工作水平。因此仿人机械手臂作为仿人机器人的一个重要组成部分而备受关注。欠驱动灵巧机械手作为仿人机械手臂的重要组成部分，通过合理的机械结构设计和控制形式的选择，让欠驱动灵巧机械手拥有灵敏度高、精准性高、可操作性强。可靠性高等特点。通过人手骨骼和外形的研究，多指欠驱动灵巧机械手采用仿人手的结构和外形设计，高度模拟人手，再结合可靠的动力传动形式和控制方法，能够让灵巧机械手对任意形状物体都有较好的可适性，特别是在人工智能、抢险救灾、工农业生产中都能有较好的应用。
2机械手研究设计
2.1多指机械手的国内外发展概况
机器人的机械手具有集成度高、感知功能多、智能化程度高等特点，是一套复杂的机电系统，它涉及多个学科和研究领域，如机械结构学、微电子学、仿生学、材料学、自动控制、计算机技术、人工智能等。
而仿人机械手作为机械手的一个非常重要的发展分支，其研究设计一直是前沿科学研究的一个热点。一直有大批的研究人员对使用较少原动机、简化控制系统、环保节能的机器人灵巧手进行着深入的研究。随着应用领域不断扩大，相继产生了一些具有代表性的灵巧手。
20世纪90年代，德国宇航中心成功地开发出DIR—I和DLR-Ⅱ灵巧手，其中DLR-I设计为拥有4个相同手指的机械手，并且每支手指都拥有个4自由度，手指关节的原动机采用微型直流电机，将微型直流电机安装在手指或手掌中，并且每个指头外表集成有25个传感器。指尖对外物的作用力可以达到11N，装配好的手质量为1800g。如图1，2所示。
20世纪末，美国国家航空和宇航局利用国家基金研制出用于国际空间站船外作业的NASA灵巧手，如图3。该灵巧手手采用完全模拟人手的结构设计，由1个前臂、1个手腕和5个手指组成，手腕具有2个自由度，大拇指、中指和食指各具有3个自由度，手掌、无名指和小拇指各具有1个自由度，一共有14个自由度。随着先进控制、材料、结构等技术的融人.目前，灵巧手的外形、功能和灵巧性已经比较接近人类的手。
从20世纪80年代开始，我国许多高校和科研机构在机器人多指灵巧手的学术领域进行了探索。这个时期最具代表性的是北京航空航天大学和哈尔滨工业大学。
从2001年开始，哈尔滨T业大学和DLR联合研制了DLR/HITI灵巧手。它以DLRⅡ灵巧手为基础，具有多种感知功能、高度集成等突出的特点。如图4所示，该灵巧手总共具有13个自由度，比人手少一个手指，只有4个手指。为了实现手指的模块化设计，4个手指结构完全相同，并每个手指拥有4个关节、3个自由度，末端的两个关节通过机械连杆机构实现耦合运动。DLR/HIT工手指与手指之间的动作单一，从而限制了其能完成动作的数量和种类。针对DLR/HITI手的不足，2007年哈尔滨工业大学和DLR研制了DLR/HITⅡ手。如图5所示，DLR/HITⅡ灵巧手和DLR/HITI灵巧手一样也具有多种感知功能、集成度高等突出特点，较DLR/HITI灵巧手而言，DLR/HITⅡ灵巧手与之最大的区别为DLR/HITⅡ具有仿人手的5只手指。同DLR/HITI一样，5个手指完全相同，每个手指有3自由度、4个关节，末端的两个关节通过钢丝机构耦合运动，共具有1 5自由度。所有的驱动器、电路板、通信控制等都集成在手指内部。
2.2机械手的结构设计
机械手所采用不同的驱动和传动方式，其灵活性、可操作性、体积等性能指标都会有较大的差距。目前，机械手具有电机、气动、液压、人工肌肉和形状记忆合金等不同的驱动方式，同样，机械手也具有腱传动、连杆传动、轴传动、其他传动等不同的传动方式。
目前机械手采用较多的传动方式为腱传动和连杆传动。
腱传动：由腱（钢丝绳、绳索等柔性材料）加上滑轮或者软管实现传动，腱传动的特点是抗拉强度高、结构简单、重量轻、节省成本，非常适合自由度多、传输距离远的机械手传动。介于腱材料刚度有限、易老化等特点，腱传动也有寿命短、反应速度慢等缺点。
连杆传动：采用机械结构的连杆传动，可有平面连杆传动和空间连杆传动。连杆传动基于巧妙的机械原理设计来实现动力传输，如杠杆机构、四杆机构等。连杆传动具有刚度好、传输力大、负载能力强、精度高等优点。连杆材料随着材料技术的发展，其寿命和质量得到了可靠的保证。但连杆传动的结构设计复杂、费用高。
欠驱动从机械原理的观点而言，指原动机的数量少于被控制的手指关节数量的机械手驱动方式，欠驱动可以实现机械手的精确驱动。机械手关节可分为有驱动关节和无驱动关节，有驱动关节直接驱动，无驱动关节则使用被动的阻尼元件或机械限位销来限制和恢复运动。欠驱动设计，不仅机械结构简洁，而且还节省了空间，最重要的是减少了原动机的数量。
