軟體仿人靈巧手的研究進展

中圖分類號：TP241 DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.06.021

0 引言

近年來，隨著人工智能和自動化技術(shù)的快速發(fā)展，人們對機器人的需求日益增加。機器人技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)均得到廣泛應(yīng)用，給人們的生產(chǎn)與日常生活帶來了多方面的改變。靈巧手作為機器人的末端執(zhí)行器，是專為執(zhí)行多任務(wù)而研發(fā)的智能通用型機械手。其直接與外部環(huán)境接觸，擔負著執(zhí)行各種抓取和操作的任務(wù)。靈巧是指手的姿勢可變性，這種可變性越高，則認為手越靈巧[2]

傳統(tǒng)的靈巧手由金屬材料和硬質(zhì)塑料等構(gòu)成的剛性結(jié)構(gòu)組成，通常由電動機驅(qū)動，通過鍵傳動、齒輪或連桿等傳動機構(gòu)間接傳遞運動和動力到對應(yīng)關(guān)節(jié)3，具備較大的輸出力矩、精準的傳動以及較快的運動速度等優(yōu)點。但其自身缺乏柔順性，在處理易碎物體時易造成損傷[4-5]。并且，剛性結(jié)構(gòu)在人機交互過程中也缺乏交互安全性。隨著仿生學(xué)、材料學(xué)等新興學(xué)科的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)取得了重大的突破，發(fā)展出一個新的分支一一軟體機器人。軟體機器人的主體通常由彈性模量在 10⁴～10⁹ Pa的柔性材料或軟材料制成，理論上具有無限自由度，因而具有連續(xù)變形的能力。同時，軟體機器人還具有優(yōu)異的柔順性和安全交互性。學(xué)者們將軟體機器人技術(shù)運用在靈巧手上，研發(fā)了一系列軟體靈巧手。與傳統(tǒng)剛性靈巧手相比，軟體靈巧手利用自身材料固有的柔順性，能夠靈活地抓取各種形狀、質(zhì)量和大小的物體，表現(xiàn)出良好的順應(yīng)性和抗沖擊性。因此，軟體靈巧手開始得到越來越多學(xué)者的關(guān)注。

但是，軟體靈巧手在靈活性和適應(yīng)性方面仍無法與人手相媲美。人手能夠?qū)崿F(xiàn)各種靈巧的操作和感知復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境，消除操作過程中因定位誤差、外部干擾等產(chǎn)生的不確定性，實現(xiàn)對不同物體的穩(wěn)定抓取。而軟體靈巧手在抓取非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的物體時仍然面臨挑戰(zhàn)；其次，軟體靈巧手的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要利用先進的算法和傳感技術(shù)來實現(xiàn)類似于人手的精細操作。

仿人化設(shè)計是靈巧手的主要發(fā)展方向之一，通過模仿人手的形狀、結(jié)構(gòu)和功能，可以實現(xiàn)部分類人運動，在抓取和操作中具有廣泛的適應(yīng)性和可操作性-9。軟體仿人靈巧手的核心技術(shù)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝以及驅(qū)動和控制技術(shù)。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，軟體仿人靈巧手將成為機器人末端執(zhí)行器發(fā)展的熱點方向，在工業(yè)自動化[0]13427、醫(yī)療康復(fù)[和家庭服務(wù)[12等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

本文從靈巧性及抓取操作能力、驅(qū)動方式、材料與制造、建模和控制等方面綜述了軟體仿人靈巧手的研究現(xiàn)狀，探討了其目前存在的問題、面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。

1靈巧性及抓取操作能力研究

人手是執(zhí)行靈巧操作最重要的器官，同時也是獲取認知信息的重要途徑之一。人手結(jié)構(gòu)緊湊而復(fù)雜，包括27塊骨頭、19個內(nèi)關(guān)節(jié)和29塊肌肉[13]，如圖1所示。借助肌肉運動，人手能夠使掌骨、指骨和腕骨關(guān)節(jié)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，從而使每根手指可以獨立完成伸展屈曲與外展內(nèi)收運動。人手的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)賦予了人手非凡的靈巧性，使其在抓取與操作時能夠適應(yīng)各種形狀和大小的物體。然而，要獨立控制所有的手部關(guān)節(jié)是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。實際上，人手通過協(xié)調(diào)各手指關(guān)節(jié)的運動，減少了單根手指獨立運動的自由度，進而簡化了其在各種抓取任務(wù)中的控制難度。人手肌肉肌腱的結(jié)構(gòu)確保了這種協(xié)調(diào)控制策略的有效實施。軟體仿人靈巧手通過模仿人手的結(jié)構(gòu)與功能，以期實現(xiàn)類似于人手的靈巧性和抓取操作能力，這對于提升機器人系統(tǒng)的智能化水平具有重要意義。根據(jù)仿人化程度的高低，本文將軟體仿人靈巧手分為3種類型：軟體多指抓手、手掌固定仿人靈巧手和手掌可驅(qū)動仿人靈巧手，分別討論了這3種類型軟體手的靈巧性和抓取操作能力。

1. 1 軟體多指抓手

抓取是機器人末端執(zhí)行器最容易實現(xiàn)的操作，也是人手在日常生活中使用最多的功能[14]。多指抓手是模擬人手運動的基礎(chǔ)[15]。為了抓取目標物體，多指抓手采用模仿人手手指的包絡(luò)抓取動作。相較于傳統(tǒng)的剛性抓手，軟體多指抓手在抓取物體時能夠更加自然地調(diào)整形態(tài)，適應(yīng)不同物體的形狀。這使得軟體多指抓手在處理易碎品或形狀不規(guī)則的物體（雞蛋、蔬菜水果、個性化零件等）方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

軟體多指抓手通常使用氣動驅(qū)動來執(zhí)行固定的動作，用于抓取和釋放目標物體。當充氣時手指彎曲變形，用來抓取物體，反之釋放物體。日本東芝公司利用其研發(fā)的3自由度氣動執(zhí)行器，成功設(shè)計制造出一款柔性四指抓手[，如圖2（a）所示。為滿足食品抓取、配送等領(lǐng)域的需求，日本立命館大學(xué)成功研制出一款氣動四指抓手[10]03427，如圖2（b）所示。浙江工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)較早從事軟體抓手研究與開發(fā)的機構(gòu)之一，該大學(xué)成功地研發(fā)出基于氣體驅(qū)動的球果采摘手[7和黃瓜采摘手[8]。上述多指抓手動作形式簡單而穩(wěn)定，主要應(yīng)用于食品抓取及蔬果采摘，多指結(jié)構(gòu)的設(shè)計增加了對目標物體的接觸面積，提高了抓取成功率。但是，這些軟體多指抓手只有一種單一的抓取模式，并且1次只能抓取1個物體。于是，清華大學(xué)LIU等[19提出了具有3種抓取模式（包絡(luò)、負壓吸取和先包絡(luò)后負壓吸?。┑亩嗄Ｊ杰涹w四指抓手，既可以處理不同形狀的物體，也可以同時抓取多個物體，大幅提高了抓取效率，如圖2（c）所示。麻省理工學(xué)院設(shè)計的氣動三指抓手20，在每個手指內(nèi)嵌入彎曲傳感器，可以識別被抓取物體，如圖2（d）所示。

