RAPID Hand Prototype: Design of an Affordable, Fully-Actuated Biomimetic Hand for Dexterous Teleoperation

📄 arXiv: 2510.16931v2 📥 PDF

作者: Zhaoliang Wan, Zida Zhou, Zetong Bi, Zehui Yang, Hao Ding, Hui Cheng

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-19 (更新: 2025-10-21)

备注: Accepted by IROS2025

💡 一句话要点

RAPID Hand：低成本、全驱动仿生手，用于灵巧遥操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 灵巧手 遥操作 机器人 仿生设计 低成本 全驱动 3D打印

📋 核心要点

  1. 现有灵巧手成本高昂，限制了在机器人学习中大规模收集真实数据的能力。
  2. RAPID Hand采用拟人驱动和传输方案，结合优化电机布局和结构设计，实现低成本和高灵巧性。
  3. 实验表明，RAPID Hand在多指取物、舀勺处理和钢琴演奏等任务中表现出良好的遥操作性能。

📝 摘要（中文）

本文针对灵巧遥操作中经济实惠的全驱动五指手稀缺问题，这对于在“从演示中学习”范式中收集大规模真实机器人数据至关重要。我们介绍了RAPID Hand的原型版本，这是首款低成本、20自由度(DoA)的灵巧手，它集成了新颖的拟人驱动和传输方案，并优化了电机布局和结构设计，以增强灵巧性。具体来说，RAPID Hand为非拇指手指设计了通用的指骨传输方案，并为拇指设计了全向驱动机制。为了优先考虑经济性，该手采用了3D打印部件和定制齿轮，以便于更换和维修。我们通过定量指标和灵巧遥操作系统中的定性测试评估了RAPID Hand的性能，该系统在三个具有挑战性的任务中进行了评估：多指取物、舀勺处理和类似人类的钢琴演奏。结果表明，RAPID Hand的全驱动20自由度设计在灵巧遥操作方面具有显著潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有灵巧手普遍存在成本高、维护困难的问题，限制了其在机器人学习和遥操作领域的广泛应用。特别是对于需要大量真实机器人数据的“从演示中学习”范式，缺乏经济实惠且性能可靠的灵巧手成为一个瓶颈。现有方法往往难以在成本、自由度和耐用性之间取得平衡。

核心思路：RAPID Hand的核心思路是设计一款低成本、全驱动的灵巧手，通过优化驱动和传输机制，以及采用易于制造和更换的部件，实现高灵巧性和可维护性。该设计旨在降低硬件成本，同时保证足够的自由度和操作精度，从而促进机器人学习和遥操作技术的发展。

技术框架：RAPID Hand的整体架构包括以下几个主要模块：1)手指驱动模块：采用电机驱动手指的各个关节；2)指骨传输模块：将电机的旋转运动转化为手指关节的弯曲运动；3)拇指驱动模块：设计全向驱动机制，实现拇指的灵活运动；4)结构设计模块：采用3D打印部件和定制齿轮，优化手的整体结构和材料选择。整个流程是从电机驱动到关节运动，最终实现灵巧的操作。

关键创新：RAPID Hand最重要的技术创新点在于其低成本和全驱动的结合。具体体现在：1)通用的指骨传输方案，简化了非拇指手指的驱动设计；2)全向拇指驱动机制，增强了拇指的灵活性；3)采用3D打印部件和定制齿轮，降低了制造成本和维护难度。这些创新使得RAPID Hand在成本和性能之间取得了较好的平衡。

关键设计：RAPID Hand的关键设计包括：1)电机布局的优化，减少了手的体积和重量；2)定制齿轮的设计，提高了传动效率和精度；3)3D打印材料的选择，兼顾了强度和成本；4)指骨传输方案的参数设置，保证了手指的运动范围和灵活性。具体的参数设置和材料选择需要根据实际应用场景进行调整。

📊 实验亮点

RAPID Hand在多指取物、舀勺处理和钢琴演奏等任务中进行了测试，展示了其在灵巧遥操作方面的潜力。虽然论文中没有给出具体的性能数据和对比基线，但定性测试结果表明，RAPID Hand能够完成这些具有挑战性的任务，验证了其全驱动20自由度设计的有效性。未来工作可以进一步量化其性能，并与其他灵巧手进行对比。

🎯 应用场景

RAPID Hand可应用于远程医疗、危险环境下的操作、以及机器人辅助制造等领域。其低成本和高灵巧性的特点，使其能够促进机器人技术在各个行业的应用，并为研究人员提供一个经济实惠的实验平台，加速机器人学习和遥操作技术的发展。未来，该设计可以进一步优化，以适应更广泛的应用场景。

📄 摘要（原文）

This paper addresses the scarcity of affordable, fully-actuated five-fingered hands for dexterous teleoperation, which is crucial for collecting large-scale real-robot data within the "Learning from Demonstrations" paradigm. We introduce the prototype version of the RAPID Hand, the first low-cost, 20-degree-of-actuation (DoA) dexterous hand that integrates a novel anthropomorphic actuation and transmission scheme with an optimized motor layout and structural design to enhance dexterity. Specifically, the RAPID Hand features a universal phalangeal transmission scheme for the non-thumb fingers and an omnidirectional thumb actuation mechanism. Prioritizing affordability, the hand employs 3D-printed parts combined with custom gears for easier replacement and repair. We assess the RAPID Hand's performance through quantitative metrics and qualitative testing in a dexterous teleoperation system, which is evaluated on three challenging tasks: multi-finger retrieval, ladle handling, and human-like piano playing. The results indicate that the RAPID Hand's fully actuated 20-DoF design holds significant promise for dexterous teleoperation.