Hoecken-D Hand: A Novel Robotic Hand for Linear Parallel Pinching and Self-Adaptive Grasping
作者: Wentao Guo, Wenzeng Zhang
分类: cs.RO
发布日期: 2025-10-15 (更新: 2025-10-16)
备注: Accepted by IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO) 2025, Chengdu, China. This version includes updated contact information
💡 一句话要点
提出Hoecken-D手爪，实现线性平行夹持和自适应抓取的机器人手
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机器人手爪 欠驱动 自适应抓取 Hoecken连杆机构 差动机构
📋 核心要点
- 现有机器人手在处理形状不规则或薄型物体时，抓取稳定性和适应性不足，需要额外的复杂控制或传感器。
- Hoecken-D手爪通过改进Hoecken连杆机构并结合差动弹簧机制，实现了线性平行夹持到自适应包络抓取的平滑过渡。
- 原型测试表明，该手爪在多种物体几何形状下均能实现可靠抓取，验证了其在非结构化环境中的适应性和实用性。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种名为Hoecken-D手爪的欠驱动机器人夹持器，它结合了改进的Hoecken连杆机构和差动弹簧机制，实现了线性平行夹持以及到自适应包络抓取的中间行程过渡。通过用差动连杆替换原始Hoecken连杆机构中的一个构件，在保持直线引导的同时，无需额外的执行器即可实现接触触发的重构。双平行四边形结构在传统夹持过程中保持指尖的平行性，而差动机制允许一个手指在遇到障碍物时向内包裹，从而提高在不规则或薄物体上的稳定性。该机构可以由单个线性执行器驱动，从而最大限度地降低复杂性和成本；在我们的原型中，每个手指都由其自身的线性执行器驱动，以简化设计。我们进行了运动学建模和力分析，以表征抓取性能，包括模拟抓取力和不同几何参数下的弹簧打开行为。该设计使用基于PLA的3D打印进行了原型设计，实现了约200毫米的线性夹持跨度。初步测试表明，在各种物体几何形状下，两种模式都能实现可靠的抓取，突出了Hoecken-D手爪作为一种紧凑、适应性强且经济高效的解决方案，适用于非结构化环境中的操作。
🔬 方法详解
问题定义：现有机器人手在处理不同形状和尺寸的物体时，往往需要在平行夹持和包络抓取之间进行切换，这通常需要复杂的控制策略或多个执行器。特别是在非结构化环境中，物体形状的不确定性对抓取的稳定性和可靠性提出了挑战。传统的平行夹持可能无法稳定抓取不规则或薄型物体，而包络抓取则可能需要更复杂的机构和控制。
核心思路：Hoecken-D手爪的核心思路是利用改进的Hoecken连杆机构和差动弹簧机制，实现从线性平行夹持到自适应包络抓取的平滑过渡，而无需额外的执行器或复杂的控制。通过差动连杆的设计，使得手爪能够根据接触情况自动调整抓取方式，提高对不同形状物体的适应性。
技术框架：Hoecken-D手爪的整体架构包括：1）改进的Hoecken连杆机构，用于实现指尖的直线运动；2）差动连杆，用于实现接触触发的重构，使得手爪能够自适应地包裹物体；3）双平行四边形结构，用于在平行夹持过程中保持指尖的平行性；4）线性执行器，用于驱动整个机构。整个流程是，线性执行器驱动连杆机构，实现指尖的平行运动，当指尖接触到物体时，差动连杆根据接触情况自动调整，实现包络抓取。
关键创新：Hoecken-D手爪最重要的技术创新点在于将改进的Hoecken连杆机构与差动弹簧机制相结合，实现了线性平行夹持和自适应包络抓取的无缝切换。与现有方法相比，Hoecken-D手爪无需额外的执行器或复杂的控制策略，即可实现对不同形状物体的自适应抓取，从而降低了成本和复杂性。
关键设计：关键设计包括：1）Hoecken连杆机构的几何参数，需要仔细设计以保证指尖的直线运动范围和精度；2）差动弹簧的刚度，需要根据抓取物体的重量和形状进行调整，以保证抓取的稳定性和可靠性；3）双平行四边形结构的尺寸，需要与Hoecken连杆机构相匹配，以保证指尖的平行性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
原型实验结果表明，Hoecken-D手爪实现了约200mm的线性夹持跨度，并且在多种物体几何形状下均能实现可靠抓取。通过运动学建模和力分析，验证了该设计的可行性和有效性。该手爪在无需额外执行器的情况下，实现了对不同形状物体的自适应抓取，展示了其在非结构化环境中的应用潜力。
🎯 应用场景
Hoecken-D手爪适用于非结构化环境中的物体抓取，例如仓储物流、家庭服务机器人和农业采摘等领域。其自适应抓取能力使其能够处理各种形状和尺寸的物体，提高了机器人的通用性和适应性。此外，该设计还可以应用于医疗康复领域，辅助患者进行精细操作。
📄 摘要（原文）
This paper presents the Hoecken-D Hand, an underactuated robotic gripper that combines a modified Hoecken linkage with a differential spring mechanism to achieve both linear parallel pinching and a mid-stroke transition to adaptive envelope. The original Hoecken linkage is reconfigured by replacing one member with differential links, preserving straight-line guidance while enabling contact-triggered reconfiguration without additional actuators. A double-parallelogram arrangement maintains fingertip parallelism during conventional pinching, whereas the differential mechanism allows one finger to wrap inward upon encountering an obstacle, improving stability on irregular or thin objects. The mechanism can be driven by a single linear actuator, minimizing complexity and cost; in our prototype, each finger is driven by its own linear actuator for simplicity. We perform kinematic modeling and force analysis to characterize grasp performance, including simulated grasping forces and spring-opening behavior under varying geometric parameters. The design was prototyped using PLA-based 3D printing, achieving a linear pinching span of approximately 200 mm. Preliminary tests demonstrate reliable grasping in both modes across a wide range of object geometries, highlighting the Hoecken-D Hand as a compact, adaptable, and cost-effective solution for manipulation in unstructured environments.