軟體多指抓手由于其相對簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本，在工業(yè)應(yīng)用中得到了企業(yè)和用戶的廣泛認可。然而，軟體多指抓手在外形和結(jié)構(gòu)上仿人化程度較低，在功能上也僅局限于抓取物體，缺乏靈巧操作的能力，無法輔助或代替人類進行復(fù)雜作業(yè)。

1.2手掌固定仿人靈巧手

抓取穩(wěn)定性和操作靈巧性是仿人靈巧手的兩個重要功能2。由于人手具有執(zhí)行操作的靈巧性，研究人員試圖通過模仿人手的外形和結(jié)構(gòu)來復(fù)制這種能力，并設(shè)計出手指可驅(qū)動的軟體仿人靈巧手。這些仿人靈巧手的手指數(shù)量通常為5個，每根手指都可以獨立驅(qū)動，但手掌不具備自由度，無法驅(qū)動。

研究人員將重點放在手指的設(shè)計上，目前已經(jīng)提出軟手指結(jié)構(gòu)[22]2047-053[23]6-15[24]34-344、剛?cè)岷辖Y(jié)構(gòu)[25-2]294365及線構(gòu)6311等類型。傳統(tǒng)剛性仿人靈巧手雖然在外觀上實現(xiàn)了仿人化設(shè)計，但是在運動功能上還達不到人手的靈巧性和適應(yīng)性[2，其柔順性和抗沖擊性較差。為了解決上述問題，學(xué)者們提出了軟手指結(jié)構(gòu)。軟手指通常由彈性體材料構(gòu)成，可連續(xù)變形，利用自身材料的柔順性，被動適應(yīng)要抓取物體的形狀和尺寸，這種被動適應(yīng)性可以降低對手指的感知和控制的需求。根據(jù)手指的自由度個數(shù)，可以分為單關(guān)節(jié)軟手指和多關(guān)節(jié)軟手指。FRAS等[33]I-設(shè)計的單關(guān)節(jié)軟手指仿人靈巧手，每個手指有1個自由度，能夠被動適應(yīng)抓取的目標對象，可實現(xiàn)多種類人的抓取姿勢，如圖2（e）所示。但是，單關(guān)節(jié)軟手指通常具有固定的運動軌跡，無法做出復(fù)雜的手勢或主動適應(yīng)物體的形狀和大小。除拇指外，人手的其他四指都由3個關(guān)節(jié)構(gòu)成34。所以，多關(guān)節(jié)軟手指在結(jié)構(gòu)上仿人化程度更高。此外，相較于單關(guān)節(jié)軟手指，多關(guān)節(jié)軟手指普遍具有更大的指尖可達工作空間，更有利于手內(nèi)的靈巧操作[35339-386。但多關(guān)節(jié)軟手指的尺寸和質(zhì)量也更大。因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的多關(guān)節(jié)軟手指仍具挑戰(zhàn)。

軟手指仿人靈巧手抓取操作的穩(wěn)定性和柔順性在很大程度上得到提升，不過手指的輸出力有限。于是，研究人員提出，采用剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)來提高靈巧手的輸出力。如圖2（f）所示，ZHANG等[294346-4353提出的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)仿人靈巧手，手指利用氣動軟波紋管驅(qū)動剛性骨架，最大可以輸出7.5N的力，既有較高的適應(yīng)性，又能提供足夠的剛度。該剛?cè)狁詈鲜帜軌驅(qū)崿F(xiàn)GRASP分類的33種抓取姿勢中的32種以及5種類人抓取策略，表現(xiàn)出較好的抓取性能。剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)手指在一定程度上克服了軟手指輸出力不足的問題，但存在剛?cè)岵牧系娜诤吓c建模困難問題。此外，還可基于顆粒阻塞原理[37]155912-155925和基于形狀記憶材料[38-39的變剛度方法來提高軟手指的輸出力。

線纜結(jié)構(gòu)通過模擬人手肌腱傳動，能夠很好地適應(yīng)傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，并且提高了手指的承載能力。TAVAKOLI等[3]129-1634提出的仿人靈巧手，通過線纜驅(qū)動，可以實現(xiàn)高頻率抓取物體，如圖2（g）所示。但是，線纜的形變是一個非線性問題；同時，在走線過程中也會出現(xiàn)線纜與手指本體間的摩擦問題，增加了靈巧手的控制難度；復(fù)雜的走線結(jié)構(gòu)也提高了手指的復(fù)雜性和維護難度。此外，一些學(xué)者在手指外觀和結(jié)構(gòu)上追求高度的仿人化設(shè)計，例如，KUMAGAI等研制了擁有指甲的仿人指尖，能夠提高仿人靈巧手的精確抓取性能。表1所示為軟體仿人靈巧手不同結(jié)構(gòu)手指的優(yōu)缺點。

綜上所述，手掌固定仿人靈巧手的仿人化程度在進一步提升；柔性手指帶來的被動適應(yīng)性能夠在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中提高抓取的穩(wěn)定性；手掌固定仿人靈巧手在滿足靜態(tài)抓取穩(wěn)定性和執(zhí)行特定手勢方面表現(xiàn)出色。然而，手掌不可驅(qū)動限制了手指外展內(nèi)收的運動以及拇指的靈活性。自由度數(shù)量對靈巧操作的影響尤為重要。而手掌固定仿人靈巧手的自由度遠不及人手，因此，很難滿足復(fù)雜操作任務(wù)的靈巧性需求。

1.3手掌可驅(qū)動仿人靈巧手

在上述的研究中，學(xué)者們主要對軟體仿人靈巧手的手指結(jié)構(gòu)進行研究和改進，忽略了手掌的重要性[4]387-396[42303-3143]。對于手掌不可驅(qū)動的仿人靈巧手，通常用手掌來固定手指[44]或嵌入驅(qū)動系統(tǒng)[30]e0232766，這樣的設(shè)計限制了仿人靈巧手抓取物體的類型、姿勢的多樣性以及操作的靈巧性。

手掌不僅在強力抓握（Powergrasp，又稱手掌抓握）動作中起著至關(guān)重要的作用，還可通過增加與目標物體的接觸面積以強化抓取的穩(wěn)定性；同時，在進行精細操作時，手掌內(nèi)部的肌肉群還負責調(diào)控五指的伸縮及外展內(nèi)收動作，這是實現(xiàn)靈巧操作的關(guān)鍵。因此，研究人員將柔性執(zhí)行器整合到手掌中，從而實現(xiàn)類似手掌的驅(qū)動功能。電共軛流體（Electro-ConjugateFluid，ECF）驅(qū)動手[45]181-188是最早具備可驅(qū)動手掌的軟體仿人靈巧手之一，通過在手掌中添加兩個ECF執(zhí)行器，可以執(zhí)行拇指對立和掌骨伸展屈曲運動。DE-IMEL等[23]61-185設(shè)計的RBO Hand 2，手掌由兩個可以獨立驅(qū)動的氣動執(zhí)行器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的拇指對立運動。RBOHand2共有7個自由度，能夠完成GRASP分類中的31種抓握姿勢，并且無須復(fù)雜的傳感與控制即可實現(xiàn)與環(huán)境目標的充分接觸，如圖2（h）所示。WANG等[46J7-49提出帶可驅(qū)動手掌的氣動軟體仿人靈巧手，得益于手掌位置的氣動執(zhí)行器，可以實現(xiàn)五指的外展內(nèi)收運動以及整個手掌的彎曲，并且能夠完成GRASP分類中的32種抓握姿勢，如圖2（i）所示。引入變胞機構(gòu)可以擴展手掌的自由度，使整個手掌具有可重構(gòu)性，增加了靈巧手的工作空間和抓取適應(yīng)性。CHEN等提出的變胞手掌，通過調(diào)整各個關(guān)節(jié)的角度，可以實現(xiàn)握持、放松和張開等手部動作。

