DELTAHANDS: A Synergistic Dexterous Hand Framework Based on Delta Robots

📄 arXiv: 2310.05266v2 📥 PDF

作者: Zilin Si, Kevin Zhang, Oliver Kroemer, F. Zeynep Temel

分类: cs.RO

发布日期: 2023-10-08 (更新: 2023-12-24)

💡 一句话要点

提出DELTAHANDS框架以解决灵巧手在复杂环境中的操控问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 灵巧手 Delta机器人 机器人操作 非结构化环境 驱动协同 低成本制造 多功能性

📋 核心要点

  1. 现有的类人机器人手因设计复杂和控制困难，难以在非结构化环境中有效操作。
  2. DELTAHANDS框架结合Delta机器人，提供了一种柔性、易于制造和控制的灵巧手解决方案。
  3. 通过抓取多种物体和完成特定操作任务，验证了DELTAHANDS的多功能性和灵巧性。

📝 摘要（中文）

灵巧的机器人操作在非结构化环境中能够帮助完成日常任务，如清洁和照护。尽管类人机器人手具有高度的灵巧性，适合人类领域的工作，但其复杂的设计和动力学使得控制变得困难。相比之下，平行夹持器易于控制，但缺乏多样的抓取和手内操作能力。本文提出了DELTAHANDS，一个基于Delta机器人的协同灵巧手框架，具有柔性、易于重新配置和低成本的特点。DELTAHANDS的灵巧性可以通过利用驱动协同进行调整，从而降低控制复杂性、整体成本和能耗。我们对Delta机器人的运动学精度、力特性和工作空间进行了表征，并通过抓取多种物体和远程操作完成三项灵巧操作任务进行评估。该框架已开源，网址为https://sites.google.com/view/deltahands/。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决灵巧机器人手在复杂环境中的操控难题，现有的类人手设计复杂且难以控制，平行夹持器则缺乏灵巧性。

核心思路：DELTAHANDS框架通过结合Delta机器人，提供了一种高自由度、易于控制的灵巧手设计，能够根据不同应用调整灵巧性，降低控制复杂性。

技术框架：DELTAHANDS的整体架构包括多个模块：首先是Delta机器人的运动学建模，其次是驱动协同的设计，最后是灵巧手的控制系统。

关键创新：DELTAHANDS的主要创新在于其灵巧性可以通过驱动协同进行动态调整，这在现有灵巧手设计中并不常见，显著提升了操作的灵活性和效率。

关键设计：在设计中，采用了低成本的现成材料，确保了制造的简便性和经济性，同时在控制算法中引入了简化的运动学模型，以提高控制精度和响应速度。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

在实验中，DELTAHANDS成功抓取了多种不同物体，并通过远程操作完成了三项灵巧操作任务，包括衣物折叠、瓶盖打开和电缆整理，展示了其优越的灵巧性和多功能性。

🎯 应用场景

DELTAHANDS框架具有广泛的潜在应用，特别是在家庭服务、医疗照护和工业自动化等领域。其灵巧性和易于控制的特性使其能够适应多种复杂任务，未来可能推动机器人在日常生活中的普及与应用。

📄 摘要（原文）

Dexterous robotic manipulation in unstructured environments can aid in everyday tasks such as cleaning and caretaking. Anthropomorphic robotic hands are highly dexterous and theoretically well-suited for working in human domains, but their complex designs and dynamics often make them difficult to control. By contrast, parallel-jaw grippers are easy to control and are used extensively in industrial applications, but they lack the dexterity for various kinds of grasps and in-hand manipulations. In this work, we present DELTAHANDS, a synergistic dexterous hand framework with Delta robots. The DELTAHANDS are soft, easy to reconfigure, simple to manufacture with low-cost off-the-shelf materials, and possess high degrees of freedom that can be easily controlled. DELTAHANDS' dexterity can be adjusted for different applications by leveraging actuation synergies, which can further reduce the control complexity, overall cost, and energy consumption. We characterize the Delta robots' kinematics accuracy, force profiles, and workspace range to assist with hand design. Finally, we evaluate the versatility of DELTAHANDS by grasping a diverse set of objects and by using teleoperation to complete three dexterous manipulation tasks: cloth folding, cap opening, and cable arrangement. We open-source our hand framework at https://sites.google.com/view/deltahands/.