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2024年4月27日发(作者：却清心)

國立台灣科技大學

機械工程系

碩士學位論文

學號：M9503108

人形化機械手掌研製

Development of Humanoid Robot Hand

研究生：王源錕

指導教授：林其禹教授

中華民國九十七年七月三十日

III

摘要

本篇論文的主要目標為設計製作一人形化機械手掌，達到人類手

部運動及抓取物體的功能，並可整合運用在機械手臂或其他工作平台

上。首先，將針對人類手部的關節及動作進行探討，並定義簡化出本

系統的自由度加以設計製作，使之具有五根指頭、八個自由度和十八

個關節的機械手掌，再利用電腦控制及編排手指和拇指的彎曲活動。

Abstract

The goal of this paper is to design a humanoid robot hand, to achieve

the human hand movement and capture objects function, and may

integrate in the robot arm or other working platform. First, discuss the

movement and joint of human hand. Second, define and simplify the

degree of freedom of this system. Then, to develop and design a robot

hand which has 5 fingers, 8 degrees of freedom and 18 joint. Finally,

using the computer to control and arrange flexion movement of fingers

and thumb.

致謝

本論文首先感謝指導教授林其禹博士在研究期間給予的指導及

教誨，並在學術百忙之中對於本論文撰寫逐字給予撥冗斧正使之臻

成，謹在此致上最誠摯的敬意與謝意。

兩年研究生涯裡非常感謝昌國、柏嘉、立傑和俊家學長於課業及

研究上的指導幫忙，並感謝同窗好友宗憲、進億、文達和健瑋在求學

生涯的相互鼓勵與幫忙，更特別感謝實驗室工程技師安岑在電控方面

的指導與幫忙。

最後，謹將此文獻給我最敬愛的父親王克當先生、母親林麗卿女

士以及三位姐姐和眾親友們，感謝他們對我在學期間的關懷及鼓勵，

以順利完成此論文。

III

目錄

摘要...........................................................................................................I

致謝.........................................................................................................III

目錄........................................................................................................IV

圖目錄......................................................................................................VI

表目錄......................................................................................................IX

第一章緒論...............................................................................................1

1.1 研究背景與動機...........................................................................1

1.2 論文架構.......................................................................................3

第二章相關文獻回顧及探討..................................................................4

2.1 相關文獻回顧...............................................................................4

2.1.1 Gifu .4

2.1.2 應慶大學機械手掌.............................................................7

2.1.9

2.1.4 長庚大學機械手掌...........................................................12

2-2 各文獻比較及探討....................................................................15

第三章機械手掌開發............................................................................17

3.1 人類手掌結構探討.....................................................................17

3.2.1手骨及關節構造探討........................................................17

3.2.2 手關節彎曲角度...............................................................21

3.2 機電系統規劃.............................................................................23

3.3 人形化手掌機構設計.................................................................24

3.3.1 自由度的定義...................................................................24

3.3.2 致動器的選擇...................................................................26

3.3.3 手指彎曲及伸直機構設計...............................................27

3.3.4 手指外展及內縮機構設計...............................................33

3.3.5 拇指扭轉及彎曲機構設計...............................................36

3.3.6 零件加工與完成尺寸.......................................................38

3.4 電路設計及控制介面.................................................................40

3.4.1 電路設計...........................................................................40

3.4.2 控制介面...........................................................................42

3.4.3 機械手掌動作編排...........................................................43

第四章實驗結果與評估........................................................................44

4.1 機械手掌動作測試.....................................................................44

4.2 機械手掌抓取及握住測試........................................................47

4.3 本機械手掌與其他設計比較....................................................51

第五章結論與未來展望........................................................................55

5.1 結論.............................................................................................55

5.2 未來展望.....................................................................................56

參考文獻...................................................................................................57

圖目錄

圖1-1

ASIMO

OBOT

[11].........................................................................2

圖1-2

ARTNER

OBOT

[12].......................................................................2

圖2-1

IFU

AND

III

[1].............................................................................4

圖2-2手指機構設計

[1]...........................................................................5

圖2-3

四連桿機構示意

[1]......................................................................5

圖2-4

拇指機構設計

[1]..........................................................................6

圖2-5

ACTILE SENSOR

[1]..........................................................................6

圖2-6

IVE

FINGER

OBOT

AND

[2].........................................................7

圖2-7

自由度示意圖

[2]..........................................................................7

圖2-8手指及拇指機構設計圖

[2]...........................................................8

圖2-

9超音波馬達構造圖

[13]................................................................9

圖2-10

NTU-H

AND

[3]...............................................................................9

圖2-11

NTU-H

AND

手指機構設計

[3]..................................................10

圖2-12

NTU-H

AND

組裝圖

[3]..............................................................10

圖2-13

NTU-H

AND

[5]........................................................................11

圖2-14

NTU-H

AND

指尖設計

[5].....................................................11

圖2-15

NTU-H

AND

IV手指機構設計

[5]..............................................12

圖2-16

NTU-H

AND

手掌完整組裝圖

[5].........................................12

圖2-17

長庚大學機械手掌

[6]..............................................................13

圖2-18

自由度示意圖

[6]......................................................................13

圖2-19

腱及鋼線示意圖

[6]..................................................................14

圖2-20

手掌管線路圖

[6]......................................................................14

圖2-21

馬達拉線圖

[6]..........................................................................14

圖3-1

右側手部骨骼

[7]........................................................................18

圖3-2

踝狀關節圖

[7]............................................................................19

圖3-3

手指內收及外展示意圖

[7]........................................................19

圖3-4拇指掌指關節

[7].........................................................................19

圖3-5拇指運動示意圖

[7].....................................................................20

圖3-6

屈戌關節(肘關節)

[7]..................................................................20

圖3-7

機械手掌關節示意圖..................................................................21

圖3-8

第三和第四關節彎曲角度分析[8]..............................................22

圖3-9

系統架構圖...................................................................................23

圖3-10自由體圖.....................................................................................25