拇指和大魚際肌肉對手的靈巧性起著至關(guān)重要的作用。手掌正面拇指根部的大魚際肌肉負責控制拇指運動[48，尤其是拇指與其他四指的對立運動，是手實現(xiàn)精確抓取和操作物體的關(guān)鍵。為了提高拇指的靈活性，HAO等[491745-753提出一種多關(guān)節(jié)氣動軟體手，在大魚際位置設(shè)計了一個網(wǎng)格狀氣動執(zhí)行器以提高拇指靈巧性，并能夠通過不同姿勢的手語表達英文字母，如圖2（j）所示。此外，MEI等[50]7615-7622提出的軟體仿人靈巧手BlueHand，在大魚際位置設(shè)計了由3個波紋管執(zhí)行器并聯(lián)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，如圖2（k）所示。BlueHand共有21個自由度，能夠完成GRASP分類中的所有抓握姿勢，并在拇指靈活性測試—Kapandji測試5中獲得最高分，還可以與人進行簡單互動。

隨著軟體機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，軟體仿人靈巧手正朝著外觀和運動特性更加擬人化的方向發(fā)展，表現(xiàn)出較好的操作靈巧性。例如，PUHLMANN等[24]3434-3449研制的可驅(qū)動手掌仿人靈巧手RBO Hand3，如圖2（1）所示，可以在手內(nèi)旋轉(zhuǎn)筆、香蕉和螺絲刀等物體。ZHOU等[52]101483-101495研制的BCL-26，具有高度仿人化的外觀，共有26個自由度，能夠操作物體在手內(nèi)移動或轉(zhuǎn)動，如圖2（m）所示。這兩個仿人靈巧手都表現(xiàn)出高度的仿人化及靈巧性。

表2歸納了部分手掌可驅(qū)動仿人靈巧手。可以看出，手掌可驅(qū)動的結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)拇指對立和包絡(luò)抓取的關(guān)鍵，直接影響仿人靈巧手的靈巧性。手掌的主動自由度使仿人靈巧手能夠以更接近人手的操作策略執(zhí)行操作任務(wù)。目前，軟體仿人靈巧手能夠完成許多日常抓取動作和簡單的操作任務(wù)，但缺乏感知功能，這使得與人和環(huán)境交互存在一定的局限性。為了提高軟體仿人靈巧手的感知能力，國內(nèi)外已有學(xué)者開展了面向軟體仿人靈巧手的柔性觸覺感知技術(shù)研究，使軟體仿人靈巧手能夠感知環(huán)境信息，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中穩(wěn)定、靈巧地抓取與操作。

2 驅(qū)動方式

根據(jù)驅(qū)動原理的不同，可以將軟體仿人靈巧手的驅(qū)動方式分為流體驅(qū)動、線纜驅(qū)動和智能材料驅(qū)動。其中，流體驅(qū)動在軟體仿人靈巧手中應(yīng)用最為廣泛。盡管在結(jié)構(gòu)上存在多樣性，流體驅(qū)動的本質(zhì)是借助流體壓力使封閉腔室發(fā)生膨脹和收縮，通過不同的約束結(jié)構(gòu)來限制變形。根據(jù)選用的介質(zhì)不同，流體驅(qū)動可分為氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種。常見的流體執(zhí)行器主要為氣動人工肌肉（PneumaticArtificialMuscle，PAM）和流體彈性體執(zhí)行器（FluidicElastomerActuator，F(xiàn)EA）。PAM是由相互交織的螺旋編織網(wǎng)包裹柱狀橡膠管所構(gòu)成的軟體執(zhí)行器，通人壓縮氣體可以使軸向收縮和徑向膨脹，如圖3（a）所示。南卓江等[54將McKibben型氣動人工肌肉作為執(zhí)行器，研發(fā)了由35根氣動人工肌肉驅(qū)動的仿人靈巧手，具有良好的柔順性和靈巧性。FEA主要有纖維增強[55-56和氣動網(wǎng)絡(luò)[57-58兩種不同的設(shè)計思路來實現(xiàn)變形，如圖3（b）和圖3（c）所示。氣動驅(qū)動具備氣體來源廣泛、無污染等優(yōu)勢，其技術(shù)也相對成熟。但是，內(nèi)外壓差較大，輕微損傷就可能導(dǎo)致氣動執(zhí)行器失效損壞。

液壓驅(qū)動在水下環(huán)境中非常適用，具有更高的負載能力和穩(wěn)定性。WANG等[59]2186-2193基于雙向彎曲的液壓執(zhí)行器，設(shè)計了液壓驅(qū)動軟體仿人靈巧手，能夠?qū)崿F(xiàn)對水下環(huán)境中不同類型物體的抓取，如圖3（d）所示。但是，液壓驅(qū)動需要液壓泵等輔助設(shè)備，系統(tǒng)相對復(fù)雜，難以實現(xiàn)驅(qū)動設(shè)備的小型化。

線纜驅(qū)動的原理是將線纜穿過靈巧手手指上的固定點，并在線纜的根部施加拉力，從而產(chǎn)生彎曲并驅(qū)動手指。圖3（e）所示為MOHAMMADI等[30]e0232766研制的假肢手X-Limb，憑借集成在手中的直流電動機拉動線纜，使手指彎曲，實現(xiàn)對物體的抓取操作。線纜驅(qū)動靈巧手通常為欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)是指靈巧手內(nèi)執(zhí)行器的數(shù)量小于自由度個數(shù)。線纜驅(qū)動靈巧手所帶來的欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)在抓取時表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，易于實現(xiàn)手指與物體的多點接觸，但手的靈巧性有限。此外，線纜驅(qū)動必須對線纜進行預(yù)緊，同時，線纜與手指結(jié)構(gòu)的摩擦干擾大，壽命較短。

大多數(shù)軟體仿人靈巧手只包括1種驅(qū)動方式，LI等[60]144-1151提出了雙模式驅(qū)動的軟體仿人靈巧手，同時包括液壓驅(qū)動和線纜驅(qū)動，如圖3（f所示。將兩種驅(qū)動方式相結(jié)合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，彌補彼此的局限性，但缺點是結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

