无论是手还是机械手，抓握的最基本原理是摩擦力。其伴随手的抓握动作对物体表面的压力而生，进而阻止物体与手相对运动，从而实现抓握。如此看来，娃娃机中的抓夹也可以看作是一种简单的机械手。
如此看来，机械手的创造方法也不难，就是模仿嘛！要是这样，文章就可以喊「卡！」了，但至少还有一个疑问：为什么我还没从娃娃机里抓到我心爱的娃娃？
因为手的抓握行为远远不止产生摩擦力这么简单。完成机械手抓握行为的复杂程度之高，甚至需要一门学科——仿生学来研究。仿生学，有这样一段傲娇的介绍：「这是一门古老而年轻的学科，迄今生物所具有的某些特定功能与性能仍是人工制造的机械所无法媲美的。」
从机械结构和运动控制两个方面来描述我所认识的机械手，作抛砖引玉之用。
机械结构——手指
除拇指有两节指骨外，其余四指均有三节指骨，由近及远被依次称为近节指骨、中节指骨和远节指骨，指骨之间为单轴关节。从机械原理上来看，可以抽象为转动副，仅有一个自由度。 指骨上还依附有指状鞘，使3节指骨的屈伸运动存在联系。考虑手的球形抓握和勾形抓握，指骨的节数通常不会减少。
由于空间限制，在设计和制作机械手时，为了给其他自由度（毕竟手总共有20多个自由度）腾出安装电机的位置，手指一般采用欠驱动。
1个微型电机+1条气动肌腱=1根手指
拇指以外的四指分工「相当明确」。食指在吃完吮指原味鸡之后用来舔一舔的，中指是为了表示不满的，无名指是用来戴戒指的，小指是用来翘兰花指的。可能有人不翘兰花指，所以，4指机械手和5指机械手都较为普遍。
机械结构——手掌
拇指与手掌之间是双轴鞍状关节，该关节是完成对掌动作的重要关节，其余四指与手掌之间也是双轴鞍状关节，实现屈伸和小幅度摆动。难道是为了偷懒？机械手设计制作中，拇指结构会得到重点关照，而其余四指则多数情况下会简化为仅实现屈伸的单轴转动。与手指活动一同实现。
手掌看似是一体的，但实际分别有 5 块掌骨与 5 指一一对应。目前，在机械手集成性的考量下，机械手手掌通常近似于一个长方体。但手掌在实际的抓握过程中，有较为明显的掌弓，其能增加抓握的稳定性。手掌上的掌纹不仅能算命哦，也是为抓握提供摩擦力的一大利器。
为了更接近真实的手掌情况，3D 扫描再进行增材制造成为手掌设计的一种新方法。
由此看来，机械手的机械结构部分，手指的研究已相对充分，结构相对成熟，而手掌部分则有待深入。另外，目前机械手对片状物体的抓握较为奇怪，如下图。至于是遗漏了哪个结构尚不得而知，如果有知友知道缘由，欢迎补充。
运动控制——动作响应
人的动作反应和感知都是受大脑控制的。但大脑中控制手部运动或感知的区域都似乎不成比例的大。早期的手部动作是通过运动学方程求出运动解。然后根据所要执行的动作，推算运动学反解，再控制电机驱动各关节，达到指定位置。由于运动学反解较为复杂，甚至存在无解的情况，使得机械手的响应速度较慢。另一种方法是示教，通过示教确定指令和动作之间一一对应的关系，当获取某一特定指令时，完成相对应的动作。这种方式则使得机械手仅能应对很小部分的场景，甚至抓取一个未知物体也十分困难。
随着AI的发展，机械手开始了自主学习，甚至能够活学活用，西家的机械手就有这样的功能。西门子中国研究院的研究人员已经开发出了一套算法，利用 Kinect 捕捉图像中的深度数据和红绿蓝（RGB）数据，分离目标物体与周围图像，代入基于极限学习算法的模型，克服了机器人必须自主决定正确的抓取手势和与目标物体的接触位置的难点。即使是未知物体也可以现学现抓。
在动作反应上，机械手的微型电机可由 PLC 控制，西家的 PLC 其相应速度已达毫秒级，与人脑反应速度已无明显差异。但初始位的差异仍十分显著。人手在完全放松的状态下，处于半蜷缩半舒展状态，即手既不呈手掌笔直的状态也不处于紧紧握拳的状态。而由电机控制的机械手则初始位大多处于手掌展开状态，同时，动作与动作之间需要回到初始位过渡，会影响机械手动作的响应速度和连贯性。