圖3-11

FAULHABER

DC-M

ICROMOTORS

[13]......................................26

圖3-12

FAULHABER

NCODERS

[13]....................................................27

圖3-13

直流馬達系統方塊圖................................................................27

圖3-14

雙軸交叉示意圖.........................................................................28

圖3-15

手指機構設計圖.........................................................................29

圖3-16連桿機構圖.................................................................................30

圖3-17

食指關節的角度彎曲位置與時間關係圖................................31

圖3-18小指機構設計圖.........................................................................32

圖3-19

小指關節的彎曲角度位置與時間關係圖................................33

圖3-20雙軸關節設計.............................................................................34

圖3-21外展及內縮連桿機構.................................................................35

圖3-22機構設計圖.................................................................................36

圖3-23拇指彎曲機構設計圖.................................................................37

圖3-24拇指扭轉機構設計圖.................................................................37

圖3-25手掌(右手)機構設計圖..............................................................38

圖3-26

實體機械手掌組裝....................................................................38

VII

圖3-27結構尺寸.....................................................................................39

圖3-28機械手掌重量.............................................................................39

圖3-29

馬達驅動器及接角位置............................................................40

圖3-30電路繪製.....................................................................................41

圖3-31電路設計.....................................................................................41

圖3-32

系統電路設計.............................................................................41

圖3-33

機械手掌控制介面....................................................................42

圖3-34

機械手掌動作編排介面............................................................43

圖4-1機械手掌系統架構.......................................................................44

圖4-2

第一指節單獨彎曲......................................................................47

圖4-3

第二第三指節單獨彎曲..............................................................47

圖4-4

雪克杯...........................................................................................50

圖4-5

未荷重鋼杯重量...........................................................................50

圖4-6

抓取650

荷重............................................................................51

圖4-7

加入鋼珠總荷重...........................................................................51

圖4-8傘齒與金屬軸心固定示意圖.......................................................53

圖5-1

整合人形化機器人系統..............................................................56

VIII

表目錄

表2-1

各文獻機械手掌比較..................................................................15

表3-1

手指統計數據表[8]......................................................................22

表3-2

自由度與關節定義表..................................................................25

表3-3

手指關節彎曲圖表......................................................................30

表4-1機械手掌動作訓練.......................................................................45

表4-2機械手掌抓與握實驗測試...........................................................48

表4-3

本論文機械手掌與其他文獻比較表..........................................52

第一章緒論

1.1 研究背景與動機

隨著機器人技術的不斷發展與進步，現今工業界中應用的機器人

模組早已不計其數，如工業用手臂和自動化輸送系統等，然而在未來

的發展上將更全面性，並逐漸走向屬於第三類產業的機器人，將可歸

納為服務型機器人，諸如清潔機器人、醫療型機器人、救災機器人、

家庭用機器人和娛樂型機器人等。最終的期望是讓機器人走入人類的

生活中，使機器人具有智慧型的感知功能，如視覺或聽覺等，並可在

各種難以預料的環境下工作或與人交流，而不只是像傳統工業型機器

人，只接受命令及程序達到特定的工作而生。

在未來的機器人將可朝向自由行走、熟練操作和表達思想的高科

技整合技術，模組的外觀也將更像人而不是機器，或者更為迎合人類

的動物形狀，然而在目前的研究中存在許多難題，如何使機器人逼真

地模仿人類運動；如何在人形的有限空間中設計與裝置許多致動器和

電子元件；以及如何控制與創造機器人的智能等，都將會是未來發展

的挑戰。其中，在人形機器人的研究與發展上，主要可分為機械頭顱、

機械手臂、機械手掌以及雙足系統的開發，而目前在機器人產業也具

有許多人形機器人系統已完整開發，諸如本田(Honda)汽車的ASIMO

Robot 如圖1-1及豐田(Toyota)汽車的Partner Robot如圖1-2。

圖1-1 ASIMO Robot [11]

圖1-2 Partner Robot [12]

在人類手掌的功能上，具有抓取物體、碰觸開關及表達肢體語言

等的各種功能，因此在人形機器人的手掌開發具有相當的重要性，而

本篇論文所研究製作的便是人形化的機械手掌。

1.2 論文架構

本研究論文共可分為五個章節。第一章為緒論，說明本研究的動

機與論文架構編排；第二章為相關文獻的回顧及探討；第三章為人類

手掌結構探討及本機械手掌的機構設計和控制介面；第四章為本論文

的實驗結果與評估；第五章為結論與未來展望。

第二章相關文獻回顧及探討

2.1 相關文獻回顧

機器人系統的開發與研製在現今已日趨成熟，其中內部是由各個

不同的系統與機構整合而成，包括了機械頭顱、機械手臂、機械手掌

與雙足系統等。實則為高整合性的機電技術。其中本篇論文所探討的

就是機械手掌的開發。

機械手掌的技術也已發展許久，在開發的功能與機構上有所不

同，主要的分別有三指頭、四指頭和五指頭的機構，驅動方式也可分

為兩種，第一種為將馬達嵌入在手掌內驅動(Built-in actuator)的方式

以及第二種為利用腱、鋼線拉動(Wire driven)的方式。以下便針對相

關的機械手掌文獻進行探討：

2.1.1 Gifu Hand III

Gifu Hand III[1] ，如圖2-1所示，是由日本岐阜大學所開發的第

三代機械手掌，具有五根指頭、十六個自由度(Degrees of freedoms)

和二十個關節(Joint)的機械手掌，並具有觸覺感測器(Tactile sensor)可

感知手掌在抓取或握住物體時的力量回饋。

圖2-1 Gifu Hand III [1]

機構設計是利用第一種驅動方式Built-in actuator的方式，將馬達

嵌入在手指及手掌內部並以齒輪系帶動手指彎曲。其中食指、中指、

無名指和小指具有相同的機構設計如圖2-2所示，將兩顆馬達架在手

掌內部驅動手指開合及第一指節彎曲的運動，第三顆馬達則架在第一

指節(1st link)處驅動第二及第三指節彎曲，利用四連桿機構達到連鎖

運動(Interlock)的反應，圖2-3為四連桿機構的示意。

圖2-2手指機構設計 [1]

圖2-3 四連桿機構示意 [1]

