刚柔相济的机器人多指灵巧手，大多还不够成熟。还需要在以下方面进行提升：
1. 仿生机理是实现多指灵巧手的研究应用的基础和关键，涉及多维度、多学科和全方位的仿生理论和技术尚需重大进展；
2. 驱动与控制技术需进一步提升，使之在有限的空间内，协同控制诸多的驱动器实现仿人的运动和动作；
3. 人手遍布传感系统的仿生目标需要大面积、多信息融合的柔性传感技术的进一步突破。
总体上，多指灵巧手是面向未来的机器人产品，是人类未来机器人应用的重要方向。
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