Design and Validation of an Under-actuated Robotic Finger with Synchronous Tendon Routing

📄 arXiv: 2512.10349v1 📥 PDF

作者: Quan Yuan, Zhenting Du, Daqian Cao, Weibang Bai

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-11

备注: 7 pages and 11 figures

💡 一句话要点

提出基于同步腱索驱动的欠驱动机械手指，实现高负载、自适应顺应性和紧凑结构。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 欠驱动机械手 腱索驱动 同步驱动 机器人手爪 运动学建模

📋 核心要点

  1. 现有欠驱动机械手难以兼顾高负载能力、自适应顺应性和紧凑的结构设计。
  2. 论文提出同步腱索驱动的欠驱动机械手指，通过机械耦合实现单执行器驱动多关节。
  3. 实验验证了手指的静态性能，并集成到五指机械手中，展示了其在物体操作中的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于同步腱索驱动的欠驱动机械手指(UTRF)，该手指通过机械方式将所有关节与固定的角速度比耦合，从而仅需单个执行器即可驱动整个手指。这种方法显著减少了多指手中所需的执行器数量，从而在不牺牲刚度或顺应性的前提下，实现了更轻、更紧凑的结构。论文推导了手指的运动学和静态模型，并考虑了腱索弹性以预测结构刚度。单指原型在静态载荷下进行了测试，结果表明，平均挠度预测误差为1.0 mm（占手指总长度的0.322%），在3 kg的指尖载荷下，测得的刚度为1.2x10^3 N/m。集成到五指机械手(UTRF-RoboHand)中，展示了在各种场景下有效的目标操作，证实了所提出的驱动方式实现了可预测的刚度和可靠的抓取性能，同时最大限度地减少了执行器的数量。

🔬 方法详解

问题定义：现有欠驱动机械手设计需要在执行器数量、结构紧凑性、负载能力和自适应顺应性之间进行权衡。传统的欠驱动手指通常需要多个执行器，导致结构复杂且体积较大。如何在减少执行器数量的同时，保持甚至提升机械手的性能，是本文要解决的核心问题。

核心思路：论文的核心思路是采用同步腱索驱动的方式，将多个关节通过腱索以固定的角速度比机械耦合起来。这样，只需要一个执行器就可以控制整个手指的运动，从而大大减少了执行器的数量，简化了机械结构，并提高了结构的紧凑性。

技术框架：该机械手指的设计主要包含以下几个部分：1) 机械手指的结构设计，包括关节的数量和位置；2) 腱索的同步驱动方式设计，确保各个关节按照预定的角速度比运动；3) 运动学和静态模型的建立，用于预测手指的运动和力学性能；4) 单指原型制作和测试，验证模型的准确性；5) 五指机械手的集成和测试，验证其在实际操作中的性能。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于同步腱索驱动方式的设计。通过巧妙的腱索排布，实现了多个关节的机械耦合，使得只需要一个执行器就可以控制整个手指的运动。这种设计不仅减少了执行器的数量，还提高了手指的刚度和顺应性。

关键设计：关键设计包括：1) 腱索的排布方式，需要仔细设计腱索的路径和连接点，以确保各个关节按照预定的角速度比运动；2) 腱索的材料选择，需要选择具有足够强度和弹性的腱索材料，以承受手指在运动过程中产生的拉力；3) 运动学和静态模型的建立，需要考虑腱索的弹性，以准确预测手指的运动和力学性能。

📊 实验亮点

实验结果表明，该机械手指在静态载荷下具有良好的性能。单指原型在静态加载测试中，挠度预测误差仅为1.0 mm（占手指总长度的0.322%），在3 kg的指尖载荷下，测得的刚度为1.2x10^3 N/m。集成到五指机械手后，成功演示了对多种物体的抓取操作，验证了其在实际应用中的可行性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于轻量化、高灵巧性的机器人手爪设计，尤其适用于空间狭小或对重量敏感的应用场景，如医疗机器人、外骨骼机器人、以及在复杂环境中进行精细操作的机器人系统。未来可进一步探索其在假肢、康复机器人等领域的应用潜力。

📄 摘要（原文）

Tendon-driven under-actuated robotic fingers provide advantages for dexterous manipulation through reduced actuator requirements and simplified mechanical design. However, achieving both high load capacity and adaptive compliance in a compact form remains challenging. This paper presents an under-actuated tendon-driven robotic finger (UTRF) featuring a synchronous tendon routing that mechanically couples all joints with fixed angular velocity ratios, enabling the entire finger to be actuated by a single actuator. This approach significantly reduces the number of actuators required in multi-finger hands, resulting in a lighter and more compact structure without sacrificing stiffness or compliance. The kinematic and static models of the finger are derived, incorporating tendon elasticity to predict structural stiffness. A single-finger prototype was fabricated and tested under static loading, showing an average deflection prediction error of 1.0 mm (0.322% of total finger length) and a measured stiffness of 1.2x10^3 N/m under a 3 kg tip load. Integration into a five-finger robotic hand (UTRF-RoboHand) demonstrates effective object manipulation across diverse scenarios, confirming that the proposed routing achieves predictable stiffness and reliable grasping performance with a minimal actuator count.