拇指的運動則有別於其他手指，相對需要較大的扭力及抓、握

力，運動的規則上仿效人類的拇指活動方式，因此在自由度及機構的

設計上也會有所不同。如圖2-4為拇指的機構設計。

圖2-4 拇指機構設計 [1]

觸覺感測器是和日本感測器公司Nitta Corporation 合作開發如

圖2-5，根據Gifu Hand III所設計出的機構形狀，將感測器主要壓點

裝置在手指及手掌表面一體製成。感測器原理是利用壓力改變電阻抗

達到感測效果。

圖2-5 Tactile sensor [1]

2.1.2 應慶大學機械手掌

此機械手掌如圖2-6，是由日本應慶大學Kieo BioRobotics Lab.[2]

所開發製作，具有五根指頭、二十個自由度和二十個關節的機械手

掌，自由度示意圖如圖2-7，由一顆馬達控制一個關節彎曲，因此最

大的特色就是利用超音波馬達完成所有關節設計。

圖2-6 Five-finger Robot Hand [2]

圖2-7 自由度示意圖 [2]

機構設計是利用第一種驅動方式Built-in actuator的方式，將馬達

嵌入在手掌內部並利用超音波馬達透過滑輪組使手指彎曲轉動，具有

二十顆超音波馬達架置其中，如圖2-8為手指及拇指的機構設計圖。

圖2-8手指及拇指機構設計圖 [2]

超音波馬達(Ultrasonic motor) [13]如下圖2- 9，具有以下之特性：

(1).低速、高轉矩，因此應用在機械手掌上可省略齒輪或其他減速機

構的使用。

(2).無通電時的高保持力，因為定子和轉子強烈的緊貼，儘管在切斷

電源的狀態下，可依然保持馬達軸心固定。

(3).不受磁力影響，不產生電磁波，因為不利用線圈和磁石，所以超

音波馬達不產生電磁波。

(4).體積小，重量輕，與一般直流馬達相比可達到更好的輕量化。

(5).低噪音。

(6).超音波馬達具有非線性的扭力特性，所以控制上較不容易。

圖2- 9超音波馬達構造圖 [13]

2.1.3 NTU-Hand

NTU-Hand[3]是由台灣大學所研發製作，如圖2-10為最初的設

計，具有五根指頭、十七個自由度及十七個關節彎曲的機械手掌，並

且利用Built-in actuator的方式將馬達及減速齒輪嵌入在手指及手掌

內部，手指機構設計及組裝圖如圖2-11和圖2-12。另外，在手指表

面加裝了壓力感測器，可保護馬達過負載的危險。

圖2-10 NTU-Hand [3]

圖2-11 NTU-Hand 手指機構設計 [3]

圖2-12 NTU-Hand 組裝圖 [3]

NTU-Hand 發展至今已有許多不同技術的演變。新一代的機械手

掌為NTU-Hand IV[5]如圖2-13，具有五根指頭、十一個自由度及十

一個關節的機械手掌，主要的目標為減少製造費用而在手指上具有相

同的模組化設計，唯有在指尖的設計上有不同的彎曲角度達到更大的

抓取範圍如圖2-14。內部機構亦是使用Built-in actuator的方式，將

第一和第二指節的彎曲馬達裝置在手指內如圖2-15，拇指則有三個自

度，兩個同方向一個直角相交，如圖2-16為手掌完整組裝圖。

圖2-13 NTU-Hand IV [5]

圖2-14 NTU-Hand IV 指尖設計 [5]

圖2-15 NTU-Hand IV手指機構設計 [5]

圖2-16 NTU-Hand IV 手掌完整組裝圖 [5]

2.1.4 長庚大學機械手掌

本段介紹的機械手掌是由長庚大學所研發製作[6]，也是目前文

獻介紹唯一使用腱、鋼線拉動(Wire driven)的方式驅動手指關節彎

曲，如圖2-17為長庚大學製作的機械手掌。

圖2-17 長庚大學機械手掌 [6]

主要的機構為五根指頭、十二個自由度和十六個關節的設計，其

中拇指與食指皆有四個關節，中指與無名指有三個關節，小指有兩個

關節，並且將拇指、食指、中指和無名指的第三及第二指節採用同一

自由度控制彎曲。自由度示意圖如圖2-18。

圖2-18 自由度示意圖 [6]

關節的彎曲是使用伺服馬達拉動鋼線達到手掌運動的效果，如圖

2-19為使用腱及鋼線的示意圖及圖2-20手掌拉線後的管線圖，原理

相當於腳踏車的煞車方式，並且將12顆馬達架在手掌底下控制如圖

2-21馬達拉線圖，並完成機構設置。

管線

手

掌

手

指

圖2-19 腱及鋼線示意圖 [6]

鋼

索

伺服機

圖2-20 手掌管線路圖 [6]

圖2-21 馬達拉線圖 [6]

2-2 各文獻比較及探討

如表2- 1為上述機械手掌文獻的比較，並對其四種文獻的主要技

術與優缺點進行探討。

表2- 1 各文獻機械手掌比較

機械手掌

Gifu Hand

III

應慶大學

機械手掌

NTU Hand

長庚大學

機械手掌

手指數量

自由度

關節數量

致動器

驅動方式

感測器

總重量(g)

總長度

(mm)

