Krysalis Hand: A Lightweight, High-Payload, 18-DoF Anthropomorphic End-Effector for Robotic Learning and Dexterous Manipulation

📄 arXiv: 2504.12967v1 📥 PDF

作者: Al Arsh Basheer, Justin Chang, Yuyang Chen, David Kim, Iman Soltani

分类: cs.RO

发布日期: 2025-04-17

🔗 代码/项目: GITHUB

💡 一句话要点

Krysalis Hand：轻量级、高负载、18自由度拟人化机械手，用于机器人学习和灵巧操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人手 灵巧操作 高负载能力 轻量化设计 自锁机构

📋 核心要点

  1. 现有机器人手在负载能力、灵巧性和重量之间难以平衡，限制了其在复杂操作任务中的应用。
  2. Krysalis Hand通过集成自锁机制和优化机械结构，实现了轻量化、高负载和高自由度的设计。
  3. 实验表明，Krysalis Hand能够执行精细操作并处理重物，验证了其在工业和研究领域的潜力。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种名为Krysalis Hand的五指机器人末端执行器，它结合了轻量化设计、高负载能力和高自由度（DoF），从而能够在工业和研究环境中实现灵巧的操作。该设计将执行器集成在手内部，同时保持了拟人化的外形。每个手指关节都具有自锁机制，允许手在没有主动电机参与的情况下承受较大的外力。这种方法将有效载荷限制从电机强度转移到手的机械强度，从而可以使用更小、更经济高效的电机。Krysalis Hand具有18个自由度，重量仅为790克，可提供每个手指10 N的主动挤压力，并支持超过10磅的被动有效载荷能力。这些特性使Krysalis Hand成为同类产品中最轻、最强和最灵巧的机器人末端执行器之一。实验评估验证了其执行复杂操作任务和处理重型有效载荷的能力，突显了其在工业应用以及学术研究中的潜力。与Krysalis Hand相关的所有代码，包括控制和遥操作，都可以在项目GitHub存储库中找到：https://github.com/Soltanilara/Krysalis_Hand

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人手通常面临负载能力不足、灵巧性受限或重量过大的问题，难以同时满足工业和研究场景的需求。传统的机器人手设计往往依赖于强大的电机来提供力量，导致重量增加和能耗升高。此外，缺乏有效的自锁机制使得机器人手在承受外部负载时需要持续的电机驱动，进一步限制了其性能和应用范围。

核心思路：Krysalis Hand的核心思路是将负载能力从电机强度转移到机械结构强度。通过引入自锁机制，每个手指关节可以在没有电机参与的情况下保持固定姿态，从而承受较大的外部负载。这种设计允许使用更小、更轻的电机，同时保持较高的负载能力和灵巧性。此外，拟人化的设计使得Krysalis Hand更易于执行人类擅长的操作任务。

技术框架：Krysalis Hand是一个五指机器人末端执行器，具有18个自由度。每个手指包含多个关节，每个关节都配备自锁机制。整体架构包括：1）手指结构设计，采用轻量化材料和优化几何形状；2）自锁机构设计，确保关节在承受外部负载时保持稳定；3）电机选择和集成，选择小型、高效的电机驱动手指运动；4）控制系统设计，实现手指的精确控制和协调运动。

关键创新：Krysalis Hand最重要的技术创新在于其自锁机制。传统的机器人手需要持续的电机驱动来保持姿态，而Krysalis Hand的自锁机制可以在没有电机参与的情况下承受外部负载，从而降低了能耗和电机尺寸。此外，轻量化设计和高自由度的结合也使得Krysalis Hand在灵巧操作方面具有优势。

关键设计：自锁机构的设计是关键。具体实现细节未知，但可以推测其利用某种机械锁定原理，例如蜗轮蜗杆结构或摩擦锁定机制，使得关节在承受外部负载时能够自动锁定。此外，手指的几何形状和材料选择也对负载能力和灵巧性有重要影响。控制系统可能采用PID控制或更高级的控制算法，以实现手指的精确控制和协调运动。具体的参数设置和网络结构未知。

📊 实验亮点

Krysalis Hand重量仅为790克，具有18个自由度，每个手指可提供10N的主动挤压力，并能承受超过10磅的被动负载。实验验证了其执行复杂操作任务的能力，例如抓取不同形状和大小的物体，以及进行精细的装配操作。与现有机器人手相比，Krysalis Hand在重量、负载能力和灵巧性方面都具有显著优势。

🎯 应用场景

Krysalis Hand具有广泛的应用前景，包括工业自动化、医疗机器人、服务机器人和学术研究。在工业自动化领域，它可以用于执行装配、搬运和质量检测等任务。在医疗机器人领域，它可以用于辅助手术和康复治疗。在服务机器人领域，它可以用于提供家庭服务和辅助老年人。在学术研究领域，它可以作为一个通用的机器人手平台，用于研究灵巧操作、机器人学习和人机交互。

📄 摘要（原文）

This paper presents the Krysalis Hand, a five-finger robotic end-effector that combines a lightweight design, high payload capacity, and a high number of degrees of freedom (DoF) to enable dexterous manipulation in both industrial and research settings. This design integrates the actuators within the hand while maintaining an anthropomorphic form. Each finger joint features a self-locking mechanism that allows the hand to sustain large external forces without active motor engagement. This approach shifts the payload limitation from the motor strength to the mechanical strength of the hand, allowing the use of smaller, more cost-effective motors. With 18 DoF and weighing only 790 grams, the Krysalis Hand delivers an active squeezing force of 10 N per finger and supports a passive payload capacity exceeding 10 lbs. These characteristics make Krysalis Hand one of the lightest, strongest, and most dexterous robotic end-effectors of its kind. Experimental evaluations validate its ability to perform intricate manipulation tasks and handle heavy payloads, underscoring its potential for industrial applications as well as academic research. All code related to the Krysalis Hand, including control and teleoperation, is available on the project GitHub repository: https://github.com/Soltanilara/Krysalis_Hand