A Sensorless, Inherently Compliant Anthropomorphic Musculoskeletal Hand Driven by Electrohydraulic Actuators
作者: Misato Sonoda, Ronan Hinchet, Amirhossein Kazemipour, Yasunori Toshimitsu, Robert K. Katzschmann
分类: cs.RO
发布日期: 2026-03-25
备注: This work has been submitted to the IEEE for possible publication
💡 一句话要点
提出一种基于电液驱动和Peano-HASEL肌肉骨骼手，实现无传感器、本征柔顺的人形操作
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 软体机器人 电液驱动 肌肉骨骼手 HASEL驱动器 无传感器控制
📋 核心要点
- 传统刚性手依赖复杂外部传感器实现安全交互，但电液驱动提供了一种有前景的替代方案，本研究旨在设计一种安全操作的机器人手。
- 该方案将驱动器移至前臂，隔离电气风险，并采用滑轮机构放大肌腱位移，优先考虑柔顺交互，利用HASEL驱动器的自感知特性。
- 实验验证了该系统的灵巧性和固有安全性，成功抓取了易碎物体，无需外部传感器即可实现抓取检测和闭环控制。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新型肌肉骨骼机器人手架构，完全由远程Peano-HASEL驱动器供电，专为安全操作而优化。通过将驱动器重新定位到前臂，在保持纤细、类人外形的同时，在功能上将抓取界面与电气危险隔离。为了解决这些软驱动器固有的有限线性收缩问题，集成了一个1:2的滑轮布线机制，以机械方式放大肌腱位移。该系统优先考虑柔顺交互而非高有效载荷能力，利用驱动器的固有力限制特性来提供高水平的固有安全性。此外，HASEL驱动器的自感知特性增强了这种物理安全性。通过简单地监测工作电流，无需依赖外部力传感器或编码器，即可实现实时抓取检测和闭环接触感知控制。实验结果验证了系统的灵巧性和固有安全性，证明了各种抓取分类的成功执行以及对纸气球等高度易碎物体的非破坏性抓取。这些发现突出了在简化、固有柔顺的软机器人操作方面迈出的重要一步。
🔬 方法详解
问题定义：现有刚性机器人手在非结构化环境中操作时，依赖复杂的外部传感器来保证安全交互，成本高昂且控制复杂。软体机器人手虽然具有柔顺性，但通常有效载荷能力有限，且驱动方式复杂，难以实现精确控制。因此，需要一种既具有高灵巧性，又具有物理柔顺性的机器人手，同时简化控制方式。
核心思路：本研究的核心思路是利用电液驱动的Peano-HASEL驱动器，结合肌肉骨骼结构，设计一种本质上柔顺的机器人手。通过将驱动器远程放置，隔离电气风险，并利用HASEL驱动器的自感知特性，实现无传感器的抓取检测和闭环控制。这种设计旨在实现安全、灵巧且易于控制的机器人操作。
技术框架：该机器人手的整体架构包括：1）远程Peano-HASEL驱动器，位于前臂；2）滑轮机构，用于放大肌腱位移；3）肌肉骨骼结构的手指，实现灵活的运动；4）电流监测系统，用于感知抓取状态。整个系统通过监测HASEL驱动器的工作电流，实现闭环接触感知控制，无需外部传感器。
关键创新：该研究的关键创新在于：1）采用远程电液驱动，实现了电气隔离和纤细的手部外形；2）利用HASEL驱动器的自感知特性，实现了无传感器的抓取检测和闭环控制；3）通过滑轮机构放大肌腱位移，克服了HASEL驱动器线性收缩的限制。与传统方法相比，该方法简化了控制系统，提高了安全性和灵巧性。
关键设计：滑轮机构采用1:2的比例，以放大肌腱位移。HASEL驱动器的工作电流被用作反馈信号，用于估计抓取力。控制算法基于电流反馈，实现闭环接触感知控制。具体参数设置（如滑轮比例、驱动器尺寸、控制增益）根据实验结果进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机器人手能够成功执行各种抓取动作，包括柱状抓取、球状抓取等。此外，该机器人手能够安全地抓取纸气球等易碎物体，而不会造成损坏。通过监测HASEL驱动器的工作电流，可以准确地检测抓取状态，并实现闭环接触感知控制。这些结果验证了该系统的灵巧性和固有安全性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗康复、人机协作、精密装配等领域。在医疗康复领域，该机器人手可以辅助患者进行精细动作训练。在人机协作领域，其柔顺性和安全性使其能够安全地与人类协同工作。在精密装配领域，该机器人手可以处理易碎或敏感的物体，提高生产效率。
📄 摘要（原文）
Robotic manipulation in unstructured environments requires end-effectors that combine high kinematic dexterity with physical compliance. While traditional rigid hands rely on complex external sensors for safe interaction, electrohydraulic actuators offer a promising alternative. This paper presents the design, control, and evaluation of a novel musculoskeletal robotic hand architecture powered entirely by remote Peano-HASEL actuators, specifically optimized for safe manipulation. By relocating the actuators to the forearm, we functionally isolate the grasping interface from electrical hazards while maintaining a slim, human-like profile. To address the inherently limited linear contraction of these soft actuators, we integrate a 1:2 pulley routing mechanism that mechanically amplifies tendon displacement. The resulting system prioritizes compliant interaction over high payload capacity, leveraging the intrinsic force-limiting characteristics of the actuators to provide a high level of inherent safety. Furthermore, this physical safety is augmented by the self-sensing nature of the HASEL actuators. By simply monitoring the operating current, we achieve real-time grasp detection and closed-loop contact-aware control without relying on external force transducers or encoders. Experimental results validate the system's dexterity and inherent safety, demonstrating the successful execution of various grasp taxonomies and the non-destructive grasping of highly fragile objects, such as a paper balloon. These findings highlight a significant step toward simplified, inherently compliant soft robotic manipulation.