人手的医学分析：从医学的观点来分析，人手由各种细胞、蛋白质、组织和神经构成，总共19块骨骼和16个关节。骨骼是刚体，不会发生变形，并通过关节相连。外力作用下，肌腱将力与力矩传递或转变成关节的转动，配合各段指骨的运动，人手得以实现某种动作或保持某种姿势，人手的位置和姿态是由人手骨骼的运动所决定。以此可见，骨骼在人手运动中起到决定性作用。在建立人手运动学模型时，可以忽略表皮组织及其附带组织，重点考虑人手的骨骼框架模型，人手骨骼模型如图6所示。具有刚体性质的骨骼模型，分析其运动学原理，关节的转动对人手运动和姿态的影响起到决定性作用。
综合国内外的相关研究情况和我们机械手所需要满足的要求，我们选择了欠驱动灵巧手的机械手结构设计。欠驱动机械手采用可旋转关节加腱（钢丝绳）的组合驱动。该灵巧手拥有5个手指，每个手指都包含3个被驱动关节，每个手指包含3个自由度，大拇指与手掌之间添加1个自由度。所以，整个机械手一共有16个自由度。
目前，用于机械手驱动的电机主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等几种。步进电机的工作原理为：其可直接将电脉冲信号转换成角信号，当输入一个电脉冲时，步进电机就能转动一定的角度。步进电机回转角度的大小与脉冲数成正比，脉冲输入的顺序则控制其旋转方向。步进电机能够通过改变脉冲频率来实现快速起动、反转和制动等动作，并且可控范围广、稳定性高。直流伺服电机也是将输入的电脉冲信号转换成转角的驱动装置，因其实现闭环驱动，故有可靠性好、精度高、控制容易、启动转矩大等優点，但其需常换碳刷，维护不便。交流伺服电机较直流伺服电机而言，交流伺服电机无电刷，因此环境适应性好，而且功率较大、过载能力强。
综合考虑，我们设计的机械手的驱动系统选择直流数字舵机（图7）。其具有高精度，稳定性好、功率大、结构紧凑等特点。该舵机的基本参数见表1。
我们所选用的直流数字舵机内部由高精度铜铝齿轮啮合传动，并且有高精度的轴承做支撑，保证舵机的虚位少，虚位时间短，如图8对机械手执行动作的准确性起到了决定性的作用。每一个舵机内部有微型单片机控制，独立操作，保证了整体的互不干扰，并且可替换性强，如图9。
在传动输出端，在加以凸轮设计，得以让原来规则的定轴转动变化为该机械手所需的转动轨迹。运用计算机辅助设计技术，三维建模出数字舵机和凸轮的连接图，运用UG仿真出所需的运动轨迹，如图10。
欠驱动手指传递运动和动力的方式在目前主要有滑轮绳索机构、轮链腱机构、钢丝软轴加螺旋传动和连杆传动。前三者的主要问题是传动的功率损耗大、效率低、抓持力小;而连杆传动的效率高，产生的抓持力大，但连杆传动机械结构复杂，要求装配精度高。
根据机械手需要满足的动作要求：动作幅度不大、准确性好，作用对象为质量较轻的物体。我们选择轮（凸轮）腱结合的机构。采用腱（钢丝绳）与凸轮的连接.腱绳驱动较齿轮、链条等驱动方式比较而言，在保证足够的力矩输出的前提下，腱绳驱动方式的机械手结构紧凑、易于设计，制作成本低，自适性好。制作过程中，在每一个手指的关节处，都添加着有弹簧恢复装置，让机械手在完成动作之后能够迅速的恢复到原始状态，方便为下一个动作做准备。
根据人手骨骼结构模型，设计出了机械手的运动简图，如图11。
在确定机械手外形尺寸时，以人手外形尺寸为依据。通过大量的实际测量与分析，总结出人手远掌骨指段、近掌骨指段、掌骨指段三者的比例关系大致为1：1.35：2。依据此比例关系来确定手指各个指段的长度，这样可以使机械手手指的外形比例更接近人手。机械手手指设计尺寸为远掌骨指段36mm、近掌骨指段48.6mm、掌骨指段72mm，关节连接处圆弧过度，紧凑结实。单只手指实物，如图12所示。
为了能适应大多数物的重量，机械手的有效负载设定为2kg。然后为了满足有效载荷所需要的强度和刚度和考虑经济因素，选择ABS树脂作为主要结构工程材料。ABS树脂是一种用途极广的热塑性工程塑料，具有优良的综合物理和机械性能。最重要一点是其可塑性好，是3D打印常用的材料。
本文驱动源（直流舵机）的安装方式参考了Shadow五指灵巧手的驱动源安装方式，将舵机和机械手主电路板安装在手掌之外的前臂里，如图l3。
由于驱动源（直流舵机）、机械手主电路板都置于手掌外的前臂内，结构紧凑、预留空间大，所以机械手尺寸更加合理。每一只手指的每一个关节可实现120°的弯曲活动范围，大拇指与手掌连接处的关节可实现0°～90°的有效活动范围。并且采用全模块化组件装配的模式，使机械结构紧凑而且可更换性强，维修方便。每一个模块都采用3D打印制作，使机械手外形更加类似人手。手指关节处的连接件为钢，足够的强度和刚度，保证了机械手的寿命，如图14。
