Compliant Beaded-String Jamming For Variable Stiffness Anthropomorphic Fingers
作者: Maximilian Westermann, Marco Pontin, Leone Costi, Alessandro Albini, Perla Maiolino
分类: cs.RO
发布日期: 2025-02-06
备注: 6 pages, 9 figures, accepted by the 8th IEEE-RAS International Conference on Soft Robotics, RoboSoft 2025
💡 一句话要点
提出基于顺应性串珠阻塞的可变刚度拟人手指关节设计
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人手 可变刚度 顺应性控制 串珠阻塞 拟人手指
📋 核心要点
- 现有机器人手在不确定环境中操作时，难以兼顾灵巧性和鲁棒性，依赖高精度传感和复杂控制。
- 本研究提出一种基于顺应性串珠阻塞的可变刚度关节，在保证运动范围的同时，实现被动残余顺应性和可调节刚度。
- 实验表明，集成该关节设计的机器人手在插孔任务中，成功率比刚性手提高了60%，验证了被动顺应性的重要性。
📝 摘要（中文）
在机器人抓取器中实现类似人类的灵巧性仍然是一个开放的挑战，尤其是在不确定环境中确保稳健的操作。软体机器人手试图通过利用被动顺应性来解决这个问题，这是人手适应性的关键特征，以实现更稳健的操作，同时减少对高分辨率传感和复杂控制的依赖。通过集成可变刚度机制可以进一步提高操作任务的精度和姿势稳定性，但这些机制往往缺乏残余顺应性，体积庞大且响应时间慢。为了解决这些局限性，本研究提出了一种用于拟人手指的顺应性关节阻塞机制，该机制具有被动残余顺应性和可调节刚度，同时实现了与人类指间关节一致的运动范围。该机制提供的刚度范围可控，从0.48 Nm/rad到1.95 Nm/rad（增加了4倍）。还表征了重复性、滞后和刚度与阻塞力的关系。为了证明所提出的系统提供的被动残余顺应性的重要性，进行了一项插孔任务，结果表明，与刚性夹爪相比，集成我们关节设计的夹爪的成功率提高了60%。
🔬 方法详解
问题定义：现有机器人手在复杂环境中进行操作时，往往需要在高精度传感和复杂控制算法的支撑下才能完成任务。而人类的手具有天然的被动顺应性，能够适应环境变化，从而实现更鲁棒的操作。现有的可变刚度机构虽然可以提高操作精度和姿态稳定性，但通常体积较大，响应速度慢，并且缺乏残余顺应性，难以适应复杂环境。
核心思路：本研究的核心思路是利用串珠阻塞（Beaded-String Jamming）技术，设计一种具有可变刚度的关节，同时保留一定的被动顺应性。通过调节串珠的阻塞程度，可以控制关节的刚度，使其能够适应不同的操作需求。而串珠之间的间隙和材料的弹性，则保证了关节具有一定的残余顺应性，使其能够更好地适应环境变化。
技术框架：该研究提出的可变刚度关节主要由以下几个部分组成：一个包含串珠的腔体，一个用于施加阻塞力的机构，以及一个用于连接手指各个部分的连接件。通过控制施加在串珠上的阻塞力，可以调节关节的刚度。该关节被集成到一个人形手指中，并用于机器人手的抓取任务。
关键创新：该研究的关键创新在于将串珠阻塞技术应用于机器人手的关节设计中，实现了可变刚度和被动顺应性的结合。与传统的刚性关节相比，该关节具有更好的适应性和鲁棒性。与现有的可变刚度机构相比，该关节体积更小，响应速度更快，并且具有残余顺应性。
关键设计：该研究中，串珠的材料、尺寸和数量，以及腔体的形状和尺寸，都会影响关节的性能。阻塞力的施加方式和控制策略也是关键的设计参数。研究中对这些参数进行了优化，以实现最佳的性能。此外，还对关节的重复性、滞后和刚度等特性进行了表征，并分析了这些特性与阻塞力的关系。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该研究提出的可变刚度关节具有良好的性能。刚度范围可控，从0.48 Nm/rad到1.95 Nm/rad，实现了4倍的刚度调节范围。在插孔任务中，集成该关节设计的机器人手，其成功率比刚性手提高了60%，验证了被动顺应性的重要性。此外，研究还对关节的重复性、滞后和刚度等特性进行了详细的表征。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要灵巧操作的机器人系统中，例如医疗机器人、服务机器人和工业机器人。具有可变刚度和被动顺应性的机器人手能够更好地适应复杂环境，提高操作的鲁棒性和安全性。未来，该技术有望应用于假肢设计，帮助残疾人恢复手部功能。
📄 摘要（原文）
Achieving human-like dexterity in robotic grippers remains an open challenge, particularly in ensuring robust manipulation in uncertain environments. Soft robotic hands try to address this by leveraging passive compliance, a characteristic that is crucial to the adaptability of the human hand, to achieve more robust manipulation while reducing reliance on high-resolution sensing and complex control. Further improvements in terms of precision and postural stability in manipulation tasks are achieved through the integration of variable stiffness mechanisms, but these tend to lack residual compliance, be bulky and have slow response times. To address these limitations, this work introduces a Compliant Joint Jamming mechanism for anthropomorphic fingers that exhibits passive residual compliance and adjustable stiffness, while achieving a range of motion in line with that of human interphalangeal joints. The stiffness range provided by the mechanism is controllable from 0.48 Nm/rad to 1.95 Nm/rad (a 4x increase). Repeatability, hysteresis and stiffness were also characterized as a function of the jamming force. To demonstrate the importance of the passive residual compliance afforded by the proposed system, a peg-in-hole task was conducted, which showed a 60% higher success rate for a gripper integrating our joint design when compared to a rigid one.