智能材料能夠在施加適當?shù)耐饨绱碳ぃ?、光、電、磁場等）下產(chǎn)生物理屬性變化，從而實現(xiàn)驅(qū)動功能。電共軛流體和形狀記憶材料是軟體仿人靈巧手常用的智能材料。電共軛流體是一種電介質(zhì)流體，在受到高直流電壓時產(chǎn)生強大的射流，從而使柔性手指彎曲。YAMAGUCHI等[45]181-188將ECF作為驅(qū)動源，設(shè)計了一款新穎的軟體仿人靈巧手，如圖 3（g） 所示。ECF執(zhí)行器具有體積小、結(jié)構(gòu)柔順的特點。用于驅(qū)動的形狀記憶材料主要為形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，SMA）。SMA是一類具有形狀記憶效應(yīng)的智能合金材料，在受熱后可以消除在低溫下發(fā)生的變形，恢復(fù)到初始的形狀。SMA通常被制成絲狀或帶狀，嵌入靈巧手手指內(nèi)并固定，通過加熱SMA絲，使其彎曲，進而驅(qū)動軟體仿人靈巧手[616[62][63]18-148，如圖3（h）所示。由于SMA電阻率較小，直接加熱SMA絲效率低，通過在SMA絲外纏繞電阻絲間接加熱SMA絲可以提高加熱效率[64]021007[65]。SMA具有恢復(fù)應(yīng)力高、工作電壓低、壽命長等優(yōu)點，但同時存在驅(qū)動和恢復(fù)速度慢以及遲滯等問題。此外，徐雪杰等[6]54-59使用聚二甲基硅氧烷（Polydimeth-ylsiloxane，PDMS）和單壁碳納米管（CarbonNanotube，CNT）組成復(fù)合光驅(qū)動材料，借助3D打印技術(shù)直接打印出軟體手，在光照控制下能夠模擬部分手的動作形態(tài)，如圖3（i）所示。

3軟體仿人靈巧手的材料與制造

3.1材料

軟體仿人靈巧手作為軟體機器人的一個分支，本體采用軟材料（彈性模量小于 10⁹Pa， 制作而成，常用的軟材料包括彈性體和形狀記憶材料。彈性體是一種彈性聚合物，具有柔順性和高彈性的特點，其彈性模量和人體軟組織、肌肉相近，更容易實現(xiàn)與人手類似的運動能力。硅橡膠是制作軟體仿人靈巧手最常用的彈性體材料1[3]6[41387396[4634，具有加工容容易、毒性小、成本低等優(yōu)點。如圖4（a）所示，ZHOU等[35]379-3386設(shè)計的軟體仿人靈巧手BCL-13，手指和手掌執(zhí)行器均由Smooth-On公司生產(chǎn)的硅橡膠制備而成，并用纖維纏繞增強結(jié)構(gòu)；得益于硅橡膠良好的軟彈性，該手具有高度的靈巧性和安全交互性。聚氨酯（Polyurethanes，PU）和PDMS都屬于彈性高分子材料，也常被用在軟體仿人靈作35566具良好的耐磨性，在很寬的硬度范圍內(nèi)都保持較高的彈性，但缺點是原材料具有毒性。YANG等[3715912-155925利用熱塑性聚氨酯（ThermoplasticPolyurethane，TPU）制備的軟體仿人靈巧手，具有良好的彈性，手指能夠承受 450kPa 的氣壓，如圖4（b）所示。PDMS本身無毒、透明，通常加入其他材料進行改性后用于仿人靈巧手的制備[6]54-5[67]。此外，硅橡膠或PDMS 也被用來包裹在形狀記憶材料驅(qū)動的仿人靈巧手手指外部，既可以防止其在外界沖擊下?lián)p壞，又能增加手指的柔韌性[64J021007。然而，彈性體材料易受到尖銳物體造成的切割和穿孔等損傷，從而大大影響軟體仿人靈巧手的可靠性。如圖4（c）所示，TERRYN等使用自修復(fù)聚合物材料研制了一款軟體仿人靈巧手，該材料可通過溫和的熱刺激實現(xiàn)受損部位的自修復(fù)，從而延長了軟體仿人靈巧手的壽命和可靠性。

純軟體結(jié)構(gòu)的仿人靈巧手并不常見，通常軟體仿人靈巧手的手掌和連接件采用剛性材料制成[42303-31469112090，如丙烯睛丁二烯苯乙烯（AcrylonitrileButadiene Styrene，ABS）[4l75-8s和 聚乳酸（PolylacticAcid，在由彈性體制作的手指外部，起到對手指結(jié)構(gòu)增強、約束的作用。在軟體仿人靈巧手的手指設(shè)計中，一些研究人員采用硅橡膠作為基底，并使用纖維進行增強和約束，可以穩(wěn)定手指的形狀，并增加手指彎曲的曲率，如圖4（d）所示。此外，有學(xué)者在指心一側(cè)添加了不可延展材料作為應(yīng)變限制層，以確保手指在驅(qū)動過程中沿所需方向向定*33936[46342413443隨著3打印技術(shù)的不斷發(fā)展，多種軟材料可以用來直接打印軟體仿人靈巧手，如光敏樹脂[91107213945-395和TPU[30]e0232766

用在軟體仿人靈巧手上的形狀記憶材料包括形狀記憶合金和形狀記憶聚合物（ShapeMemoryPoly-mer，SMP）。SMA既可作為軟體仿人靈巧手的材料，同時也是手指的動力來源。鎳鈦（NiTi）合金是SMA中最常用的合金材料之一。KIM等[63]138-148提出了一種用SMA驅(qū)動的手指，該手指由玻璃纖維、SMA絲和PDMS組成，如圖4（e）所示。SMA絲用于驅(qū)動手指產(chǎn)生彎曲變形，玻璃纖維用于增加手指的拉伸強度，PDMS提供了手指的柔順性和彈性恢復(fù)力。SMP是一類具有初始形狀、經(jīng)形變并固定后能夠在外部刺激下恢復(fù)初始形狀的聚合物材料。SMP除了固有的柔順性外，還具有剛度可調(diào)的能力，可使彈性模量發(fā)生2＼～3個數(shù)量級的變化。WANG等3提出的剛度可變手指，在SMP中嵌入電阻絲，通過電阻絲加熱SMP，可實現(xiàn)手指從剛性狀態(tài)（彈性模量為 125.65MPa 變?yōu)槿嵝誀顟B(tài)（彈性模量為 3.33MPa 。

3.2 制造方法

目前，軟體仿人靈巧手的制造方式主要有澆筑成型和3D打印技術(shù)。澆筑成型方法被廣泛用于軟體仿人靈巧手的制造[23]1685[35]339-386[49]745-53[4637-49[243434-3449其流程如圖5（a）所示。澆筑成型具有成本低、操作簡單的優(yōu)點，但對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，模具的設(shè)計、制作、澆筑以及脫模等過程都較為復(fù)雜；此外，在澆筑成型的過程中，還容易產(chǎn)生氣泡等缺陷。3D打印技術(shù)的進步為軟體仿人靈巧手的制造提供了更加快捷高效的解決方案。早期的3D打印技術(shù)僅限于剛性材料，用于制備澆筑模具；隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，多種軟材料可以用來直接打印軟體仿人靈巧手[30]e0232769]10[72345-395，如圖5（6）所示。3D打軟材料的制作過程高效快速，省去了澆筑成型過程中模具的設(shè)計、澆筑、脫模等步驟，并可快速地在原型設(shè)計中進行修改。

