这款仿生手指像人手一样灵活，轻松拿捏演奏和抓握

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

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).