2.2机械手臂设计
仿人机器人是当今机器人研究领域最活跃的研究方向之一，而作为仿人机器人重要组成部分的仿人机械臂更是各国学者研究的热点。在人体结构中，上肢可以轻松准确、灵活自如地实现触点、抓取、推拉等各种动作，让机器人拥有如人臂般灵活的手臂成了众多科研人员的目标。目前采用较多的一种结构是7白由度冗余机械臂，用3个旋转关节组成肩部，一个旋转关节组成肘部，3个旋转关节组成腕部。
根据人体工程学、美观性、结构稳定性等方面提出了机器人机械臂结构设计的以下几个准则。
（1）在功能上，根据设计指标和功能要求合理地选择机械臂的自由度数目，并且合理分配自由度，选择出 最优构型。能够结合机械手灵活地到达工作范围内各个任务目标点，完成设计预定的基本动作。
（2）在结构上，机械臂的结构设计要合理，避免出现干涉、机构不能运动等问题;各个组件的连接要稳固紧凑，装卸容易。结构越稳固，可靠性越好;结构越紧凑，空间利用率越高，控制越方便。
（3）在人体工程学上，机械臂要具有较好的工作稳定性和安全性，不能对人的安全构成危害，同时要有较好的宜人性，增加用户对产品的好感度，获得视觉和心理上的亲切感。
机械臂在整个机械手臂实现动作流畅性和完整性的过程中起到了决定性的作用。所以，机械臂的设计构想是仿人设计。通过对人体手臂骨骼结构和肌肉连接的分析，以机械原理为基础，运用相应的机械结构实现机器人手臂设计制作。机械手臂从肩部到手部的部件规格及质量依次递减，这有利于机器人的稳定性.在满足所要求的结构强度和刚度的前提下，大臂、小臂采用中空型结构，减轻质量，也可以增强抗弯扭能力。
该机器人单支手臂拥有6个自由度，机械臂通过仿人设计，具有3个典型关节：肩关节.肘关节和腕关节。在肩关节与肘关节之间为大臂，肩关节部位采用高稳定性减速电机驱动;肘关节与腕关节之间为小臂，与肩关节下端相连的是使整个机械臂回转的大臂回转关节;在肘关节与腕关节之间也有一使小臂回转的小臂回转关节。除肩关节外，其余机械臂关节皆采用高精度直流舵机驱动，保证关节的灵活性和准确性。表2为肩关节减速电机的基本参数。
该型减速电机具有高精度、稳定性好、低能耗、独立操作性强、结构紧凑等优点，如图15所示。
表3为负责机械臂其余关节驱动的高精度直流舵机的基本参数（图16）。
根据仿人体关节设计，我们将人体手臂关节之间的连接运动用运动简图来描述，如图17所示。
机械手臂在设计制作过程中，我们充分利用计算机辅助设计。运用三维制图软件Solidworks进行机械手臂零件的设计和机械手整体的装配。三维模型如图18所示。
机械手臂制作过程，我们将每一个直流舵机用一个微型单片机控制，然后将所有的数据传送给总系统处理，处理之后再将控制信息传输到每一个舵机的控制单片机上，控制舵机执行相应的操作。这样可以让各个舵机（关节）单独实现功能，而不受其他舵机的影响，提高动作的准确率和工作效率。如图19、图20所示。
同样，在机械手臂的制作过程中，充分利用了3D打印技术，将计算机上设计好的三维零件直接通过3D打印机打印出来，保证设计精度。材料为ABS树脂，强度和刚度均满足设计要求，使得整只手臂整体重量仅有4.3kg。单只手臂实际装配图，如图21所示。
该机械臂可以实现的基本动作：肩的前后旋转动作;肘的上下动作;大臂回转关节的动作;小臂回转关节的动作;手腕的旋转动作;及其相关的组合动作。
基于此动作基础，该机器人的机械臂与机械手可配合完成手势所需要的规定动作，动作准确率能达到95%，如图22实现和人手简单的握手。
在该机器人制作调试过程中，我们发现机械手臂应与整体体型协调，才能使各个动作表达更加准确。
3结论
本文介绍设计制造一个欠驱动机械手臂，整只手臂具有22个白由度，而我们只用12个驱动源便实现了对22个自由度的驱动。整只手臂采用仿人设计，大量运用计算机辅助设计、3D打印制造技术等先进设计制造方法，使得整只手臂整体重量仅有4.3kg。该机械手臂能实现一些基本动作，有效载荷为2kg，可以运用到帮助聋哑人实现手语翻译的智能機器人方面，也可以用于科研和一些公共场所，如医院、餐馆、学校，由于采用仿人设计，外形像人手臂，可以让人们更容易接受和相处。
同样由于设计团队能力、时间、财力、实验器材等有限，未能将该机械手臂做到十分完美，我们将继续展开机械手臂的深入研究，努力完善该机械手臂的功能。