Design of an Adaptive Modular Anthropomorphic Dexterous Hand for Human-like Manipulation

📄 arXiv: 2511.22100v1 📥 PDF

作者: Zelong Zhou, Wenrui Chen, Zeyun Hu, Qiang Diao, Qixin Gao, Yaonan Wang

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-27

备注: 7 pages, 8 figures

💡 一句话要点

提出一种自适应模块化拟人灵巧手，用于类人操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 灵巧手 机器人手 拟人化设计 模块化设计 生物协同 自适应抓取 运动学建模

📋 核心要点

  1. 现有灵巧手设计在驱动复杂度和灵巧性之间存在权衡，过度耦合降低灵巧性。
  2. 提出一种基于仿生学的手指拓扑结构，每个手指具有4个自由度，由2个执行器驱动。
  3. 构建了五指模块化手原型，并通过实验验证了其在自适应抓取和手内操作方面的有效性。

📝 摘要（中文）

生物协同已经成为灵巧手设计中广泛采用的范例，它能够以少量的执行器实现类人的操作。然而，过度的耦合往往会降低手的灵巧性。本文通过提出一种由两个执行器驱动的具有4个自由度(DoF)的拟人手指拓扑结构，并基于这种手指拓扑结构开发一种自适应的模块化灵巧手，来解决驱动复杂性和灵巧性之间的权衡问题。我们探索了手部协同的生物学基础和人类手势分析，将关节层面的协调和结构属性转化为模块化的手指架构。利用这些仿生映射，我们设计了一个五指模块化手，并建立了它的运动学模型来分析自适应抓取和手内操作。最后，我们构建了一个物理原型并进行了初步实验，验证了所提出的设计和分析的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现有灵巧手设计面临驱动复杂度和灵巧性之间的矛盾。为了实现类人操作，通常需要大量的执行器，导致控制复杂性增加。另一方面，为了简化控制，一些设计采用高度耦合的结构，但牺牲了手的灵巧性。因此，如何在执行器数量有限的情况下，设计出具有高灵巧性的灵巧手是一个关键问题。

核心思路：本文的核心思路是借鉴生物手部的协同机制，设计一种具有自适应能力的模块化灵巧手。通过分析人类手部的运动学和结构特征，将关节层面的协调和结构属性转化为模块化的手指架构。每个手指采用一种特殊的拓扑结构，使其在有限的执行器数量下，能够实现较高的灵巧性。

技术框架：该灵巧手的技术框架主要包括以下几个模块：1）手指拓扑结构设计：基于生物学的手部协同机制，设计一种具有4个自由度，由2个执行器驱动的拟人手指拓扑结构。2）模块化手部设计：将手指模块化，并根据人类手部的结构特征，设计一个五指模块化手。3）运动学建模：建立灵巧手的运动学模型，用于分析自适应抓取和手内操作。4）原型构建与实验验证：构建灵巧手的物理原型，并通过实验验证其性能。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一种新的手指拓扑结构，该结构在执行器数量有限的情况下，能够实现较高的灵巧性。此外，该论文还提出了一种基于生物学的手部协同机制的模块化手部设计方法，使得灵巧手具有更好的自适应能力。

关键设计：手指拓扑结构的关键设计在于利用两个执行器驱动四个自由度，通过巧妙的机械结构实现手指的弯曲和旋转。具体的参数设置和结构细节在论文中进行了详细描述。运动学建模方面，采用了标准的DH参数法，建立了灵巧手的运动学模型。原型构建方面，采用了模块化的设计，方便组装和维护。

📊 实验亮点

论文构建了灵巧手的物理原型，并进行了初步的实验验证。实验结果表明，该灵巧手能够实现自适应抓取和手内操作，验证了所提出的设计和分析的有效性。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验结果表明，该灵巧手具有良好的操作性能和自适应能力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要灵巧操作的场景，例如：工业自动化、医疗手术机器人、服务机器人等。在工业自动化领域，该灵巧手可以用于抓取和装配各种形状的零件。在医疗手术机器人领域，该灵巧手可以用于进行精细的手术操作。在服务机器人领域，该灵巧手可以用于帮助人类完成各种日常任务。未来，该研究可以进一步扩展到虚拟现实和增强现实等领域，为用户提供更真实的交互体验。

📄 摘要（原文）

Biological synergies have emerged as a widely adopted paradigm for dexterous hand design, enabling human-like manipulation with a small number of actuators. Nonetheless, excessive coupling tends to diminish the dexterity of hands. This paper tackles the trade-off between actuation complexity and dexterity by proposing an anthropomorphic finger topology with 4 DoFs driven by 2 actuators, and by developing an adaptive, modular dexterous hand based on this finger topology. We explore the biological basis of hand synergies and human gesture analysis, translating joint-level coordination and structural attributes into a modular finger architecture. Leveraging these biomimetic mappings, we design a five-finger modular hand and establish its kinematic model to analyze adaptive grasping and in-hand manipulation. Finally, we construct a physical prototype and conduct preliminary experiments, which validate the effectiveness of the proposed design and analysis.