選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）作為一種3D打印形式，利用激光掃描融化固體粉末顆粒，并使之凝固，形成固體結(jié)構(gòu)。在該過程中，新一層粉末顆粒會被均勻分布在粉床上，隨后重復(fù)前述熔化和凝固步驟，直至目標物體制造完成74]。但SLS制造的物體表面比較粗糙，往往需要復(fù)雜的后處理過程。LUO等[75]2000257采用平面激光切割與堆疊制造方法，方便構(gòu)建由多種材料構(gòu)成的氣動軟體靈巧手，如圖5（c）所示。該方法程序簡便，可以有效地結(jié)合不同材料，發(fā)揮各自的力學(xué)性能。但層與層之間需用膠粘接在一起，存在分離的風險。形狀沉積制造（ShapeDepositionManufacturing，SDM）是將材料沉積過程和材料去除過程相結(jié)合的快速成型技術(shù)，其流程如圖5（d）所示。該技術(shù)能夠?qū)傂院腿嵝圆牧舷嘟Y(jié)合，并嵌入傳感器和電路。GAFFORD等采用SDM工藝制造了一款用于微創(chuàng)手術(shù)的柔性多關(guān)節(jié)手指，并嵌入壓力傳感器以提供力反饋。SDM適用于制造驅(qū)動傳感一體化的高度集成結(jié)構(gòu)，但制造工藝相對復(fù)雜，成本較高，很少用在軟體仿人靈巧手的制造中。表3總結(jié)了近年來軟體仿人靈巧手使用的材料、制造方法、驅(qū)動方式、傳感方式及控制方式。

4軟體仿人靈巧手的建模

軟體機器人在理論上具有無限多個自由度，軟材料的使用也賦予了其連續(xù)變形和非線性的特性。因此，在建模方法上面臨諸多挑戰(zhàn)。軟體仿人靈巧手作為軟體機器人研究的一個熱點方向，在模仿人類手部靈活復(fù)雜的運動時也存在建模困難的問題，并且在建模時涉及多種學(xué)科相互交叉的情況，這不僅增加了建模的復(fù)雜性，也為建立有效的反饋響應(yīng)以及精確控制算法的開發(fā)帶來了復(fù)雜的難題。

軟體仿人靈巧手的建模包括運動學(xué)和動力學(xué)建模。由于其自身軟材料非線性和多自由度的特性，難以直接采用剛性靈巧手運動學(xué)建模常用的Denavit-Hartenberg法（D-H法）。現(xiàn)有的建模方法主要借鑒剛性機器人理論，并在此基礎(chǔ)上不斷改進，目前尚未形成統(tǒng)一的理論框架。建模時，可將軟體仿人靈巧手的手指看成梁結(jié)構(gòu)，因此，可以參考連續(xù)體機械臂的建模方法或軟體機器人領(lǐng)域中對軟體細長梁的建模方法[80]

軟體執(zhí)行器的運動模式和驅(qū)動方式?jīng)Q定了其運動是連續(xù)的，因此，研究人員開展了連續(xù)體運動學(xué)建模研究，用一個連續(xù)函數(shù)來描述其運動情況。研究發(fā)現(xiàn)，軟體機器人在變形時，部分曲率恒定。因此，研究人員基于D-H法對各個常曲率段通過多次齊次變換組合，得到分段常曲率（PiecewiseConstantCurvature，PCC）理論[81]。PCC方法是流體驅(qū)動型軟體機器人使用最廣泛的方法，適用于由一系列軟氣動執(zhí)行機構(gòu)組成的多段靈巧手。DELLASANTINA等[82]利用多段結(jié)構(gòu)軟體執(zhí)行器的分段常曲率模型，通過曲率的變化來實現(xiàn)軟體執(zhí)行器的運動學(xué)控制。POLYGERINOS等83借助分段常曲率理論對纖維增強型軟體氣動執(zhí)行器進行建模，得到氣壓變化與執(zhí)行器彎曲角度之間的關(guān)系，并使用有限元軟件驗證了模型的準確性。然而，軟體仿人靈巧手在運動時各個分段曲率會發(fā)生變化，因此，利用PCC方法建立的運動學(xué)模型精度較差，對位置的控制效果難以令人滿意84。針對非恒定曲率的問題，學(xué)者們提出了在PCC方法基礎(chǔ)上的可變常曲率（VariableConstantCurvature，VCC）的運動學(xué)建模方法。MAHL等5利用VCC理論建立了柔性機械臂的運動學(xué)模型。該方法將連續(xù)的柔性機械臂劃分為多個虛擬圓弧段，并假設(shè)每個圓弧段具有不同的恒定曲率；然后，采用分段常曲率的建模方法處理這些圓弧段，并將其串聯(lián)起來，以更好地符合幾何上的曲率變化特性。

有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）也可以精確地表示軟體機器人的非線性變形。有限元模型通過試驗得到材料的本構(gòu)關(guān)系，提供了更為真實的系統(tǒng)非線性響應(yīng)分析結(jié)果。有限元模型的運動可以實現(xiàn)軟體仿人靈巧手變形和應(yīng)力關(guān)系的可視化，有助于深入理解軟體執(zhí)行器在實際應(yīng)用場景中的局部應(yīng)變對整體驅(qū)動性能的影響。同時，用于有限元仿真的軟件也相繼被開發(fā)出來。SOFA和Abaqus是軟體仿人靈巧手進行FEM建模的常用軟件。XUE等8通過有限元軟件Abaqus對纖維增強型氣動軟體手指執(zhí)行器建立有限元模型，借助有限元模型，軟體執(zhí)行器的變形和應(yīng)力可以得到更為直觀的展示，有助于更好地理解幾何參數(shù)、輸入氣壓和材料選擇對彎曲角度的影響。然而，有限元模型的計算量較大，對計算機的性能有一定要求，同時也影響實時控制的效果。

動力學(xué)模型研究的是作用在軟體仿人靈巧手上的力與產(chǎn)生的運動之間的關(guān)系。由于軟體仿人靈巧手的柔順性，常規(guī)的剛性機器人動力學(xué)建模方法并不適用。對于軟體機器人，通常會運用拉格朗日方法和牛頓一歐拉方法，將其離散化為多個虛擬模塊，以實現(xiàn)離散化處理；進行分析計算，得出每個模塊的動能、勢能以及外部輸入能量，并采用拉格朗日或牛頓一歐拉方法，計算每個模塊在廣義坐標系下的運動方程，從而獲得軟體機器人的動力學(xué)模型[87-88]。MARCHESE等[8開發(fā)了一種圓柱形柔性機械臂，并在建模中考慮了重力勢能對模型的影響，通過拉格朗日方法實現(xiàn)了對流體彈性體機械臂的動力學(xué)建模。此外，經(jīng)典的梁理論也被應(yīng)用于軟體機器人的動力學(xué)建模，描述在外部載荷作用下的變形。劉佳鵬等9設(shè)計了一款氣動軟體手，利用歐拉一伯努利梁理論構(gòu)建了相應(yīng)的彎曲模型；通過該模型得到了雙向彎曲軟體執(zhí)行器彎曲曲率、彎曲力矩和充氣氣壓之間的解析式。與運動學(xué)模型相比，軟體仿人靈巧手的動力學(xué)模型研究進展相對欠缺，建模仍然具有挑戰(zhàn)性。

