A Dexterous and Compliant Gripper With Soft Hydraulic Actuation for Microgravity Manipulation

📄 arXiv: 2605.17851v1 📥 PDF

作者: William Su, Jordan Kam, Yixiao Wang, Jianshu Zhou

分类: cs.RO

发布日期: 2026-05-18

备注: Accepted to the IEEE ICRA 2026 Space Robotics Workshop (SRW). 4 pages, 3 figures

💡 一句话要点

提出DexCoHand：一种用于微重力环境灵巧操作的柔性液压机械手

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 微重力操作 灵巧机械手 柔性驱动 液压驱动 Astrobee机器人

📋 核心要点

  1. 现有Astrobee的夹持器在灵巧操作方面存在局限，无法满足复杂微重力任务的需求。
  2. DexCoHand采用柔性液压驱动，旨在实现稳定的接触和减少对基座的扰动，提升操作精度。
  3. 实验表明，DexCoHand在保持指令运动的同时，显著减少了基座的意外运动，并展示了灵巧操作的潜力。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种用于微重力操作的灵巧且柔顺的液压驱动机械手DexCoHand，并将其集成到Astrobee自由飞行机器人上。Astrobee现有的单自由度欠驱动柔性爪式夹持器虽然能够实现在国际空间站（ISS）上的栖息，但在连续灵巧操作方面的能力有限。更复杂的微重力任务需要一种能够保持稳定接触同时限制对自由飞行基座扰动的末端执行器，因为接触力会直接耦合到基座的运动中。在MuJoCo中，使用Astrobee的标准扶手栖息序列（包括接近、栖息以及随后的平移和倾斜运动）对该系统进行了评估。与Astrobee现有的夹持器相比，DexCoHand在保持指令平移和倾斜运动的同时，减少了意外的交叉轴基座运动。在地球上的硬件实验进一步证明了DexCoHand的灵巧操作能力及其在更具适应性的智能操作任务中的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：Astrobee机器人现有的单自由度夹持器在微重力环境下进行复杂操作时存在局限性。由于接触力会直接影响基座运动，因此需要一种既能保持稳定接触，又能减少对基座扰动的灵巧末端执行器。现有方法难以兼顾灵巧性和对基座的低扰动性。

核心思路：本文的核心思路是设计一种基于柔性液压驱动的灵巧机械手DexCoHand。通过液压驱动实现机械手的多个自由度，同时利用液压系统的柔性特性来吸收冲击和振动，从而在保持稳定接触的同时，减少对Astrobee基座的扰动。这种设计旨在提高操作的精度和稳定性。

技术框架：DexCoHand系统主要包含以下几个部分：1) 两个手指，每个手指具有多个自由度，实现灵巧抓取；2) 液压驱动系统，提供动力并实现柔顺控制；3) 控制系统，负责协调各个关节的运动，并实现力/位混合控制；4) 与Astrobee机器人的集成接口，实现数据和能量的传输。整个流程包括：Astrobee接近目标物体，DexCoHand进行抓取和操作，控制系统根据反馈信息调整机械手的姿态和力，最终完成任务。

关键创新：DexCoHand的关键创新在于其将灵巧性和柔顺性结合在一起。传统的刚性机械手虽然精度高，但在接触过程中容易产生较大的冲击力，从而扰动基座。而DexCoHand通过液压驱动的柔性特性，能够有效地吸收冲击力，减少对基座的扰动。此外，该机械手还具有较高的自由度，能够实现复杂的抓取和操作任务。

关键设计：DexCoHand的关键设计包括：1) 采用液压驱动器，实现各个关节的运动控制；2) 设计柔性连接结构，提高机械手的顺应性；3) 采用力/位混合控制策略，实现精确的力控制和位置控制；4) 优化液压系统的参数，提高系统的响应速度和稳定性。具体的参数设置和控制算法细节在论文中未详细描述，属于未知信息。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

MuJoCo仿真结果表明，与Astrobee现有的夹持器相比，DexCoHand在保持指令平移和倾斜运动的同时，显著减少了意外的交叉轴基座运动。虽然论文中没有给出具体的数值，但仿真结果表明DexCoHand在减少基座扰动方面具有显著优势。地球上的硬件实验进一步验证了DexCoHand的灵巧操作能力，展示了其在实际应用中的潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于空间站内部的设备维护、实验操作以及空间碎片清理等任务。在医疗机器人领域，该机械手也可用于进行精细手术操作，降低对患者的损伤。此外，在深海探测、核电站维护等高危环境中，该机械手也具有潜在的应用价值，能够代替人类完成复杂的操作任务。

📄 摘要（原文）

Astrobee's existing one-degree-of-freedom (DOF) underactuated compliant claw gripper enables perching on the International Space Station (ISS), but provides limited capability for continuous dexterous manipulation. More complex microgravity tasks require an end-effector that can maintain stable contact while limiting disturbance to the free-flying base, since contact forces directly couple into base motion. This article presents the integration of DexCoHand, a dexterous and compliant two-finger, 6-DOF gripper, with the Astrobee free-flying robot for microgravity manipulation. The system is evaluated in MuJoCo using Astrobee's standard handrail perching sequence, including approach, perching, and subsequent pan and tilt motions. Compared with Astrobee's existing gripper, DexCoHand preserves the commanded pan and tilt motions while reducing unintended cross-axis base motion. Hardware experiments on Earth further demonstrate DexCoHand's dexterous manipulation capabilities and its potential for more adaptable intelligent manipulation tasks.