SPARK Hand: Scooping-Pinching Adaptive Robotic Hand with Kempe Mechanism for Vertical Passive Grasp in Environmental Constraints

📄 arXiv: 2504.20506v1 📥 PDF

作者: Jiaqi Yin, Tianyi Bi, Wenzeng Zhang

分类: cs.RO

发布日期: 2025-04-29

💡 一句话要点

SPARK Hand：基于Kempe机构的自适应抓取手，实现环境约束下的垂直被动抓取

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人手 自适应抓取 Kempe机构 被动抓取 机器人操作

📋 核心要点

  1. 传统夹爪在处理薄而扁平的物体时存在局限性，难以实现稳定抓取和操作。
  2. SPARK Hand采用Kempe机构和被动切换机制，实现垂直线性指尖轨迹和夹持/勺取模式的自适应切换。
  3. SPARK Hand在抓取不同尺寸和形状的物体时表现出增强的性能和稳定性，尤其擅长处理薄而扁平的物体。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种名为SPARK finger的创新型被动自适应机器人手指，能够执行平行夹持和勺取抓取。SPARK finger采用带有Kempe连杆的多连杆机构，实现了垂直线性指尖轨迹。此外，平行四边形连杆机构确保指尖相对于基座保持固定方向，从而实现精确稳定的操作。通过将这些机构与弹性元件集成，该设计能够与桌面等表面有效交互，从而处理具有挑战性的物体。该手指采用被动切换机制，无需额外的执行器即可在夹持和勺取模式之间无缝切换，自动适应各种物体形状和环境约束。为了展示其多功能性，开发了配备两个SPARK finger的SPARK Hand。该系统增强了对各种尺寸和形状物体的抓取性能和稳定性，特别是传统夹爪难以处理的薄而扁平的物体。实验结果验证了SPARK设计的有效性，突出了其在受限和动态环境中机器人操作的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人夹爪在处理特定形状的物体，尤其是在受限环境中抓取薄而扁平的物体时，存在抓取不稳定、适应性差等问题。传统的夹爪设计通常需要复杂的控制策略和多个执行器来实现不同类型的抓取，增加了系统的复杂性和成本。

核心思路：SPARK Hand的核心思路是通过巧妙的机械设计，实现手指的被动自适应抓取。利用Kempe机构实现指尖的垂直线性运动，保证在抓取过程中物体受力均匀。通过平行四边形连杆机构保持指尖方向的稳定，提高抓取的精度。被动切换机制则允许手指根据物体形状自动选择夹持或勺取模式，无需额外的控制。

技术框架：SPARK Hand主要由两个SPARK finger组成。每个SPARK finger包含一个多连杆机构，其中Kempe连杆负责产生垂直线性运动，平行四边形连杆保持指尖方向稳定，弹性元件用于提供抓取力。被动切换机制则根据物体形状自动选择抓取模式。整体流程为：手指接触物体 -> 被动切换机制选择抓取模式 -> Kempe机构和弹性元件共同作用完成抓取。

关键创新：SPARK Hand的关键创新在于其被动自适应抓取能力。通过Kempe机构和被动切换机制的巧妙结合，实现了手指对不同形状物体的自动适应，无需复杂的控制算法和额外的执行器。这种设计简化了机器人手的结构，降低了成本，提高了可靠性。

关键设计：Kempe连杆的具体参数（连杆长度、连接角度等）需要根据目标物体的尺寸和形状进行优化，以保证指尖的垂直线性运动范围和抓取力。弹性元件的选择需要考虑抓取力的大小和手指的运动范围。被动切换机制的设计需要保证其能够可靠地检测物体形状并选择合适的抓取模式。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，SPARK Hand能够稳定抓取各种尺寸和形状的物体，特别是传统夹爪难以处理的薄而扁平的物体。与传统的平行夹爪相比，SPARK Hand在抓取稳定性方面有显著提升。此外，SPARK Hand的被动自适应抓取能力使其能够自动适应不同的物体形状，无需人工干预。

🎯 应用场景

SPARK Hand具有广泛的应用前景，例如在自动化装配线上抓取和放置电子元件、在医疗领域辅助医生进行手术操作、在家庭服务机器人中处理各种日常物品。其被动自适应抓取能力使其特别适用于处理形状不规则或易碎的物体，以及在狭小空间内进行操作。

📄 摘要（原文）

This paper presents the SPARK finger, an innovative passive adaptive robotic finger capable of executing both parallel pinching and scooping grasps. The SPARK finger incorporates a multi-link mechanism with Kempe linkages to achieve a vertical linear fingertip trajectory. Furthermore, a parallelogram linkage ensures the fingertip maintains a fixed orientation relative to the base, facilitating precise and stable manipulation. By integrating these mechanisms with elastic elements, the design enables effective interaction with surfaces, such as tabletops, to handle challenging objects. The finger employs a passive switching mechanism that facilitates seamless transitions between pinching and scooping modes, adapting automatically to various object shapes and environmental constraints without additional actuators. To demonstrate its versatility, the SPARK Hand, equipped with two SPARK fingers, has been developed. This system exhibits enhanced grasping performance and stability for objects of diverse sizes and shapes, particularly thin and flat objects that are traditionally challenging for conventional grippers. Experimental results validate the effectiveness of the SPARK design, highlighting its potential for robotic manipulation in constrained and dynamic environments.