一、机械手是什么？
机械手是机器人的一类末端执行器，通常用于完成夹取、握紧、辅助支撑和定位等工作。末端执行器是一种连接在机器人的末端关节并具备特定功能的工具。在实际应用中，通常由机器人确定末端执行器的位置和姿态，由末端执行器完成具体的操作任务。根据机械结构，常见的机械手通常可以分为吸附式、关节式、柔性以及专用机械手四类。
二、吸附式机械手
吸附式机械手通过合理布局吸附元器件，依靠产生的吸附力完成对产品的抓取，一般无需设计复杂的机械手关节，适用于大平面、易碎或微小的物体，常用的有真空吸附式、磁吸附式和静电吸附式三种机械手。
（一） 真空吸附式机械手
真空吸附式机械手多采用真空吸盘和真空发生器产生吸附力。接触待搬运物体后，通过真空发生器抽吸，使吸盘内产生负气压并形成吸附力，即可开始物体的提升和搬运。搬运完成后，可平稳地向吸盘内充气，使其恢复零气压或者稍许正气压，真空吸盘就能脱离物体，准备下一次搬运。真空吸附式机械手适用于搬运表面光滑、平整、不透气的物体，例如玻璃、纸张等，工作稳定、高效，成本较低。
（二）磁吸附式机械手
磁吸附式机械手多使用永磁铁或者电磁铁产生吸附力。使用永磁铁时，需要在机械手内部添加活塞等可以控制吸附和释放物体的机械结构。使用电磁铁时，可对铁芯外部的导电绕组通电形成磁场，控制绕组电路的通断即可控制机械手磁吸附力的形成和消失。磁吸附式机械手适用于搬运表面平整的铁磁性材料，结构简单，成本低。
（三）静电吸附式机械手
在日常生活中，当人们用头发摩擦气球时，产生的静电可使大家“怒发冲冠”，让气球吸附在墙壁上。同样，可以利用静电进行物体的抓取和搬运，静电吸附式机械手便应运而生。机械手安装了电极板，在对电极板正确充电时，便能够产生一个几乎可以附着在任意表面的电场，使机械手能堆叠不同的布料，包括皮革、混合纤维等。Nike使用Grabit的静电吸附机器人，将整理一只鞋舌材料的时间从10-20分钟缩减到50-75秒。
三、关节式机械手
通过模仿人手的形态，可以开发出一系列关节式机械手。根据手指的运动形式，关节式机械手可分为平动式机械手和张角式机械手两大类。在每一类机械手中，不同的手指数量也会使机械手的抓取特点不尽相同。手指数量越多，可越灵活地应对复杂的抓取任务，但是机械手的结构也会越复杂，成本也越高。
（一）二指机械手——通用抓取
平动式二指机械手的两个手指关节呈左右对称分布，采用直线驱动部件带动两个手指关节的直线运动，两个手指关节可以在保持平行的状态下相互靠近或者远离，类似人类双手掌心相对的开合动作。可对具备两个平行表面的物体，例如立方体，进行抓取。调节两个平动手指的运动行程，可改变机械手抓取物体的最大尺寸。如在手指关节上加工特定凹槽，机械手就可以抓取具备回转体特征的产品，例如圆柱体。
张角式二指机械手采用杠杆结构，使用一个直线运动的驱动部件，同时带动两个手指关节绕固定轴的转动，完成打开和闭合的抓取动作，类似人手拇指和食指捏合的动作。在相近的外形尺寸下，张角式二指机械手相对于平动式更能适应不同尺寸物体的抓取任务。
（二）三指、四指机械手——定心抓取
平动式三指机械手的三个手指关节呈120°圆周对称分布，由共同的直线驱动部件带动手指关节同时靠近或者远离圆心。在抓取圆柱体时，可以很好的保证圆柱体的回转轴线与机械手的轴线重合，非常适用于有定心要求的抓取任务，例如抓取和装配圆轴等。同样，改变手指关节的行程可以调节抓取物体的尺寸范围。