运动控制——传感
柱形抓握是机械手的基础动作。如果一个机械手不能进行柱形抓握，那么很难承认这个机械手研制成功了。即便如此，抓住近似圆柱形的矿泉水瓶，竟是很多机械手所无法完成的一项工作。原因在于早期的机械手传感能力弱，仅通过产生规定大小的压力，以确定是否抓握成功，而薄塑料制成的矿泉水瓶往往还未达到机械手施加的压力就产生了变形。
因此新一代的机械手加入位置、角度和力传感器，使机械手处于闭环控制中。美国宇航中心（NASA）的 Robonaut 机械手中安装了高达 43 个传感器。虽然就传感器数量，西家机械手相较 Robonaut 机械手不占优势，仅装配了17 个包含惯性传感和磁性传感两种功能的传感器，及指尖压电陶片，但西家的传感器小而强大，可产生对应准确压力值的不同频率和振幅的振动。一旦接收到这些数据，机械手就根据自身压力传感器返回的实时反馈，向物体施加适当压力。
最后，以西门子机械手为例，带大家了解下机械手的工作特性，以及有哪些应用场景吧。
西门子机械手采用压电液压原理，共4指、20自由度。其手指结构采用新型的线性绳基执行器，更灵敏，更好地平衡力与速度，从而实现快速而温和地操作。整个执行器封装于独立的金属外壳内，确保所有液压流体都包含在系统中，因此只需为其提供电力，而不必提供流体。此外，外壳保护执行机构免受灰尘、湿气或化学品等环境因素的影响。西门子机械手的传感器受液压与压电原件共同作用。在给定电压下，压电晶体会发生微小的偏转，再通过液压系统进行放大，使西家的机械手更加精确。
此外，西门子还致力于让机械手更聪明。西门子中国研究院开发的「数据手套」以捕捉和传递人手的运动、手势和压力，从而向机器人描述复杂的指令和展示安全处理各种物体的方法。同时，为了让机械手能真正地与人类并肩工作，西门子始终将安全将是一项重要的课题。研发基于阻抗控制理论的全新机械手控制机制，可以同时控制机械臂的位置和作用力。只要人为明确规定作用力的最大值，这种机器人就能够推算出最优运动，从而在保持高准确度的情况下成为安全的自主助手。
由于灵敏而精确运动的潜力，西门子机械手将为工业带来许多新的可能性，尤其是与自动化系统结合。例如，配备这种手的机器人系统可以用于人类「破坏性」或有潜在危险的领域，但不可或缺的领域，包括微芯片和半导体工业的洁净室、制药、医疗和食品工业的实验室，以及化学工业中潜在的不健康环境。
参考资料
- http://w1.siemens.com.cn/POF/2011autumn/future/3208.aspx
- https://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-the-future/digitalization-and-software/autonomous-systems-piezoelectric-robotic-hand.html
- https://wenku.baidu.com/view/bda864c3f5335a8103d22029.html
- 袁杰. 一种五指仿人灵巧手的结构设计及应用[D]. 上海大学, 2016.
特别鸣谢本文作者：
西门子工业软件有限公司
软件工程师 陈阳 @糖小囍
看到这里就点个赞吧
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：西门子中国
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载
此问题还有 13 个回答，查看全部。
延伸阅读：
为什么人造肌肉迟迟没有运用到机器人领域？
为什么苹果不将更轻更强的钛合金应用在 iPhone 上？