PLEXUS Hand: Lightweight Four-Motor Prosthetic Hand Enabling Precision-Lateral Dexterous Manipulation
作者: Yuki Kuroda, Tomoya Takahashi, Cristian C Beltran-Hernandez, Masashi Hamaya, Kazutoshi Tanaka
分类: cs.RO
发布日期: 2025-10-10
期刊: 2025 International Conference On Rehabilitation Robotics (ICORR), Chicago, IL, USA, 2025, pp. 22-29
DOI: 10.1109/ICORR66766.2025.11063043
💡 一句话要点
PLEXUS Hand：轻量化四电机假肢手，实现精确横向灵巧操作
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 电动假肢手 灵巧操作 手内操作 轻量化设计 单轴拇指
📋 核心要点
- 现有电动假肢手笨重、电机易损，且缺乏灵巧的手内操作能力，限制了日常使用。
- 该论文提出一种轻量化四电机假肢手，通过单轴拇指和优化拇指位置实现精确和横向抓握间的重定向。
- 实验表明，该假肢手在物体重定向、盖章、USB插入和螺丝刀操作等任务中表现出色。
📝 摘要（中文）
电动假肢手需要轻量化以减轻用户负担，外形需接近人手以满足美观需求，电机内置以避免损坏和污染。除了完成日常活动的能力外，这些特性对于假肢手的日常使用至关重要。手内操作对于执行日常活动是必要的，例如在不同姿势之间转换，特别是通过旋转运动，例如在插入卡片之前重新调整卡片方向以及操作螺丝刀等工具。然而，目前使用的电动假肢手仅能实现静态抓握姿势，而现有的操作方法要么需要大量电机，这使得假肢手对于日常使用来说过于笨重，要么需要复杂的机构，这需要很大的内部空间并迫使外部电机放置，从而使附件复杂化并将组件暴露于损坏。作为替代方案，我们结合了单轴拇指和优化的拇指位置，仅使用四个电机在一个轻量级（311克）的假肢手中实现了基本姿势和手内操作，即精确抓握和横向抓握之间的重新定向。使用各种宽度（5-30毫米）和形状（圆柱体和棱柱体）的原始对象进行的实验验证表明，重新定向任务的成功率达到90-100％。该假肢手可以执行盖章和USB设备插入，以及旋转以操作螺丝刀。
🔬 方法详解
问题定义：现有电动假肢手存在重量大、电机易受损、缺乏灵巧手内操作能力等问题。传统假肢手要么需要大量电机增加重量，要么采用复杂机械结构占用空间，导致电机外置，易受损且安装复杂。因此，需要设计一种轻量化、电机内置且具备一定手内操作能力的假肢手。
核心思路：该论文的核心思路是通过优化拇指的设计和位置，结合少量电机（四个），实现基本的抓握姿势和手内操作能力，特别是精确抓握和横向抓握之间的重定向。通过单轴拇指的旋转和优化的拇指位置，可以在有限的自由度下实现多种抓握姿势的转换。
技术框架：该假肢手的整体架构包括四个电机，分别控制拇指的旋转、手指的弯曲等动作。拇指采用单轴设计，通过一个电机控制旋转，实现不同抓握姿势的切换。其余手指通过其他电机控制弯曲，实现对物体的抓取。整体设计目标是轻量化和小型化，以便于日常使用。
关键创新：该论文的关键创新在于通过单轴拇指和优化的拇指位置，在仅使用四个电机的情况下，实现了基本的抓握姿势和手内操作能力。这种设计方案在保证功能性的同时，显著降低了假肢手的重量和复杂度。
关键设计：拇指的单轴旋转设计是关键。拇指的位置和旋转范围经过优化，以实现精确抓握和横向抓握之间的平滑过渡。电机的选择和布局也经过精心设计，以最大限度地减少重量和体积。具体的参数设置和控制算法细节未知。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该假肢手在处理各种宽度（5-30毫米）和形状（圆柱体和棱柱体）的物体时，重定向任务的成功率达到90-100%。此外，该假肢手还成功完成了盖章、USB设备插入和螺丝刀操作等任务，验证了其在实际应用中的可行性。该假肢手的重量仅为311克，体现了其轻量化的优势。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于开发更轻便、更灵巧的电动假肢手，提高残疾人士的生活质量。潜在应用领域包括日常生活辅助、康复训练、工业操作等。未来，该技术可进一步发展，结合人工智能和传感器技术，实现更智能、更自主的假肢控制。
📄 摘要（原文）
Electric prosthetic hands should be lightweight to decrease the burden on the user, shaped like human hands for cosmetic purposes, and have motors inside to protect them from damage and dirt. In addition to the ability to perform daily activities, these features are essential for everyday use of the hand. In-hand manipulation is necessary to perform daily activities such as transitioning between different postures, particularly through rotational movements, such as reorienting cards before slot insertion and operating tools such as screwdrivers. However, currently used electric prosthetic hands only achieve static grasp postures, and existing manipulation approaches require either many motors, which makes the prosthesis heavy for daily use in the hand, or complex mechanisms that demand a large internal space and force external motor placement, complicating attachment and exposing the components to damage. Alternatively, we combine a single-axis thumb and optimized thumb positioning to achieve basic posture and in-hand manipulation, that is, the reorientation between precision and lateral grasps, using only four motors in a lightweight (311 g) prosthetic hand. Experimental validation using primitive objects of various widths (5-30 mm) and shapes (cylinders and prisms) resulted in success rates of 90-100% for reorientation tasks. The hand performed seal stamping and USB device insertion, as well as rotation to operate a screwdriver.