灵巧手根据不同的应用领域可以分为三大类：假肢和康复（辅助型机器人和假肢）、工业（物流）、人机交互（遥操作、远程交互、社交机器人、娱乐和服务机器人）。鲁棒性和自适应性是灵巧手应用中主要考虑因素。鲁棒性允许灵巧手系统存在一定的误差范围，而适应性有助于简化所需的控制。对于机器人与环境力交互过程或缺乏环境信息的任务，这两个方面因素更是重点考虑。下面结合Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems上发表的论文A century of robotic hand部分内容，具体了解灵巧手应用情况。辅助机器人必须能够在日常生活活动中与环境和人类安全地互动和合作。这些机器人需要能够在恶劣条件下和不确定信息下操作的机械手，并且它们对负载有严格的限制，这意味着手需要小、轻、灵活。此外，它们的手必须保证高度的舒适性、安全性和坚固性。为协助病人、老人或残疾人而设计或改造的机器人手的例子包括DLR/HIT手、Fluidic手、SCCA手等。图1a显示了手在这一领域应用的最著名的例子之一：DLR/HIT手与DLR轻型机器人手臂组合使用，患者通过脑机接口控制机器人完成日常生活任务。假肢手需要轻巧、控制简单，以适应截肢者有限的输入数量与人类和环境的高互动能力，以及要求手能够在恶劣和非结构化的条件下工作。手部假肢是设计用来替代缺失的肢体的人工装置，目前的技术水平包括许多不同的解决方案，如Ottobock Michelangelo Hand、i-Limb Quantum、Open Bionics Hand等。图1b展示了被截肢者使用的BeBionic手。 这种应用是典型的工业环境，如操作员通常近距离操控机器人执行轨迹。这种应用设计的机械手在控制鲁棒性、效率和可靠性方面有要求。典型代表有iHY(iRobot-Harvard-Yale)手等。图1c展示了操作者使用平板电脑对机器人机械手及其末端效应器的动作进行示教控制。远程操作是指从远程位置直接操作机器人系统。远程操作与近程操作之间的主要区别在于，人类操作者在更低的层次上指挥机器人，通常在用户动作和机器人动作之间几乎是一对一的对应关系。远程操作的主要用途之一是在危险的情况下（如在辐照环境或化学品泄漏现场）或在灾难性事件（如地震）发生后，尽量减少人类亲临现场的需要。另外水下机器人方面，例如从海洋中回收考古文物。这些技术必须设计成在未知的甚至严酷的场景中应用，并保证与环境的安全互动（例如，为了抓住易碎品或重物）。这种系统通常在鲁棒性、控制简洁性和适应性方面有严格的要求。设计用于该领域的机器人手的例子有KH(Kinetic Humanoid)手、SCHUNK S5FH手等。图1d展示遥操作NASA宇航机器人的完成一个双手操作任务。远程交互，源于远程操作，目的是利用音频、视频，通过机器人系统进行远距离的交流。这些技术的设想主要是为了与人合作，尤其是在日常生活场景中。为这类应用而设计的手，在与人类和环境的交互能力、舒适性和愉悦性等方面需要较高的规格。主要的设计要求与自然运动行为、安全性、鲁棒性有关。在这一应用领域设计或使用的机器人手的例子有机器人ASIMO手。图1e展示了一个远程操作的机器人与人互动。社交机器人是能够与人类交流的系统。这类机器人的外观设计与人类相似（或人类可接受），通常配备有屏幕，以方便交流和互动。为这类机器人设计的手通常需要较高的人机交互能力和愉悦性，并且在安全性和设计上有严格的要求。为该领域设计的机器人手的例子有Alpha手等。图1f展示了REEM人形机器人在商场里帮助人。娱乐应用的目的是有一个机器人用于娱乐(如玩具)、家庭使用，或用于游乐园或博物馆的动画。这些机器人通常试图模仿人类、动物或卡通人物，不仅在外观上，而且在行为上。这种机器人通常不需要能够与人进行复杂互动的手，它们的工作条件是在监督控制下进行的。而且，其手的设计往往具有严格的设计形式主义，并具有自然动作的特点。在这一应用领域设计的机器人手的例子有iCub机器人的手（111）和用于机器人HRP-4C的手（114）。图1g显示了一个例子：一个NAO机器人在和一个孩子玩耍。图4展示了清华大学计算机系孙富春教授团队开发的灵巧手钢琴弹奏系统。服务机器人协助人类完成多种任务，通常是以半自主或完全自主的方式进行操作。它们被设计为在家庭环境等场景下工作，并要求高可靠性和与人类及环境的良好互动。它们的设计要求主要涉及到鲁棒性、适应性、控制的简单和运动自然。图1h展示了配备DLR Hand II的DLRJustin机器人抓着扫帚打扫地面。为自主操作而设计的机器人通常是为了在结构化环境中使用，尽管这种机器人最近已被用于非结构化环境中。前一种方法是典型的取放工业场景。多功能但坚固的抓取器（有两个或三个手指）通常是首选。在这种情况下采用的抓手在结构良好的环境中使用，以及在有关对象和机器人状态的信息确定的环境中使用。稳健性、适应性和设计标准化是主要要求。图1i展示了RBO手自主执行食品处理任务。物流中采用的系统是为了在产业链中快速、高效地处理货物。在物流末端效应器的技术水平中，有两种主要方法：一种是使用固定的、专门的末端效应器，明确地设计用于特定的产品和特定的供应链；另一种是使用通用系统，能够处理多种货物，并具有内在的多功能性。前一种方法的特点是高可靠性和内在的鲁棒性，同时需要对环境条件有充分的了解和严格的设计。后一种方法是寻找能够与环境互动并在非结构化条件下工作的系统，同时仍然保持高水平的鲁棒性和效率。典型代表有Fetch and Freight、各种SCHUNK手等。图1j显示了一个物流抓取场景。图5展示了开发的多功能机械手实现对物流商品的高效自主抓取。根据这10类应用，“A century of robotic hand”总结了应用领域分析的结果，图6显示了可能的应用领域、在特定的应用领域中操作必须遵守的设计目标以及实现预期目标所需的设计要求。
文章来源：CAAI认知系统与信息处理专委会
