Beyond Anthropomorphism: Enhancing Grasping and Eliminating a Degree of Freedom by Fusing the Abduction of Digits Four and Five

📄 arXiv: 2509.13074v2 📥 PDF

作者: Simon Fritsch, Liam Achenbach, Riccardo Bianco, Nicola Irmiger, Gawain Marti, Samuel Visca, Chenyu Yang, Davide Liconti, Barnabas Gavin Cangan, Robert Jomar Malate, Ronan J. Hinchet, Robert K. Katzschmann

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-16 (更新: 2025-10-03)

备注: The first five listed authors have equal contribution. This work has been accepted to the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2025

💡 一句话要点

SABD手：融合四指和五指外展自由度，提升抓取能力并简化机械结构

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture)

关键词: 机器人手 灵巧抓取 自由度 强化学习 非拟人化设计

📋 核心要点

  1. 传统机器人手在抓取大尺寸或特殊形状物体时存在局限性，且自由度过多导致控制复杂。
  2. SABD手通过融合第四指和第五指的外展自由度，简化了机械结构，同时扩大了抓取范围。
  3. 实验表明，SABD手在抓取大物体、提升抓取稳定性和完成复杂操作方面表现出色。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种名为SABD手的16自由度机器人手，它突破了纯粹拟人化的设计，实现了更大的抓取范围，能够实现超越人类能力的操纵姿势，并减少了所需的执行器数量。这是通过将第四指和第五指的内收/外展（Add/Abd）关节组合成一个具有大运动范围的单一关节来实现的。组合关节将手指的工作空间增加了400%，并减少了所需的自由度，同时保持了灵活性。实验结果表明，组合的Add/Abd关节使手能够抓取侧面距离高达200毫米的物体。基于强化学习的研究表明，该设计能够实现有效的抓取策略，不仅可以处理更大的物体，还可以提高抓取的稳定性。在远程操作试验中，该手成功地完成了86%的YCB对象抓取尝试，包括具有挑战性的非拟人化配置。这些发现验证了该设计在不增加复杂性的情况下，增强抓取稳定性、灵活性和灵巧操作的能力，使其非常适合广泛的应用。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人手设计通常模仿人类手部结构，但这种拟人化设计在某些应用场景下存在局限性。例如，难以抓取尺寸较大的物体，或者无法实现某些非人类手部可以实现的抓取姿势。此外，过多的自由度增加了控制的复杂性，提高了成本。

核心思路：SABD手的核心思路是打破传统拟人化设计的束缚，通过融合第四指和第五指的外展自由度，将两个独立的关节合并为一个，从而在减少自由度的同时，扩大手指的工作空间，提高抓取能力。

技术框架：SABD手是一个16自由度的机器人手，其主要特点在于第四指和第五指的内收/外展关节被组合成一个单一的关节。该关节具有较大的运动范围，允许手指进行更广泛的运动。手的整体控制框架包括底层关节控制和高层抓取策略规划。抓取策略规划可以使用强化学习等方法进行训练。

关键创新：SABD手最重要的技术创新点在于融合了第四指和第五指的外展自由度。这种设计与传统的拟人化手部设计不同，它牺牲了一定的拟人化程度，但换来了更大的抓取范围和更简单的控制。

关键设计：SABD手的关键设计包括：1）组合的第四指和第五指外展关节的运动范围；2）手指的形状和尺寸，需要优化以适应不同的抓取任务；3）控制算法，需要能够充分利用组合关节的优势，实现稳定的抓取。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，SABD手能够抓取侧面距离高达200毫米的物体，相比传统手部设计，其抓取范围扩大了400%。强化学习训练的抓取策略不仅适用于抓取更大的物体，还能提高抓取的稳定性。在远程操作试验中，SABD手成功完成了86%的YCB对象抓取尝试，包括具有挑战性的非拟人化配置。

🎯 应用场景

SABD手具有广泛的应用前景，包括工业自动化、医疗康复、太空探索等领域。在工业自动化中，它可以用于抓取和操作各种形状和尺寸的物体。在医疗康复中，它可以作为假肢或康复设备，帮助患者恢复手部功能。在太空探索中，它可以用于执行复杂的任务，例如维修卫星或采集样本。

📄 摘要（原文）

This paper presents the SABD hand, a 16-degree-of-freedom (DoF) robotic hand that departs from purely anthropomorphic designs to achieve an expanded grasp envelope, enable manipulation poses beyond human capability, and reduce the required number of actuators. This is achieved by combining the adduction/abduction (Add/Abd) joint of digits four and five into a single joint with a large range of motion. The combined joint increases the workspace of the digits by 400% and reduces the required DoFs while retaining dexterity. Experimental results demonstrate that the combined Add/Abd joint enables the hand to grasp objects with a side distance of up to 200 mm. Reinforcement learning-based investigations show that the design enables grasping policies that are effective not only for handling larger objects but also for achieving enhanced grasp stability. In teleoperated trials, the hand successfully performed 86% of attempted grasps on suitable YCB objects, including challenging non-anthropomorphic configurations. These findings validate the design's ability to enhance grasp stability, flexibility, and dexterous manipulation without added complexity, making it well-suited for a wide range of applications. A supplementary video is available at https://youtu.be/P3jRts46o4s .