Antagonistic Bowden-Cable Actuation of a Lightweight Robotic Hand: Toward Dexterous Manipulation for Payload Constrained Humanoids
作者: Sungjae Min, Hyungjoo Kim, David Hyunchul Shim
分类: cs.RO
发布日期: 2025-12-31
备注: Preprint
💡 一句话要点
提出一种基于拮抗式Bowden线缆驱动的轻量化灵巧手，用于有效载荷受限的人形机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人形机器人 灵巧手 Bowden线缆驱动 拮抗式驱动 轻量化设计
📋 核心要点
- 人形机器人需要具备高抓握力、快速驱动、多自由度和轻量化结构的灵巧手，但这些需求相互冲突，难以同时满足。
- 该论文提出一种基于Bowden线缆驱动的轻量化机械手，采用滚动接触关节优化和拮抗式线缆驱动，实现单电机控制和低线缆偏差。
- 实验结果表明，该机械手远端质量仅为236g，能产生超过18N的指尖力，并举起超过自身质量一百倍的物体，验证了其性能。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种由Bowden线缆驱动的轻量级拟人机械手，旨在为有效载荷受限的人形机器人提供高灵巧操作能力。该设计独特地结合了滚动接触关节优化和拮抗式线缆驱动，实现了每个关节单电机控制，且线缆长度偏差可忽略不计。通过将驱动模块转移到躯干，该设计在保持拟人尺寸和灵巧性的同时，显著降低了远端质量。此外，拮抗式线缆驱动消除了电机间的同步需求。实验结果表明，该机械手远端质量为236克（不包括远程驱动器和Bowden护套），能够可靠地执行灵巧任务，实现超过18N的指尖力，并能举起超过自身质量一百倍的有效载荷。通过Cutkosky抓取分类和扰动下的轨迹一致性验证了其鲁棒性。
🔬 方法详解
问题定义：人形机器人需要具备高灵巧性的机械手，但现有方案往往需要更重的驱动器和更大的传动系统，从而限制了机器人手臂的有效载荷能力。因此，如何在满足拟人尺寸和灵巧性的前提下，设计出轻量化、高力度的机械手是一个关键问题。
核心思路：论文的核心思路是将驱动电机远程放置在躯干部位，通过Bowden线缆进行驱动，从而显著降低机械手远端的质量。同时，采用拮抗式线缆驱动，每个关节仅需一个电机控制，简化了控制系统，并消除了电机间的同步需求。
技术框架：该机械手的整体架构包括：1) 远程驱动模块，包含电机和线缆；2) Bowden线缆传动系统，负责将驱动力传递到机械手；3) 机械手本体，采用滚动接触关节优化设计，实现灵活的运动；4) 控制系统，负责控制电机的运动，实现机械手的抓取和操作。
关键创新：该论文的关键创新在于：1) 采用拮抗式Bowden线缆驱动，实现了单电机控制，简化了控制系统，并降低了机械手的复杂性；2) 结合滚动接触关节优化，提高了关节的运动灵活性和精度；3) 通过远程驱动，显著降低了机械手远端的质量，提高了有效载荷能力。
关键设计：在关键设计方面，论文可能涉及以下技术细节：1) Bowden线缆的材料选择和几何设计，以保证传动效率和精度；2) 滚动接触关节的结构设计，以优化运动范围和承载能力；3) 拮抗式线缆的预紧力设置，以保证关节的稳定性和响应速度；4) 控制算法的设计，以实现精确的抓取和操作。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该机械手远端质量仅为236g（不包括远程驱动器和Bowden护套），能够产生超过18N的指尖力，并能举起超过自身质量一百倍的有效载荷。通过Cutkosky抓取分类验证了其抓取能力，并通过扰动实验验证了其鲁棒性。这些实验结果表明，该机械手在轻量化、力度和鲁棒性方面均表现出色。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于有效载荷受限的人形机器人，例如在狭小空间或需要高精度操作的场景中。此外，该技术还可应用于假肢、康复机器人等领域，为残疾人提供更灵活、更轻便的辅助设备。未来，该技术有望推动人形机器人在医疗、服务、工业等领域的广泛应用。
📄 摘要（原文）
Humanoid robots toward human-level dexterity require robotic hands capable of simultaneously providing high grasping force, rapid actuation speeds, multiple degrees of freedom, and lightweight structures within human-like size constraints. Meeting these conflicting requirements remains challenging, as satisfying this combination typically necessitates heavier actuators and bulkier transmission systems, significantly restricting the payload capacity of robot arms. In this letter, we present a lightweight anthropomorphic hand actuated by Bowden cables, which uniquely combines rolling-contact joint optimization with antagonistic cable actuation, enabling single-motor-per-joint control with negligible cable-length deviation. By relocating the actuator module to the torso, the design substantially reduces distal mass while maintaining anthropomorphic scale and dexterity. Additionally, this antagonistic cable actuation eliminates the need for synchronization between motors. Using the proposed methods, the hand assembly with a distal mass of 236g (excluding remote actuators and Bowden sheaths) demonstrated reliable execution of dexterous tasks, exceeding 18N fingertip force and lifting payloads over one hundred times its own mass. Furthermore, robustness was validated through Cutkosky taxonomy grasps and trajectory consistency under perturbed actuator-hand transformations.