Design and stability analysis of an underactuated hand with passively rotating fingers
作者: Léonie Plancoulaine, Sylvain Guégan, Franck Plestan, Damien Chablat
分类: cs.RO
发布日期: 2026-07-21
期刊: Proceedings of the ASME 2026 International Design Engineering Technical Conferences \& Computers and Information in Engineering Conference, ASME, Aug 2026, Houston, United States
💡 一句话要点
设计一种具有被动旋转手指的欠驱动机器人手以提升抓取灵活性
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 欠驱动机器人手 被动旋转 抓取灵活性 稳定性分析 差动机制 机械原型 多样化抓取 自适应运动
📋 核心要点
- 现有的机器人手在抓取灵活性和稳定性方面存在不足，尤其是在处理多样化物体形状时。
- 本文提出了一种欠驱动手指设计，结合被动旋转关节和差动机制，以简化运动控制并提高抓取能力。
- 实验结果表明，该设计在多种抓取模式下表现出色，验证了其在实际应用中的有效性和适应性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种创新的欠驱动机器人手指设计及其稳定性分析，该手指具备空间移动性，旨在增强机器人手的抓取灵活性。手指结构在基部设有一个旋转关节，允许被动空间旋转，从而支持圆柱形和球形抓取。通过引入基于接触力在手指基关节上产生的力矩的稳定性标准，确保了可靠的物体抓取并防止在操作过程中物体被弹出。此外，研究还探讨了一种差动机制，将单一的驱动扭矩分配到多个手指上，实现自适应和协调运动。理论结果通过全机械原型进行了实验验证，展示了在执行圆柱形、球形、平行和包围抓取时的多样性。该研究为需要灵活性和鲁棒性的应用（如农业机器人、物流、辅助技术和废物分类）中的合规机器人手的发展提供了重要进展。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有机器人手在抓取多样化物体时灵活性不足和稳定性差的问题，尤其是在复杂环境下的操作挑战。
核心思路：论文提出的核心解决思路是设计一种具有被动旋转关节的欠驱动手指，简化机械结构，同时通过差动机制实现多个手指的协调运动，以增强抓取的灵活性和稳定性。
技术框架：整体架构包括手指的设计、稳定性分析和实验验证三个主要模块。手指设计采用两节指骨结构，基部关节实现被动旋转，稳定性分析基于接触力矩，实验验证通过全机械原型进行。
关键创新：最重要的技术创新点在于结合了欠驱动设计与被动旋转机制，显著降低了机械复杂性和控制需求，同时提升了抓取的功能适应性。
关键设计：关键设计包括手指的两节结构、基部的旋转关节、以及差动机制的实现，确保了在不同抓取模式下的稳定性和灵活性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，该欠驱动手指在执行圆柱形、球形、平行和包围抓取时表现出良好的稳定性和适应性，验证了设计的有效性。与传统设计相比，该方法在抓取多样化物体时减少了预抓取调整的需求，提升了操作效率。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括农业机器人、物流、辅助技术和废物分类等，能够在这些领域中提供更高的抓取灵活性和适应性，满足多样化的操作需求。未来的研究将集中在自动化驱动和控制策略的优化上，以进一步提升抓取的稳定性和精确性，推动在非结构化环境中的自主操作。
📄 摘要（原文）
This paper presents an innovative design and stability analysis of an underactuated robotic finger with spatial mobility, designed to enhance gripping dexterity in robotic hands. The finger architecture incorporates a revolute joint at its base, enabling passive spatial rotation that facilitates both cylindrical and spherical grasping. With only two phalanges per finger, the design simplifies kinematic complexity while supporting precision and enveloping grasps. Stability criteria, based on the moment at the finger base joint induced by contact forces, are introduced to ensure reliable object gripping and prevent ejection during manipulation. The study also examines a differential mechanism that distributes a single actuation torque across multiple fingers, allowing adaptive and coordinated motion. This mechanism enhances the hand's ability to grasp diverse object shapes with minimal pre-grasp adjustments, leveraging passivity for autonomous adaptation. Theoretical findings are experimentally validated using a fully mechanical prototype, demonstrating versatility in performing cylindrical, spherical, parallel, and enveloping grasps. The integration of underactuation-both within individual fingers and among multiple fingers-reduces mechanical complexity, cost, and control demands while preserving functional adaptability. This work advances the development of compliant robotic hands suitable for applications requiring dexterity and robustness, such as agricultural robotics, logistics, assistive technologies, and waste sorting. Future research will focus on automating actuation and refining control strategies to further improve grasp stability and precision, paving the way for autonomous manipulation in unstructured environments.