Design and Validation of an Under-actuated Robotic Finger with Synchronous Tendon Routing
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、高柔顺性和紧凑结构
🎯 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 灵巧操作 机器人手 运动学建模 静态分析
📋 核心要点
- 传统灵巧手需要大量驱动器，导致结构复杂、体积庞大，难以兼顾高负载能力和自适应柔顺性。
- 该论文提出同步腱索驱动的欠驱动机械手指，通过机械耦合关节，用单个驱动器实现整体控制，简化结构。
- 实验验证了手指的静态性能，并将其集成到五指手中，证明了其在物体操作中的有效性和可靠性。
📝 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)，该设计通过机械耦合所有关节并采用固定的角速度比，仅用单个驱动器即可驱动整个手指。这种方法显著减少了多指灵巧手所需的驱动器数量，从而在不牺牲刚度或柔顺性的前提下，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，并考虑了腱索的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的尖端载荷下，测得的刚度为1.2x10^3 N/m。将其集成到五指机械手中(UTRF-RoboHand)，验证了其在各种场景下有效操作物体的能力，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驱动器的数量。
🔬 方法详解
问题定义：现有灵巧手设计通常需要为每个关节配备独立的驱动器，导致结构复杂、体积庞大，成本高昂。同时，如何在紧凑的结构中实现高负载能力和自适应柔顺性是一个挑战。传统的欠驱动手指设计可能难以在刚度和柔顺性之间取得平衡。
核心思路：该论文的核心思路是采用同步腱索驱动，通过机械耦合所有关节，使它们以固定的角速度比同步运动。这样，仅需一个驱动器即可控制整个手指的运动，从而显著减少驱动器的数量，简化机械结构，并提高结构的紧凑性。这种设计旨在在刚度和柔顺性之间取得更好的平衡。
技术框架：该论文的技术框架主要包括以下几个部分：1) 机械手指的设计，包括关节的布局和腱索的同步驱动方式；2) 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；3) 考虑腱索弹性的结构刚度预测模型；4) 单指原型的制作和静态加载测试；5) 将单指集成到五指机械手中进行物体操作实验。
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。与传统的独立驱动或简单的欠驱动方式不同，该方法通过机械耦合实现了关节的同步运动，从而可以用最少的驱动器实现复杂的手指运动。这种设计在简化结构的同时，保证了手指的刚度和柔顺性。
关键设计：关键设计包括：1) 腱索的同步驱动路径设计，确保所有关节以预定的角速度比同步运动；2) 关节的几何参数设计，影响手指的运动范围和力学性能；3) 腱索材料的选择，影响手指的刚度和响应速度；4) 静态模型的建立，需要准确考虑腱索的弹性，以预测手指的刚度。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
单指原型测试结果显示，挠度预测误差仅为1.0 mm（占手指总长度的0.322%），在3 kg的尖端载荷下，测得的刚度为1.2x10^3 N/m。五指机械手集成实验表明，该设计能够有效地操作各种物体，验证了其在实际应用中的可行性和可靠性。这些结果表明，该方法在保证性能的同时，显著减少了驱动器的数量。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于轻量化、低成本的灵巧手设计，尤其适用于需要高自由度和灵巧操作的机器人应用场景，如医疗机器人、服务机器人、工业自动化等。通过减少驱动器数量和简化机械结构，可以降低机器人的成本和复杂性，提高其可靠性和易用性。未来，该技术有望扩展到其他类型的机器人关节和机构设计中。
📄 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.