5 5 5 5

16 20 11 12

20 20 17 16

直流馬達

Built-in

actuator

觸覺感測器

1400 g

超音波馬達

Built-in

actuator

無

853 g

直流馬達

Built-in

actuator

伺服馬達

Wire driven

壓力感測器壓力感測器

654 g

－

500 g以下

－

236.3mm 176.5mm

由表2- 1可知，四種機械手掌均以五根指頭的設計達到人形化目

標，在自由度的設定上則由文獻中本身使用的致動器及設計方法不同

而有所不同。Gifu Hand III和NTU Hand具有類似的設計方式，均以

直流馬達嵌入在機構內部透過減速機構對手指及拇指的彎曲進行驅

動，但在自由度上Gifu Hand III保留了人類四指的內縮及外展運動，

NTU Hand則省略了此項運動，且在四個指頭的第三指節彎曲也由末

端的指尖傾角設計代替，雖然設計上可簡化機構設計及減輕重量，但

在機械手掌的活動上卻無法達到類似人類的運動，另外，這兩種機械

手掌的長度也因為直流馬達尺寸的限制，而無法達到類似人類手掌的

尺寸大小；應慶大學機械手掌是使用超音波馬達驅動手指及拇指彎

曲，雖然在尺寸及重量上可以達到較佳的縮減及較多自由度的設計，

但本身使用的致動器元件較不普遍，未來可能的運用上相對減少；文

獻中唯一使用Wire driven方式的是長庚大學製作的機械手掌，此種

機構設計由於致動器與手掌機構分開，因此可減少本身體積過大和重

量過重的問題，更可將手掌結構簡化達到降低成本的目標，但缺點為

應用在機械手臂或其他工作平台時，架在手掌外部的伺服馬達則成為

裝置上的不便性，且使用鋼線驅動手指彎曲容易因長久使用而造成疲

乏，使其在控制及抓握力的表現上不如原本。

由以上四種文獻的比較可知，本論文將使用Built-in actuator的驅

動方式，並使用直流馬達為致動器元件，主要原因為可直接運用在機

械手臂或其他工作平台上，未來的馬達控制也可得到較容易的整合，

但設計上需先考慮使用馬達的扭力輸出及尺寸大小，並適度的將自由

度簡化定義，求得最好的設計目標。

第三章機械手掌開發

本篇論文的目標為設計一機械手掌，並朝向類似人類手掌的尺寸

及外觀設計。將使用Built-in actuator的驅動方式，達到未來可與機械

手臂相互整合的便利性，在機構運動上也將探討人類手掌關節的活動

方式，並定義及簡化系統自由度，以縮小機械手掌長度及減輕重量，

且期望使機械手掌能模擬出人類手掌的運動，諸如比出數字一、二、

三或剪刀、石頭、布等姿勢，也要求可抓取或握住各式不同形狀的物

體，以完成人形化機械手掌的研究。

3.1 人類手掌結構探討

人類的手(Hand)實則為一高自由度及高活動性的人體結構，一般

具有食指(Index Finger)、中指(Middle Finger)、無名指(Ring Finger)、

小指(Little Finger)、拇指(Thumb)共五根指頭及手掌(Palm)，在關節與

自由度的設定上也相當複雜。因此，藉由人體解剖學[7]瞭解人類手

指與手掌的結構分析。

3.2.1手骨及關節構造探討

手的骨骼系統可分為掌骨(Metacarpus)與指骨(Phalanges)，其中五

塊掌骨組成手掌。每一塊掌骨含一近側之基部(base)、骨幹及一遠側

之頭部如圖3-1。五塊掌骨由外而內分別稱為第一至第五掌骨。掌骨

之基部與遠側排之腕骨相關節，而頭部則與近側指骨相關節。

圖3-1 右側手部骨骼 [7]

而每一隻手具有十四塊指骨如圖3-1，每一隻指骨與掌骨一樣，

含一近側之基部、骨幹及一遠側之頭部。拇指只含兩塊指骨，而其餘

四指則各含三隻指骨。每一隻手指之三塊指骨分稱為近側、中間以及

遠側指骨，拇指則只有近側及遠側指骨，而沒有中間指骨。

骨骼與骨骼間相接並可使骨骼產生運動的接和處稱之為關節

(Joint)。手的關節主要有掌指關節和指間關節。其中，掌指關節在掌

骨與指骨之間稱為踝狀關節(condyloid Joint)如圖3-2，可前後及左右

運動，故又稱雙軸關節(biaxial Joint)，達到彎曲、伸直和內收、外展

運動如圖3-3，而拇指的掌指關節也具有左右及前後的運動功能，故

也為雙軸關節如圖3-4，可運動的範圍如圖3-4示意。

圖3-2 踝狀關節圖 [7]

圖3-3 手指內收及外展示意圖 [7]

圖3-4拇指掌指關節 [7]

圖3-5拇指運動示意圖 [7]

指間關節是由屈戌關節所構成，為一凸出骨骼關節面，嵌入另一

凹下之骨骼關節面如圖3-6並與肘關節相類似，這種關節只能在平面

上運動，故稱單軸關節，其運動方式通常為彎曲及伸直。

圖3-6 屈戌關節(肘關節) [7]

參考以上解剖學所探討出的關節活動方式，可知在食指、中指、

無名指及小指的運動上主要具有彎曲和伸直的活動，而掌骨與指骨間

的關節更增加有內收和外展的運動。另外，在拇指掌骨與指骨間的關

節也為雙軸關節。因此，可定義出在本研究論文中所需要的機械手掌

關節活動如圖3-7。

雙軸關節

拇指

食指

中指

無名指

小指

內收及外展

彎曲及伸直

圖3-7 機械手掌關節示意圖

3.2.2 手關節彎曲角度

在手指的彎曲、伸直及外展、內收的活動上可知，每隻手指具有

三個關節、四個活動轉軸，掌指關節是因具有雙軸的活動的效果。而

在遠側指骨(The fourth joint angle)與中間指骨(The third joint angle)的

彎曲上具有線性的連鎖彎曲效果[4]如圖3-8，因此在未來設計手指的

機構自由度上將可加以簡化。拇指的關節活動由雙軸關節及屈戌關節

可瞭解為兩個關節、三個轉軸的活動。手指關節的彎曲角度則可由六

十位男性及六十位女性做手掌量測[8]，以得到統計的數據做參考。

如表3-1。為手指的統計數據表。

圖3-8 第三和第四關節彎曲角度分析[8]

表3-1 手指統計數據表[8]

