欠驅動Or全驅動？——關於機械手驅動方式的介紹與更優選擇（以德國Schunk Hand為例）
這篇文章主要將介紹機械手兩種不同驅動方式——即欠驅動和全驅動的定義、應用背景、優劣效能等特性，並將以雄克靈巧手為例，討論現階段機械手驅動方式的更優選擇方案。
定義：
首先先來明確欠驅動和全驅動的定義（在機械設計領域）：
欠驅動
系統執行器的數目小於其自由度數目；
全驅動
系統執行器的數目等於其自由度數目；
實際上欠驅動和全驅動兩者的定義和區別很簡單，舉個簡單而經典的例子：倒立擺（Inverted Pendulum）就是一個欠驅動的系統，即系統有二個自由度：一個是支撐水平面的運動，另一個是單擺的角度。透過倒單擺的小車只能直接控制水平面的運動，無法直接控制單擺的角度。雖然其本質上是極端不穩定的系統，不過通過相應的控制，仍然能夠做到平衡可控。
再補充一下如下英文所寫定義：
執行器主動控制自由度：DoA (Degree of Actuator)
自由度：DoF (Degree of Freedom)
應用背景：
其實原因很簡單：因為機械手本身高自由度數目的特性，出於提高系統設計的整合性、緊湊性和降低成本、更出於簡化後續運動控制的考慮，我們會減少所使用電機的數目（即執行器的數目），進而形成了執行器的數目小於其自由度數目的欠驅動方案。
關於高自由度數目特性，我們可以通過如下圖做個簡單的比較：
優劣效能比較：
一定程度而言，全驅動機械手和欠驅動機械手的優劣效能正好互為補集：
全驅動：
優點
全驅動的優點主要體現在其功能性上。簡而言之，具備每個都能主動控制的手指關節的全驅動機械手可以幾乎模仿人類所有的手型及精巧動作。
缺點
1. 從機電系統硬體層面上來說，系統的整體整合性太差：在現有電機和機械傳動方案下，全驅動機械手往往是個“龐然大物”；
2. 上層的運動控制系統繁瑣及冗雜：所需控制關節與執行器眾多的緣故，與欠驅動方案相比缺乏抓取物體的“形狀自適應性”；
3. 缺乏抗外界衝擊的柔性：這一點在機械手實際運用當中相當重要，尤其是針對【手指關節電機方案】的全驅動機械手，外界一次較大的衝擊往往意味著損壞一個關節電機；
4. 設計複雜以及成本過高：20多個電機及機械傳動的設計與成本再怎麼精打細算和優化，也沒辦法和3-4個DoA的欠驅動機械手相提並論。
欠驅動：
優點
1. 機電系統硬體上系統的整合度高：整體系統簡潔高效，體積小，質量輕，目前適用於機器人末端執行器和殘疾人假肢的應用；
2. 上層的運動控制系統簡潔高效：以PISA/IIT Softhand為例，在實際抓取時僅需控制一個電機的位置運動軌跡，加上電流力反饋閉環，就能實現對絕大多數物體的抓握。欠驅動的機械特效能夠使得手指自動適應物體的形狀，具備很好的”形狀自適應性“；
3. 具備良好的抗外界衝擊柔性：欠驅動的特性決定了絕大多數手指關節都具有自由運動的柔性，可參見如下PISA/IIT Softhand抗外界衝擊的柔性測試；
4. 設計簡潔以及成本低廉：與全驅動方案相比，原因無需贅述。
PISA/IIT Hand 抗外界衝擊的柔性和魯棒性測試
缺點：
批判性地來說，欠驅動機械手的缺點在於功能性不足，尤其是對於精度要求比較高的手指精巧控制無法勝任，且單根手指的三個關節無法做到彼此獨立運動，在某些特定要求下的抓取場合中捉襟見肘。
最優選擇方案
首先在這裡丟擲我的觀點：
能夠精確模擬人手所有運動的全驅動方案機械手是未來的終極發展目標，但在現階段的技術條件下（即未曾出現革命性的驅動器和傳動方案），欠驅動機械手是更好的選擇。而同時，欠驅動方案也需要經過一定的優化，提升功能性。
我在上一篇文章中做過如下的統計，產業界和學術界常見的30種機械手中，有26種採用的是欠驅動方案，僅有4種採用全驅動方案，如下圖：
圖中藍底圓圈代表欠驅動方案，紅底圓圈代表全驅動。
也許細心的你已經發現了，在上圖中我把Schunk和DLR-HIT Hand放在了藍色底圈和紅色底圈的交匯處，因為基於我個人的理解：這兩款機械手是一種”全驅動和欠驅動理念相結合“的優化欠驅動機械手——也是我認為現階段更優的選擇。
我們以Schunk Hand為例，看了如下這種圖，你立馬就能明白為什麼是所謂的”優化後的全驅動和欠驅動相結合“，
上圖描述了Schunk Hand能夠主動控制運動的9個運動關節（即DoA），我們對比發現：
1. 無名指（Ring Finger）僅僅在手指閉合方向有1個DoA，即為傳統的欠驅動方案；
2. 而對於食指（Index）和中指（Middle Finger）在手指閉合方向上都相應地分配了2個DoA，往全驅動方案上靠攏；
3. 小拇指在手指閉合方向上有1個DoA，而又分配了1個DoA給手指的側向張合（Finger Spread）往全驅動方案上靠攏。
簡而言之，更優的全驅動和欠驅動方案的選擇和分配，應該取決於設計者對每根手指所期望的功能性。在高功能性期望的手指上（如食指）分配更多的DoA(全驅動的方案)，提高功能性，而在低功能性期望的手指上（如無名指）分配更少的DoA(欠驅動方案)，保證系統的簡潔性。
具體的機械手DoA的分配舉例說明和分析，我會之後再寫一篇文章，詳細介紹。
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