Stable In-hand Manipulation for a Lightweight Four-motor Prosthetic Hand
作者: Yuki Kuroda, Tomoya Takahashi, Cristian C. Beltran-Hernandez, Kazutoshi Tanaka, Masashi Hamaya
分类: cs.RO
发布日期: 2026-01-12
💡 一句话要点
针对轻量级四电机假肢手，提出基于电机电流反馈的稳定手内操作方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 假肢手 手内操作 电机电流反馈 灵巧抓取 机器人灵巧手
📋 核心要点
- 现有假肢手在手内操作方面存在局限，尤其是在处理不同重量和形状的物体时，稳定性不足，需要预定义物体宽度。
- 该研究提出了一种基于电机电流反馈的手内操作方法，通过估计物体宽度并协调食指运动，实现更稳定的抓取和重新定向。
- 实验结果表明，该方法显著提高了假肢手在处理不同物体时的成功率和稳定性，尤其是在重型物体操作方面。
📝 摘要（中文）
为了减轻用户负担，并兼顾美观和电机保护，电动假肢手应轻量化、外形仿人化，并将电机内置。此外，还需要手内操作能力，以完成日常活动，如姿势转换，特别是旋转运动。本文在先前开发的PLEXUS手（精密-横向灵巧操作手）的基础上，利用电机电流反馈解决了其局限性。PLEXUS手是一款由四个电机驱动的轻量级（311克）假肢手，能够对各种物体进行精细抓取和横向抓取之间的重新定向。通过结合优化的单轴拇指，该方法通过估计物体宽度并调整食指位置，从而在重新定向过程中保持物体稳定。对各种宽度（5-30毫米）和形状（圆柱体和棱柱体）的物体进行实验验证，轻量级物体的成功率为100%，即使是重型铝制棱柱体（重达289克）也保持了较高的成功率（>=80%）。相比之下，没有食指协调的性能在最重的289克棱柱体上仅为40%。该手还成功执行了多项日常任务，包括拧瓶盖和调整笔的姿势以进行书写。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决轻量级假肢手在手内操作过程中，由于物体重量和形状变化导致的抓取不稳定问题。现有的方法通常需要预先定义物体的宽度，并且难以处理较重的物体，限制了假肢手的实用性。
核心思路：论文的核心思路是利用电机电流反馈来估计物体宽度，并根据估计的宽度动态调整食指的位置，从而在手内操作过程中保持稳定的抓取。这种方法无需预定义物体宽度，并且能够适应不同重量和形状的物体。
技术框架：该假肢手系统主要包括四个电机驱动的手指（拇指、食指、中指和无名指/小指联动），电机电流反馈模块，以及控制算法。拇指采用单轴设计，食指的位置根据电机电流反馈进行动态调整，以实现稳定的抓取。控制算法根据电机电流反馈估计物体宽度，并计算出食指的理想位置。
关键创新：该论文的关键创新在于将电机电流反馈应用于假肢手的手内操作控制中。通过电机电流反馈，系统能够实时感知物体与手指之间的接触力，从而估计物体宽度并调整食指位置。这种方法能够有效地提高抓取的稳定性和鲁棒性。
关键设计：电机电流反馈被用于估计物体宽度。控制算法根据估计的物体宽度，计算出食指的理想位置，并通过电机控制调整食指的位置。拇指采用优化的单轴设计，以提高抓取的灵活性和稳定性。实验中使用了不同宽度（5-30mm）和形状（圆柱体和棱柱体）的物体进行测试。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该方法在处理轻量级物体时成功率达到100%，即使是重达289克的铝制棱柱体，成功率也保持在80%以上。相比之下，没有食指协调的控制方法在处理289克棱柱体时的成功率仅为40%。该假肢手还成功完成了拧瓶盖和调整笔姿势等日常任务，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开发更智能、更实用的电动假肢手，提高残疾人士的生活质量。通过稳定的手内操作能力，假肢手能够更好地完成日常任务，如抓取物体、调整姿势、操作工具等。此外，该技术也可应用于机器人灵巧手领域，提高机器人在复杂环境下的操作能力。
📄 摘要（原文）
Electric prosthetic hands should be lightweight to decrease the burden on the user, shaped like human hands for cosmetic purposes, and designed with motors enclosed inside to protect them from damage and dirt. Additionally, in-hand manipulation is necessary to perform daily activities such as transitioning between different postures, particularly through rotational movements, such as reorienting a pen into a writing posture after picking it up from a desk. We previously developed PLEXUS hand (Precision-Lateral dEXteroUS manipulation hand), a lightweight (311 g) prosthetic hand driven by four motors. This prosthetic performed reorientation between precision and lateral grasps with various objects. However, its controller required predefined object widths and was limited to handling lightweight objects (of weight up to 34 g). This study addresses these limitations by employing motor current feedback. Combined with the hand's previously optimized single-axis thumb, this approach achieves more stable manipulation by estimating the object's width and adjusting the index finger position to maintain stable object holding during the reorientation. Experimental validation using primitive objects of various widths (5-30 mm) and shapes (cylinders and prisms) resulted in a 100% success rate with lightweight objects and maintained a high success rate (>=80) even with heavy aluminum prisms (of weight up to 289 g). By contrast, the performance without index finger coordination dropped to just 40% on the heaviest 289 g prism. The hand also successfully executed several daily tasks, including closing bottle caps and orienting a pen for writing.