手指

食指

關節

第三節（MCP）

動作

彎曲

伸直

第二節（PIP）彎曲

伸直

第一節（DIP）彎曲

伸直

中指第三節（MCP）彎曲

伸直

第二節（PIP）彎曲

伸直

第一節（DIP）彎曲

伸直

無名指第三節（MCP）彎曲

伸直

第二節（PIP）彎曲

伸直

第一節（DIP）彎曲

伸直

小指第三節（MCP）彎曲

伸直

第二節（PIP）彎曲

伸直

第一節（DIP）彎曲

伸直

男性

106

110

102

110

107

111

女性

107

100

112

103

108

107

110

3.2 機電系統規劃

機器人系統的開發實則為一高機電整合的技術運用，內含了機

械、電機、電子以及電腦程式撰寫等的相關技術，而機電工程可以說

是利用程式撰寫後的人機介面下達信號及指令再透過回授控制，精準

的控制機構運作達到完整串聯的自動化系統工程。其中，一般機電系

統的整合包括了四個主要元件，控制器(Controller)、感測器(Sensor)、

致動器(Actuator)與機構元件(Mechanism)。

機械手掌的系統規劃，是先由上述章節的人類手掌結構探討，作

為參考依據進行機構設計，並利用直流馬達配合減速齒輪來驅動系統

運動。控制上則使用撰寫好的程式介面下達信號或指令，並透過

RS232傳至馬達控制器，指揮各個馬達準確轉動。如圖3-9為機械手

掌的系統架構圖。

圖3-9 系統架構圖

3.3 人形化手掌機構設計

3.3.1 自由度的定義

在設計及架構一機械系統時，最先需考慮系統的工作目的和活動

範圍，暸解後進而定義出系統的自由度，並朝向所規劃的運動範圍設

計。因此本節將定義出機械手掌的自由度。

在人類手掌的關節活動上由圖3-7可清楚了解，食指、中指、無

名指及小指具有同樣四個轉軸的活動，而拇指則為三個轉軸的活動。

其中在手指的遠側指骨與中間指骨因為彎曲的角度上可呈現線性運

動，因此在自由度的設定將可把兩個轉軸簡化為一個自由度。另外，

在手指的近側指骨具有彎曲、伸直及外展、內收活動的雙軸關節，而

分析人類手指抓取物體或一般活動時，指骨的關節彎曲通常具有連鎖

的彎曲效果，因此可再將手指的遠側指骨、中間指骨與近側指骨的三

個轉軸彎曲定義為一個自由度。四根手指的外展及內收也可共同合併

為一個自由度的設定，如此將可降低機械手掌的自由度及所需馬達數

量，並簡化機構設計達到縮小尺寸、減輕重量級降低成本的優點。拇

指則獨立具有三個轉軸的活動，而也將定義為三個自由度。

如此，將可定義出本論文的機械手掌為五根指頭、十八個關節

(Joint)和八個自由度的設計，此處的關節定義為手掌實際的轉軸數量

而非解剖學上的關節定義，如圖3-10及為本系統的自由度示意圖。

，n為手指及拇指代號而m為該手

圖中的關節位置將由符號J

n,m

表示

指的第幾個關節活動，如此可清楚知道各個關節的自由度如下表3-

2。

1,3

1,2

1.拇指

2.食指

2,4

2,3

2,2

1,1

2,1

3,1

4,1

5,1

圖3-10自由體圖

3,2

4,3

4,2

5,2

5,3

5,4

5.小指

3,3

4,4

3,4

4.無名指

3.中指

表3- 2 自由度與關節定義表

自由度關節數自由度關節數

1 J

1,1

5 J

2,2

2,3

2,4

2 J

1,2

6 J

3,2

3,3

3,4

3 J

1,3

7 J

4,2

4,3

4,4

4 J

2,1

4,1

5,1

8 J

5,2

5,3

5,4

3.3.2 致動器的選擇

在致動器的選用為了達到系統及控制訊號的一致性，而選用直流

馬達作為機械手掌的致動元件。另外，設計的方法上是使用Built-in

actuator的方式，因此為了達到人形化的目標，期望在機構的大小能

迎合人類手掌，馬達尺寸也將成為考慮的重點。

本篇論文所開發的機械手掌是使用FAULHABER公司[14]製造

的微型直流馬達配合各式減速機構裝置在手指、手掌及拇指內部驅動

關節彎曲，在位置控制上則是使用編碼器(Encoder)與馬達作模組化裝

置。如圖3-11與圖3-12 為FAULHABER 公司所製造的微型直流馬

達構造，及模組化的編碼器系統。而工作原理是一典型的閉迴路系

統，如圖3-13為迴路系統的方塊圖。

圖3-11 FAULHABER DC-Micromotors [13]

圖3-12 FAULHABER Encoders [13]

圖3-13 直流馬達系統方塊圖

3.3.3 手指彎曲及伸直機構設計

開始設計機械手掌時可依據人類手掌的各個自由度及活動範圍

將系統模組化，因此在機構上可細分為手指的彎曲、伸直機構，拇指

的扭轉(Twisting)、彎曲機構和手指的外展、內收機構三種。在模組化

的設計過程是使用工程繪圖軟體Pro/Engineer Wildfire 3.0 [9] 繪製各

個零件。並利用Pro/Engineer Wildfire3.0 軟體底下的Mechanism

model [10]進行機構的運動分析。

本節所要說明的便是手指彎曲及伸直機構的設計。在人類手指的

活動上已定義出關節及自由度，其中四指的外展和內收關節也將併為

一個自由度的簡化設計，但在四指的關節上J

n,1

及J

n,2

如

圖3-14，屬於兩轉軸上的交叉(Intersect)關節，而為了在設計上達到

人形化的運動效果，也將保留兩個關節交叉設計，由下章節中手指的

外展及內收機構介紹。

Intersect

2,2

2,1

3,1

4,1

5,1

3,2

4,2

5,2

圖3-14 雙軸交叉示意圖

食指、中指和無名指具有相同的機構設計，如圖3-15為食指的

機構設計圖。食指的機構設計是將馬達嵌入在第一指節處，並利用斜

齒輪九十度轉向輸出。選用馬達型號為1516SR的微型直流馬達，最

大扭力及轉速分別為0.8mNm和12000 rpm，再配合模組化的減速機

與斜齒輪減數比1：2，將可計算出J

2,2

的最大扭力可達0.42Nm。

TOP

第三指節第二指節第一指節

2,1

Front

連桿2 連桿1

2,4

2,3

馬達

2,2

圖3-15 手指機構設計圖

在關節J

2,3

及J

2,4

的彎曲，由自由度簡化探討可知人類在抓、握

物體及手指運動時，關節通常具有連鎖的彎曲效果，因此關節J

2,3

及

2,4

將可由兩組四連桿機構帶動如圖3-16示意，達到三個關節一個自

由度的連鎖彎曲，但由於馬達長度直接影響了四連桿機構的配置及彎

曲範圍，因此使用Pro/Engineer Wildfire3.0 軟體底下的 Mechanism

model 進行模擬分析，並對連桿不斷的設計變更以求得在握拳和抓取

物體時最好的角度關係。其中J

2,2

最大的彎曲角度可達90°，即為手

掌一般握拳時的運動。

主動連桿

(指節零件)