5軟體仿人靈巧手的控制

傳統(tǒng)剛性靈巧手在控制時需要單獨對每個自由度進行反饋控制，然而，軟體仿人靈巧手理論上具有無限多個自由度，故尚未形成主流的通用控制理論9。根據(jù)是否建立數(shù)學(xué)模型以及是否具備傳感器反饋分類，軟體仿人靈巧手的控制技術(shù)可以分為基于模型控制與無模型控制以及開環(huán)控制與閉環(huán)控制。

5.1模型與無模型控制

基于模型控制的方法大多是對軟體仿人靈巧手的執(zhí)行器進行物理性質(zhì)建模，通過適當?shù)暮喕徒疲罱K用一個連續(xù)函數(shù)來描述，使得模型在實際應(yīng)用中既足夠精確又容易進行分析。常用的模型除了上文提到的PCC模型和FEM模型，Cosserat桿理論也常用于軟體機器人的建模中。Cosserat桿理論是一種經(jīng)典的彈性理論模型，它將桿或梁看作由許多微小的旋轉(zhuǎn)體組成的結(jié)構(gòu)，這些旋轉(zhuǎn)體可以沿著其軸線自由旋轉(zhuǎn)，具有無限的自由度，能夠有效地描述更廣泛范圍的非線性連續(xù)形變。因此，Cosserat桿理論可用于連續(xù)體柔性手指的運動學(xué)分析。LI等采用Cosserat桿理論代替常曲率模型對軟體手指的彎曲形狀進行建模，并基于此模型提出了一種可以同時控制手指位置和剛度的方法。但是，當軟體手指的形狀無法被視為單一的桿或梁結(jié)構(gòu)時，這種建模方法的準確性就會受到影響。

無模型控制則是根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出的結(jié)果，通過迭代、學(xué)習的方法估計系統(tǒng)狀態(tài)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。其中，機器學(xué)習（MachineLearning，ML）是軟體仿人靈巧手常用的無模型控制方法。HUANG等9設(shè)計了具有柔性光纖曲率傳感器和壓力傳感器的軟體仿人靈巧手，使用ML方法對軟體仿人靈巧手的多模態(tài)信息感知進行研究，可以識別靈巧手做出的手勢，并識別物體的形狀、大小和質(zhì)量。作為機器學(xué)習的一個分支，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法因其能夠近乎完美地擬合各種非線性曲線的特性而被廣泛運用于軟體仿人靈巧手的控制領(lǐng)域。一些學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對軟體仿人靈巧手的形態(tài)控制。KHIN等提出了一種軟體仿人靈巧手，在手指和手掌中集成了多個柔性力和彎曲傳感器，并將軟傳感技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，開發(fā)了靈巧手識別被抓取物體的能力，識別率達到 88.2% 。相比于普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，更為智能的深度學(xué)習算法被開發(fā)出來，用于預(yù)測軟體仿人靈巧手的抓取是否成功。DEL-LASANTINA等95基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析待抓取物體的視覺信息，提出類人的自主抓取運動策略，提高了靈巧手抓取的成功率。

5.2 開環(huán)與閉環(huán)控制

在軟體仿人靈巧手的控制中，基于傳感器的反饋是一個重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)是否引入反饋環(huán)節(jié)分類，可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。目前，軟體仿人靈巧手的控制大多采用開環(huán)控制。由于軟材料具有內(nèi)在的柔順性和適應(yīng)性，降低了軟體仿人靈巧手的控制難度。在開環(huán)控制中，控制器在決策過程中不考慮任何反饋數(shù)據(jù)，而是根據(jù)事先設(shè)定的邏輯或模型來確定所需的控制量和控制命令，但此過程忽略了軟體機器人在實際操作中的動態(tài)表現(xiàn)。開環(huán)控制的控制量可以通過反復(fù)試驗、基于軟體仿人靈巧手的數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測。鑒于其結(jié)構(gòu)簡單和設(shè)計上的便捷性，因此，其在軟體仿人靈巧手的控制中被廣泛應(yīng)用231]16185467-49497456753。但是，由于開環(huán)控制缺乏反饋，無法確定軟體仿人靈巧手是否達到預(yù)期姿態(tài)或位置。特別是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，未知擾動和環(huán)境變化會使開環(huán)控制難以實現(xiàn)理想的控制效果，甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

相較于開環(huán)控制，閉環(huán)控制利用傳感器的反饋實時調(diào)節(jié)輸出誤差，能夠控制軟體仿人靈巧手更精確地達到預(yù)期姿態(tài)或位置。GU等[79]589-598提出一款操作感知一體化的軟體神經(jīng)假肢手，指尖嵌人了柔性壓力傳感器，可同時提供肌電控制和觸覺反饋，能夠幫助截肢患者實現(xiàn)觸覺和壓力等外界信息的感知，實現(xiàn)假肢手與神經(jīng)系統(tǒng)的雙向閉環(huán)控制。楊后樂等設(shè)計了一種剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)軟體仿人靈巧手，基于bang-bang反饋控制方法，設(shè)計了一種具備氣壓穩(wěn)定控制和抗干擾能力的控制系統(tǒng)，并且在該系統(tǒng)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)GRASP手勢分類法33種抓取姿勢中的30種。機器人控制技術(shù)的關(guān)鍵組成部分之一在于控制算法，其利用特定的數(shù)學(xué)關(guān)系來生成決策信號，以實現(xiàn)對機器人的目標控制。目前，PID控制算法是軟體仿人靈巧手使用最廣泛的閉環(huán)控制算法。王君等利用PID控制算法，提出并建立了一種軟體靈巧手的手指力/位置控制系統(tǒng)，并通過Simulink仿真計算出PID控制器的最佳參數(shù)。然而，閉環(huán)控制依賴于傳感器的反饋，對其柔順性有較高的要求，以滿足軟體仿人靈巧手的靈活性和適應(yīng)性。隨著材料和柔性電子技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動傳感一體化設(shè)計將成為軟體仿人靈巧手閉環(huán)控制的新方向。

5.3柔性觸覺感知技術(shù)

柔性觸覺感知[98-100技術(shù)對確保軟體仿人靈巧手與人、環(huán)境之間的安全交互以及智能控制起著至關(guān)重要的作用，其核心是柔性觸覺傳感器。由于軟體仿人靈巧手自身的柔順可變和多自由度的性質(zhì)，要求與之匹配的傳感器也必須具有高柔順性且高精度。分布在軟體仿人靈巧手上的觸覺傳感器能夠在非結(jié)構(gòu)化的場景中為人們提供多模態(tài)信息感知，如接觸狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)、滑動、扭轉(zhuǎn)等）、表面特征（粗糙度、紋理、曲率等）以及物理屬性（溫度、形狀、質(zhì)量、剛度等）。柔性觸覺傳感器可將外部的刺激轉(zhuǎn)化成電信號，以供計算機進行讀取和分析。如圖6所示，根據(jù)傳感機制不同，柔性觸覺傳感器可分為壓阻式[101-102]、電容式[03]ea6914[104-105]壓電式[106-107]和摩擦式[1109]等類型，其優(yōu)缺點對比如表4所示。目前，柔性觸覺傳感器與軟體仿人靈巧手有兩種不同的結(jié)合方式，分為嵌入式柔性傳感器和電子皮膚。