增加一个手指关节可形成平动式四指机械手，四个手指呈90°圆周对称分布，工作原理与三指机械手相同。在满足对圆柱体定心抓取的同时，四指机械手也可实现对立方体的定心夹取，应用范围更广。
平动式三指机械手（左）和四指机械手（右）
张角式三指机械手的手指关节同样采用圆周对称分布。工作原理与张角式二指机械手类似，可完成三个手指的打开和闭合，类似人手拇指、食指和中指的捏合动作。同样，该机械手可以实现定心抓取，并且对不同尺寸的物体抓取具备更好的适应性。
（三）五指机械手——灵活抓取
五指机械手可以完全模拟人手的结构，通常具备20个关节，由伺服电机带动连杆或者绳索进行驱动，完成抓握动作。电控元件多集成手腕部，并且可以通过ROS等机器人操作系统进行精确的编程控制。五指机械手具备较好的灵活性和适应性，可对不同外形轮廓和尺寸的物体进行抓取。通过集成传感器和设计智能算法，可使该机械手具备人机协作潜力。但是，受限于复杂的机械结构，五指机械手的承载能力有限，主要进行轻型抓取任务。
四、柔性机械手
柔性机械手同样保持了“手”的形态，但是与关节式机械手不同，前者没有直观的关节设计，并且手指自身柔软，使抓取的适应能力更强。北京航空航天大学文力副教授团队使用聚乳酸材料，通过3D打印研制出一款气动柔性驱动器，通过正、负气压可使驱动器向正、反方向弯曲，从而实现对物体的抓取和释放。
由于使用材料轻便，设计结构简洁，该机械手具备较好的动态特性，完全打开和闭合仅需0.24秒，而同样外形尺寸的传统机械手最短也需要耗时1.5秒。在抓取时，柔性驱动器完全贴合物体表面，并且可以通过调节气压改变抓取力度，使该机械手可以适应不同外形轮廓和软硬程度的物体抓取工作，例如气球、钥匙、签字笔、光盘、鸡蛋等。
柔性机械手可抓取不同物体
五、专用机械手
机械手除能完成物体抓取，还可以通过专门定制设计，实现辅助支撑和定位功能，功能类似于人们在台球运动中支撑球杆的那只手。例如，天玑骨科手术机器人和Remebot神经外科手术机器人的机械手均没有“手”的形态，而是根据应用需要定制辅助支撑装置，通过计算和导航可以使机械臂带动支撑装置到达正确的位置和方向，医生仅需沿支撑装置进行操作，即可准确到达病灶，完成植入和穿刺手术。
天玑（左）和Remebot（右）的
辅助定位专用机械手
六、机械手的发展——感知与协作
人与机器人的协同生产能够有效提高生产率，实现高度灵活性，并将操作者从繁重的人工作业中解放出来。随着传感器技术和人工智能算法的发展，机械手的功能已不再局限于传统的抓取和放置，更多的感知与协作功能集成其中。
第一，集成力传感器，可以有效感知碰撞、夹紧力和外部负载，从而保障安全的人机协作、稳定的夹持和可控的环境接触，实现人机协作搬运、智能装配和主动避障等功能。
第二，借助机器视觉系统，机械手可智能判断待搬运物体的空间位置、外形特征和抓取状态，从而规划最优的夹持方案。
第三，通过传感器，机械手可以监控抓取过程和自身状态，对异常状态进行预警和辅助判断，有助于故障的预防和快速排除。
七、总结
机械手是机器人的重要执行部件。随着机械手的系列化、多样化和智能化发展，用户应根据自身需要，选择能够保障生产功能、成本和效率的机械手。同时，机械手是机器人与操作者和环境接触的第一环节，机械手自身智能化水平的提高将对智能机器人系统发展有着重要意义。