關節點

固定

連桿

從動

連桿

圖3-16連桿機構圖

經由軟體機構分析及設變後，可得到手指三個關節J

2,2

、J

2,3

和J

2,4

彎曲角度的關係，如表3-3則為關節J

2,2

在各個轉動角度下的關係圖。

並可描繪分析出三個關節的角度位置與時間關係，如圖3-17。

表3-3 手指關節彎曲圖表

2,2

為10°

2,2

為0°

2,2

為20°

2,2

為30°

2,2

為45°

2,2

為60°

2,2

為80°

2,2

為90°

圖3-17 食指關節的角度彎曲位置與時間關係圖

如圖3-17為手指關節的角度位置與時間關係圖，設定馬達初始

速度為10 deg/s，經過9秒後第一指節將等速彎曲至90度位置，為圖

上圓形點座標(綠)所構成的線性線條，而第二及第三指節分別由三角

形座標(淺藍)及矩形座標(深藍)構成。由圖可知時間在5秒以後，第

三指節的彎曲角度逐漸變小，幾乎在61度的位置達到指節最大彎曲

角度。而考慮在抓、握物體時，為了防止三個關節完全線性的彎曲角

度，造成第三指節無法以指尖接觸物體而滑落而有此設計。

小指的運動原理與食指相同，將馬達嵌入在第一指節內並使用兩

組四連趕機構帶動連鎖的關節彎曲，不同的是由於人類小指長度及力

量通常小於其他四指，因此可利用扭力更小、長度及外徑更小的直流

馬達來驅動機構，如圖3-18為小指的機構設計圖。

馬達

第三指節第二指節第一指節

5,1

連桿2 連桿1

5,4

5,3

圖3-18小指機構設計圖

5,2

在連鎖彎曲的角度關係上也如同食指的方法分析，結果如圖3-

19。第一指節經過9秒後將等速彎曲至90度位置，為圓形座標(綠)