5.3.1嵌入式柔性傳感器

賦予軟體仿人靈巧手觸覺感知功能的一種直接方法是將傳感器集成在軟體仿人靈巧手內(nèi)部，用來檢測各種刺激，如壓力、溫度、電阻等。ZHOU等[0-1設(shè)計并開發(fā)了一種帶有嵌入式柔性傳感器的3D打印軟體靈巧手，將柔性位置傳感器集成到手指中，可以監(jiān)測手指位置以防止相互碰撞，從而實現(xiàn)手勢之間更有效和直觀的轉(zhuǎn)換。ZOLLER等12]6986-699]將微型麥克風嵌入氣動軟手指的腔體中，當與環(huán)境發(fā)生接觸時，執(zhí)行器內(nèi)部會產(chǎn)生聲音并被微型麥克風捕捉。

不同類型的物體會產(chǎn)生不同的聲音特征，從而間接實現(xiàn)對接觸位置、接觸力和接觸材料等的感知，如圖7（a）所示。ZHAO等[77eai7529將柔性光波導(dǎo)管傳感器集成在手指內(nèi)部，研發(fā)了智能軟體仿人靈巧手。柔性光波導(dǎo)管傳感器一端裝有光源，另一端裝有光子應(yīng)變傳感器，具有輸出信號遲滯低和精度高的特點。當手指彎曲時，柔性光波導(dǎo)管傳感器也會隨之變形，導(dǎo)致光在其中傳播會產(chǎn)生損耗。傳感器頂端的光子應(yīng)變傳感器能夠?qū)⒐鈴姸鹊淖兓D(zhuǎn)化為電信號的變化。當手指劃過物體表面時，能夠檢測物體表面的粗糙度和形狀，如圖7（b）所示。為了使柔性傳感器更好地集成在軟體仿人靈巧手中，學(xué)者們在軟體傳感技術(shù)上進行了諸多探索和研究。例如，將導(dǎo)電液體注入硅橡膠本體的微小通道中。當本體發(fā)生變形時，內(nèi)部通道也會相應(yīng)地改變，使導(dǎo)電液體電阻產(chǎn)生變化[113-114]，因此，能夠用來檢測壓力和應(yīng)變。在向智能化發(fā)展過程中，軟體仿人靈巧手需要理解環(huán)境信息，尤其是對壓力和溫度信息的獲取，以便更好地實現(xiàn)與人、環(huán)境的交互。ZOU等[115在軟體仿人靈巧手中嵌入壓力一溫度柔性傳感器來感知外界刺激。通過在PDMS中摻入一定質(zhì)量的炭黑制備熱敏電阻，可以感知外界溫度的變化。壓力感知是通過在硅橡膠中摻入一定比例的多壁碳納米管，借助壓阻機制實現(xiàn)。該手可以同時、獨立地感知外界的壓力和溫度，且互不干擾。

柔性傳感器的發(fā)展使軟體仿人靈巧手具有部分觸覺感知功能，但觸覺傳感單元相對較少，且位置集中，難以實現(xiàn)和人手一樣的分布式觸覺感知。HE等[72]3945-3952提出了一種氣動軟體仿人靈巧手，通過多材料3D打印技術(shù)，在手指和手掌部分直接打印分布式氣動觸覺傳感器，可以提供更全面的空間信息，如圖7（c）所示，綠色部分為分布式氣動觸覺傳感區(qū)域。分布式氣動觸覺傳感器不會影響手部的靈巧性，因此，該手能夠?qū)崿F(xiàn)GRASP分類中所有的抓握姿勢，并在Kapandji測試中獲得最高分。

5.3.2 電子皮膚

皮膚是人體最大的器官，能夠感知形狀、紋理、溫度和接觸壓力等外界信息，并具有延展性、自愈性和柔順性等特征。一些研究人員受到人體皮膚的啟發(fā)，致力于開發(fā)能夠模擬人體皮膚感知功能的電子皮膚 （e-skin）^[116-117] 。為了滿足軟體仿人靈巧手的柔順性，諸如PDMS、聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyeth-yleneTerephthalate，PET）、聚酰亞胺（Polyimide，PI）等聚合物被用作電子皮膚的基底材料，顯著提高了其柔順性和適應(yīng)性。電子皮膚通常附著在軟體仿人靈巧手的表面，能夠?qū)崟r監(jiān)測手內(nèi)收到的外部信號。在執(zhí)行抓取或操作任務(wù)時，電子皮膚會提供反饋，調(diào)整軟體仿人靈巧手的姿態(tài)或抓取力，從而提高抓取的成功率。YAMAGUCHI等[8提出的氣動軟體手，在氣動執(zhí)行器表面貼附由觸覺力傳感器陣列層和溫度傳感器層組成的電子皮膚。觸覺力傳感器陣列層可以通過測量觸覺力的時間延遲來監(jiān)測靈巧手中物體是否滑動。通過實時反饋調(diào)整抓取力，以防止物體掉落，如圖7（d）所示。

人體皮膚在感知觸覺刺激的同時，能區(qū)分法向力和切向力，辨別被觸摸物體的溫度、硬度和粗糙度等。對于軟體仿人靈巧手而言，設(shè)計具有三維力感知和多模態(tài)感知功能的電子皮膚，對提高軟體仿人靈巧手的抓取操作能力及智能化具有重要意義。BOUTRY等[103]eau6914提出了一種仿生電子皮膚，通過模仿人體皮膚真皮層與表皮層交錯的界面，能夠?qū)崟r測量和區(qū)分法向力和切向力。電子皮膚由碳納米管電極、PU彈性體和介電層薄膜構(gòu)成的電容式傳感器陣列組成，具有較高的靈敏度和毫秒級的響應(yīng)時間。電子皮膚貼附在靈巧手的手指上提供閉環(huán)反饋，并實時控制機械臂的運動，如圖7（e）所示。KIM等[119提出了可檢測應(yīng)變、壓力、溫度和濕度的多模態(tài)電子皮膚，覆蓋了仿人靈巧手的整個表面，通過結(jié)合多種感知方式，提高了仿人靈巧手應(yīng)對復(fù)雜外部環(huán)境的感知能力。

軟體仿人靈巧手需要觸覺感知功能來保證與人或環(huán)境的安全智能交互。通過使用柔性觸覺傳感器，軟體仿人靈巧手可以感知外部觸覺信息，并調(diào)整接觸力或姿勢從而進行精準操作。這不僅提高了軟體仿人靈巧手與環(huán)境的交互能力，而且增加了其在各種任務(wù)中的可靠性?？梢灶A(yù)見，未來柔性觸覺傳感技術(shù)將朝著具有高密度、高分辨率以及多模態(tài)復(fù)雜感知系統(tǒng)的方向發(fā)展。隨著柔性觸覺感知技術(shù)的不斷進步，軟體仿人靈巧手在工業(yè)自動化、醫(yī)療康復(fù)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用將得到進一步拓展。