所構成線性線條，但經過4.3秒後第三指節彎曲曲線(深藍)將呈現反

折的彎曲線條，其原因是由於設計小指機構的空間有限，在為了達到

縮小小指長度的目的上，將連桿2的長度縮小，使第三指節在彎曲過

程中呈現反行程的現象。但經過機構運動的分析，在小指的彎曲活動

上不會出現死點問題。

圖3- 19 小指關節的彎曲角度位置與時間關係圖

3.3.4 手指外展及內縮機構設計

人類手指的外展及內收運動雖然在手的活動範圍較小，但一般在

表達肢體語言及抓取物體的動作上卻有相當的重要性。因此在本篇論

文的機械手掌將保有原本的關節活動。其中連結掌骨與指骨的踝狀關

節也為雙軸關節，因此在設計上需有兩個關節轉軸的交叉，如圖3-20

為雙軸關節的設計，再將設計好的食指機構鎖在連桿上，與連桿的轉

軸位置相交。

食指

2,2

2,1

連桿

圖3-20雙軸關節設計

在食指、無名指及小指的外展與內收機構中，使用七根連桿的相

互帶動如圖3-21，中指則因擺動角度過小而固定在手掌零件上。馬達

配合蝸輪蝸桿驅動無名指連桿，最大的擺動角度為14°，食指與小指

的連鎖擺動最大角度則為13°和21°。另外，使用蝸輪蝸輪除了可提

高減速比外，更可將馬達平躺式的嵌入在手掌內部，減少不必要的凸

出空間，如圖3-22為機構設計圖。

4,1

5,1

3,1

2,1

手指機構

鎖點

Fixed

小指連桿無名指連桿

食指連桿

圖3-21外展及內縮連桿機構

3,1

4,1

5,1

2,1

蝸輪蝸桿

外展及內縮連桿機構

手掌基座

馬達

圖3-22機構設計圖

3.3.5 拇指扭轉及彎曲機構設計

拇指在手的活動中佔了極大的重要性，除了一般的肢體活動外，

在抓取物體時更需要拇指的夾持，因此三個關節的設定皆為獨立的自

由度，且需要的扭力將大於其他手指。彎曲關節的馬達是選用型號

1516SR的直流馬達，配合減速機構及蝸輪蝸桿的輸出可達到約

0.96Nm的扭力。而使用蝸輪蝸桿除了可增加減速比及馬達的較佳擺

放位置外，此機構更具有自鎖功能，當拇指彎曲挾持住物體時，蝸輪

無法逆向旋轉因此提供保持力，可減少馬達使用上的負載。拇指末端

的關節則將馬達嵌入在指節內，利用斜齒輪轉向驅動，如圖3-23為

拇指彎曲的設計。

馬達二

馬達一

斜齒輪組

蝸輪蝸桿

圖3-23拇指彎曲機構設計圖

扭轉關節設計則是沿馬達一的軸心位置下，裝上正齒輪組驅動，

使馬達一及其彎曲機構在軸心上轉動，並避開底下連桿的干涉，如圖

3-24為扭轉關節的機構設計。

手掌

零件

扭轉機

構馬達

馬達一

軸心線

正齒輪組

圖3-24拇指扭轉機構設計圖

3.3.6 零件加工與完成尺寸

由以上章節各種模組化機構設計，將可組成一人形化機械手掌，

如圖3-25。並將各個零件發包加工，組裝完成實體機械手掌如圖3-26。

小指

拇指

中指

無名指食指

圖3-25手掌(右手)機構設計圖

圖3-26 實體機械手掌組裝

完成所有組裝設計，可知道機械手掌的結構尺寸及總重量為

535g，分別如圖3-27及圖3-28。

圖3-27結構尺寸

圖3-28機械手掌重量

3.4 電路設計及控制介面

3.4.1 電路設計

機械手掌的控制方法，主要是利用直流馬達後方模組化的編碼

器，紀錄馬達經由減速機構後所轉動的位置與原先位置的差值，再將

此差值經由馬達驅動器處理比例積分(PI)放大後修正。如圖3-29為本

系統使用馬達驅動器FAUHABER MSDC3003S。

圖3-29 馬達驅動器及接角位置

電路設計是將每一塊馬達驅動器，使用RS232訊號串接，最後

連至電腦控制，電路板則是使用Protel軟體繪製電路圖如圖3-30，並

加工洗出(Layout)規格化電路板與馬達驅動器作連接，圖3-31為馬達

驅動器與電路板相接圖。再將八個模組化電路電源並接與RS232訊

號源串接，如圖3-32完成本系統電路設計。

圖3-30電路繪製

圖3-31電路設計

圖3-32 系統電路設計

3.4.2 控制介面

控制介面主要是由本實驗室用Borland C++ Builder撰寫開發，此

程式除了有具有較快的處理速度，更可將機械手掌的八顆驅動馬達整

合在同一介面下控制使用，如圖3-33為本系統主要控制介面介紹。

角度值

編碼器

數值

馬達編號

圖3-33 機械手掌控制介面

由圖3-33可知機械手掌的馬達由編號8至15的拉把控制角度位

移，其中按鈕”馬達鎖釋放”為將所有系統馬達斷電，為確保系統訊號

錯誤時的安全，按鈕”重新啟動:EN”為將所有馬達重新通電開始運

作。拉把最左邊數值為輸入的角度，中間數值則為換算的編碼器數值，

拉把開始和最末的數值也為各機構的死點角度。

3.4.3 機械手掌動作編排

經由撰寫後的程式可移動拉把位置，控制機械手掌各個馬達的運

轉，而為了達到手掌各種活動姿勢及抓取物體的動作模擬，因此將由

此程式再撰寫動作上的編排。主要是參考人類手掌運動的方式，將各

個馬達控制到所需的角度位置，紀錄下編碼器數值，並對各顆馬達輸

入定位後的編碼器數值，再考慮其馬達運動的先後順序及速度儲存至

文字檔，成為一個連串的動作指令，便可將所需的各個動作完整編

排。如圖3-34為機械手掌的動作編排介面。

輸入各馬達的

編碼器及速度值

動作文字檔

圖3-34 機械手掌動作編排介面

第四章實驗結果與評估

完成所有機構零件組裝及電路設計後如圖4-1，即完成本研究的

系統架構，將可對機械手掌進行實際測試，主要測試有模仿人類手掌

的各種動作及機械手掌實際抓取或握住物體的評估。本系統的測試平

台是使用Intel Pentium 4 3.4GH、1024MB RAM的個人電腦上執

行，利用Borland C++ Builder 程式控制及測試。

圖4-1機械手掌系統架構

4.1 機械手掌動作測試

在人類手掌的活動上，除了能具體表達各種肢體語言外，更可和

人類有情感的交流，因此本研究將以人類手掌運動模式為參考目標，

對機械手掌訓練開發各種手指及拇指的動作，實際測試如表4-1。

表4-1機械手掌動作訓練

動作一：握拳(stone)

動作二：豎起大拇指

動作三：ok動作

動作四：數字一

動作五：數字二(scissor)

動作六：數字三

動作七：數字四

動作八：數字五(paper)

動作九：數字六

動作十：數字七

動作十一：數字八動作十二：數字九

由表4-1可知，機械手掌將可模擬各種人類手指及拇指的活動方

式，並且可擺出人類所能了解的姿勢。其中在動作六為數字三的姿

勢，一般人類在擺出數字三時，拇指將可與小指相接觸，但本機械手

掌由於因機構零件限制，使馬達扭轉的角度碰至死點，而無法真正模

擬出該動作的表現。另外，由於手指自由度簡化的原因將無法達到某

些較為細膩及特定的動作，如第一指節單獨彎曲或第二第三指節單獨

彎曲的活動，如圖4-2及圖4-3，但在一般人類手掌常擺出的運動及

姿勢中，本論文機械手掌均可清楚的表示，且簡化自由度具有可減輕

手掌重量，縮短長度使外形更類似人類手掌的優點。

圖4-2 第一指節單獨彎曲

圖4-3 第二第三指節單獨彎曲

4.2 機械手掌抓取及握住測試

在人類的生活及工作上，手具有拿、放各種物體完成工作的重要

功能，因此本實驗將對機械手掌進行各式物體的抓取及握住測試。如

表4-2為機械手掌的實驗測試。

表4-2機械手掌抓與握實驗測試

抓球抓圓盤

抓筆記本抓盒子

握寶特瓶握杯子

拿電話握鉗子

夾名片(紙張) 遞名片

由表4-2實驗結果可知，機械手掌可達到基本的抓取圓球

(sphere)、圓盤(disk)、矩形盒子(box)、握住寶特瓶和杯子(cylinder)的

功能，另外在一般生活或工作中使用的物體，如電話及鉗子也可以達

到良好的挾持效果。手指與拇指間的挾持也可由表4-2中的夾名片

(paper)知道，可夾取重量輕且薄的紙張。

在機械手掌可抓取的最大荷重中，將使用雪克杯裝載鋼珠進行實

驗測試，由於雪克杯外形屬於圓弧錐狀，向上的外徑具有逐漸變大的

效果如圖4-4。而將手指及拇指彎曲角度固定並挾持未荷重的鋼杯為

161g如圖4-5，當實驗中機械手掌可穩固的挾持鋼杯不至滑動掉落

時，再逐漸加入荷重鋼珠。其中，由於雪克杯特殊的錐狀設計，在荷

重增加時鋼杯會因摩擦力不足而向下滑動，相對杯子的外徑也逐漸變

大亦提供更大的正向力使摩擦力增加，但直至荷重上升為650g 以後

機械手掌將無法再挾持住雪克杯，因而可實驗出本論文機械手掌可挾

持最大荷重約為650g，如圖4-6及圖4-7為機械手掌在挾持650g荷

重時的實驗圖片。

圖4-4 雪克杯

圖4-5 未荷重鋼杯重量

圖4-6 抓取650g 荷重

圖4-7 加入鋼珠總荷重

4.3 本機械手掌與其他設計比較

本論文所設計的機械手掌將和第二章節介紹使用驅動方式為

Built-in actuator的機械手掌文獻相互比較，如表4-3。

表4-3 本論文機械手掌與其他文獻比較表

機械手掌

Gifu Hand

III

應慶大學

機械手掌

NTU Hand

本論之

機械手掌

手指數量

自由度

關節數量

致動器

驅動方式

感測器

總重量(g)

總長度

(mm)

5 5 5 5

16 20 11 8

20 20 17 18

直流馬達

Built-in

actuator

觸覺感測器

1400 g

236.3 mm

超音波馬達

Built-in

actuator

無

853 g

176.5 mm

直流馬達

Built-in

actuator

壓力感測器

654 g

－

直流馬達

Built-in

actuator

無

535g

186.5mm

由表4-3可知，四種機械手掌均設計為五根指頭，關節數量的定

義也由人類手掌的關節活動作為參考，因此具有類似的設定，最大的

不同在於自由度的定義而影響該機械手掌的機構設計。本論文的設計

雖然在自由度上少於其他文獻，但在上述章節的實驗結果可知對於機

械手掌的運動及姿勢的擺動，均可達到人類所能了解的示意，在抓取

及握住物體時也具有良好的挾持效果，唯有在手指較細膩的運動中有

無法展現的缺點。另外，四指的外展及內縮機構也有別於其他三種文

獻設計，保留固有的關節活動，但簡化為一個自由度定義，原因為四

指的外展及內縮活動通常具有連鎖的運動，在單指單獨的活動中則較

少，將可改善一般省略此關節活動，或是保留四指活動而需要過多致

動器的缺點。在簡化自由度的設計中，也可降低馬達使用數量及減輕

重量的優點，並在尺寸空間上有較佳的運用範圍，使機械手掌可達到

更為人形化的尺寸及外觀。然而，應慶大學機械手掌有更佳的尺寸設

計，但使用的致動器為超音波馬達，在未來運用上容易因控制訊號不

同產生整合的困難。

4.4 機械手掌待改善問題

本論文開發之機械手掌，已完成系統架設與實驗測試，但在機構

設計與控制系統上仍有改善空間。

鎖在馬達軸上的傳動塑膠傘齒輪，由於工程塑料在攻牙後內部螺

紋強度不如金屬材質齒輪強固，多次拆裝後容易造成內螺紋滑牙，導

致傘齒輪鎖合後不穩固與咬合齒輪齒隙過大，產生不良的傳動效果，

解決方法將可使用中空金屬軸心與塑膠傘齒輪一同鎖在馬達軸心

上，由金屬軸心攻牙固定，將可達到較好的固定效果如圖4-8。

傘齒輪組

金屬軸心

圖4-8傘齒與金屬軸心固定示意圖

控制系統上則由於使用的編碼器模組為相對式的記錄原則，因此

在系統斷電後原本記憶的位置零點將會消失，而造成在控制上的不穩

定。解決方法將可在各個機械手掌的運動角度上設置機構死點，作為

在控制上的零點使用，如在手指的彎曲及伸直機構上，將伸直運動設

置擋點，使手指機構轉至水平時將因擋點而停止，同時在開始運作時

也可由擋點做為位置零點使用。

第五章結論與未來展望

5.1 結論

本論文在人形化機械手掌的開發，是使用Build-in actuator的驅

動方式，具有五根指頭、十八個關節活動及八個自由度的簡化設計，

目前也已完成硬體架構及軟體控制，在功能由上述章節的實驗結果可

知，手指及拇指的運動均可模仿出類似人類手掌活動的姿勢，且表達

出人類所能了解的示意，諸如數字一、二、三和握拳、豎拇指等。抓

取的功能上在各種不同日常生活及工作中的物體也可以得到良好的

挾持效果，諸如球、杯子、盒子、電話、鉗子和名片等。而經由本論

文的自由度簡化及其他機構設計具有以下優點：

1. 簡化自由度設計可減少致動器的使用，降低成本，減經重量。

2. 保留固有四指的內縮及外展運動，並簡化為一個自由度，可改善

一般省略此關節活動，或是保留四指活動而需要過多致動器的缺

點

3. 使用的致動器元件為直流馬達，在未來的控制訊號上可提供良好

的資訊整合。

4. 使用蝸輪蝸桿減速機構，可使致動器有較佳位置擺放，減少不必

要的凸出空間，使機械手掌外觀形狀更像真人手掌，利於未來人

工皮膚的研製使用。

5. 使用蝸輪蝸桿減速機構在拇指彎曲處，可使此處關節活動具有自

鎖效應，當彎曲挾持住物體時，蝸輪無法逆向旋轉而提供保持力，

可減少馬達使用上的負載。

6. 可抓取物體的最大重量可達650g，相當於一般馬克杯裝滿水的重

量，未來更可增加手指及拇指表面的摩擦力，使可抓取的最大荷

重增加。

7. 與機械手臂整合，成為一人形化機器人系統如圖5- 1。

圖5- 1 整合人形化機器人系統

5.2 未來展望

完成以上機械手掌的系統架構後，將可對於此系統多方運用及發

展其他相關技術，諸如：

1. 裝設壓力感測器，可感測手指、拇指及手掌與物體間的接觸範圍

和力量大小，進而回饋調整馬達扭力輸出，保護馬達使用。

2. 開發人工皮膚與機械手掌結合，使之更像為人類手掌。

3. 結合各種生醫訊號，開發電子義肢機械手掌。

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