6總結(jié)與展望

作為機器人末端執(zhí)行器，軟體仿人靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)部分類人的抓取和操作功能。得益于軟材料帶來的柔順性，軟體仿人靈巧手在環(huán)境適應(yīng)性和人機交互安全性方面表現(xiàn)出色，很大程度上彌補了傳統(tǒng)剛性靈巧手的不足。軟體仿人靈巧手在工業(yè)自動化、醫(yī)療康復(fù)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢，例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以與工人協(xié)作完成微小易損零件的裝配工作；在康復(fù)醫(yī)療中，輔助患者進行康復(fù)訓(xùn)練或為上肢截肢患者提供更智能的假肢，以提高其生活質(zhì)量；在家庭服務(wù)中，輔助老年人的日常生活，執(zhí)行簡單而常見的動作，如撿拾物品、擦桌子等。盡管軟體仿人靈巧手具有諸多優(yōu)點，但與人手相比仍存在明顯的差距和局限性，面臨著諸多挑戰(zhàn)。

（1）與人手和剛性仿人靈巧手相比，軟體仿人靈巧手的負載和剛度相對較低。軟體手通常由柔性材料制成，這些材料的耐久性、柔韌性、抗疲勞性和響應(yīng)速度都還無法完全媲美人手的生物材料。使用剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)和變剛度方法可以有效提高其負載和剛度，進而提高其抓取性能。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要重點解決剛?cè)崞ヅ浜蛣側(cè)狁詈献冃蔚葐栴}。智能材料可以在外界刺激下改變材料的剛度特性，將變剛度智能材料和軟體仿人靈巧手結(jié)合的方法為提高軟體仿人靈巧手的負載和剛度提供了新的選擇。

（2）目前，軟體仿人靈巧手能完成大部分日常抓取任務(wù)，但在靈巧操作方面仍落后人手。這主要是因為軟彈性材料的滯后性以及協(xié)調(diào)控制方法的局限性，導(dǎo)致多手指與多關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)配合能力較差，靈巧性不如人手。盡管復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和協(xié)調(diào)控制方法可以提高軟體仿人靈巧手的靈巧性，從而提高操作性能，但這對設(shè)計和精準控制提出了巨大挑戰(zhàn)。

（3）軟體仿人靈巧手由非線性彈性材料制作而成，精確建立其數(shù)學(xué)模型十分困難。大部分數(shù)學(xué)模型尚未考慮材料非線性、重力和外載荷等因素對本體變形的影響。目前，常曲率假設(shè)和分段常曲率假設(shè)仍是目前軟體仿人靈巧手有模型控制的主流建模方法。相對而言，無模型控制被視為一個新的研究方向。這種控制方法利用收集的樣本數(shù)據(jù)并通過迭代學(xué)習進行建模，為軟體仿人靈巧手的控制提供了一種相對簡便的方法。機器學(xué)習是軟體仿人靈巧手常用的無模型控制方法，已被用于捕捉人手的姿勢以及控制軟體仿人靈巧手實現(xiàn)抓取和操作任務(wù)。但機器學(xué)習的控制算法存在計算效率不高、計算量大的問題，使得在有限的硬件基礎(chǔ)上采用實時控制存在很大挑戰(zhàn)。未來需要探索如何結(jié)合模型控制和無模型控制的優(yōu)點，同時融合多學(xué)科的協(xié)同建模方法。

（4）軟體仿人靈巧手在工業(yè)自動化、醫(yī)療康復(fù)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前軟體仿人靈巧手通常被固定于剛性機械臂或靜止的平臺上，只能實現(xiàn)手內(nèi)操作或在有限空間內(nèi)進行手外操作，傳統(tǒng)的剛性機械臂也限制了其在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的應(yīng)用。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，可移動的人形機器人將成為軟體仿人靈巧手的絕佳載體，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，軟體機械臂也會成為其發(fā)展中一個關(guān)鍵技術(shù)。

（5）觸覺感知功能對軟體仿人靈巧手獲取環(huán)境信息至關(guān)重要。目前提出的柔性傳感器，雖然在柔順性、靈敏度和響應(yīng)速度等方面取得很大進展，但要制造出可以媲美人體皮膚的柔性傳感器仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。同時，如何在手部有限的結(jié)構(gòu)空間中融合/嵌入柔性觸覺傳感器也值得進一步研究。隨著智能材料和柔性電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使軟體仿人靈巧手的驅(qū)動傳感一體化設(shè)計成為可能。這種全新的柔性傳感器，既作為軟體仿人靈巧手的本體材料，又具備感知功能，能夠適應(yīng)各種軟體仿人靈巧手的形狀，消除嵌入式或表面粘附式傳感器對其性能造成的影響。此外，未來的研究重點也將集中在開發(fā)柔性傳感器多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法上，將來自不同傳感器模態(tài)的信息整合在一起，以便軟體仿人靈巧手更全面地理解環(huán)境信息。

隨著機器人技術(shù)的不斷進步，預(yù)計未來的軟體仿人靈巧手將集成更先進的多模態(tài)感知系統(tǒng)，并采用智能材料和新型結(jié)構(gòu)，以提高負載和剛度。利用先進的機器學(xué)習和智能控制算法，軟體仿人靈巧手將能更自然地模擬人類手部運動，并應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療康復(fù)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域，提高人機協(xié)作的安全性和效率?？梢灶A(yù)見，未來軟體仿人靈巧手有望具備和人手一樣的靈活操作和感知能力，滿足各行各業(yè)對機器人末端執(zhí)行器的需求。

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Research status of soft anthropomorphic dexterous hands

LIU Yibo’XIAO Huaping1LIU Chuanwang'SUN Zhenhao’HAO Tianze2LIU Shuhai' （1.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，China UniversityofPetroleum，BeijingO2249，China） （2.TianjinKeyLaboratoryforAdvancedMechatronicSystemDesignandInteligentControl，TianjinUniversityof Technology，Tianjin 300384，China） （3.NationalDemonstrationCenterforExperimentalMechanicalandElectricalEngineringEducation，TanjinUniversityof Technology，Tianjin300384，China）

Abstract：[Significance] Softanthropomorphic dexterous hands，asatypeofrobot endefectorcomposedofsoft materials，arecapableofchievinghuman-likegraspingandmanipulationabilities，ndrecharacterzedbyghexterityoutstanding environmentaladaptabilityandsafetyinthehuman-robotinteraction.Analysis]Theperformanceofsoftanthropomoricdexteroushandsintermsofdexterityandgaspngoperationcapabilitiesasreviewed，followedbyadetailedintroductionadanalysisoftheresearch statusofsoftanthropomorphicdexteroushands intermsofdrivingmethods，materialsandmanufacturing， flexibletactilesnsing，modelingandcontrol.Finally，thepotentialchallengesandpossibleevelopmentdirectionsfacdbysoft anthropomorphicdexteroushandswerediscued，ndemphasizingthatimprovingtheirdexterityandtactileperceptioncpabilities is a key focus of future research.

Keywords：Softrobotics;Robotic hand;Anthropomorphicdexterous hand;Tactile sensing;Modelingandcontrol