High-Power, Flexible, Robust Hand: Development of Musculoskeletal Hand Using Machined Springs and Realization of Self-Weight Supporting Motion with Humanoid

📄 arXiv: 2403.17459v1 📥 PDF

作者: Shogo Makino, Kento Kawaharazuka, Masaya Kawamura, Yuki Asano, Kei Okada, Masayuki Inaba

分类: cs.RO

发布日期: 2024-03-26

备注: accepted at IROS2017

DOI: 10.1109/IROS.2017.8202291

💡 一句话要点

提出一种新型肌肉骨骼手以解决人形机器人支撑能力不足问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 肌肉骨骼手 腱驱动 欠驱动 力传感器 机械弹簧 自重支撑 机器人技术

📋 核心要点

  1. 现有的人形机器人通常仅依赖脚部支撑，手部力量不足，无法进行有效的身体支撑。
  2. 本文提出了一种新型的腱驱动、欠驱动的五指手，能够产生较大的抓握力并支持人形机器人自重。
  3. 通过将该手安装在Kengoro机器人上，成功实现了俯卧撑和悬垂等自重支撑动作，展示了其应用潜力。

📝 摘要（中文）

人类不仅可以通过双脚支撑身体，还能利用手部支撑身体。然而，大多数人形机器人仅通过脚部支撑，手部力量不足以支撑身体。为此，本文开发了一种新型的五指手，能够支撑人形机器人本体。该手采用腱驱动和欠驱动设计，前臂中的执行器产生较大的抓握力。手部关节使用机械弹簧，既保证了结构强度，又具备冲击抗性。此外，该手配备了力传感器，可以测量外部力量，且手指能够沿物体弯曲，尽管驱动手指的执行器数量少于手指数量。我们将该手安装在肌肉骨骼人形机器人“Kengoro”上，实现了俯卧撑和悬垂两种自重支撑动作。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有人形机器人在支撑身体时手部力量不足的问题。现有方法的痛点在于手部设计通常仅用于物体操作，无法有效支撑机器人本体。

核心思路：论文提出的解决方案是设计一种新型的腱驱动、欠驱动的五指手，能够在保持小型化的同时，提供足够的抓握力以支撑人形机器人。

技术框架：整体架构包括手部的机械设计、驱动系统、传感器集成等模块。手部采用机械弹簧设计，确保灵活性与强度，执行器则负责产生抓握力。

关键创新：最重要的技术创新在于将机械弹簧与腱驱动系统结合，使得手部在小型化的同时具备了较强的结构强度和冲击抗性。这与传统手部设计有本质区别。

关键设计：手部的关节设计采用了机械弹簧，确保了灵活性；力传感器用于实时测量外部力量，手指的驱动执行器数量少于手指数量，但依然能够实现有效的弯曲动作。

📊 实验亮点

实验结果表明，安装了新型手部的Kengoro机器人成功实现了俯卧撑和悬垂动作，展示了其在自重支撑方面的显著提升。这些动作的实现标志着机器人在动态环境中的应用潜力，推动了人形机器人技术的发展。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括人形机器人、服务机器人及医疗辅助设备等。通过增强机器人的支撑能力，可以拓展其在复杂环境中的应用，提升人机交互的效率和安全性，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

Human can not only support their body during standing or walking, but also support them by hand, so that they can dangle a bar and others. But most humanoid robots support their body only in the foot and they use their hand just to manipulate objects because their hands are too weak to support their body. Strong hands are supposed to enable humanoid robots to act in much broader scene. Therefore, we developed new life-size five-fingered hand that can support the body of life-size humanoid robot. It is tendon-driven and underactuated hand and actuators in forearms produce large gripping force. This hand has flexible joints using machined springs, which can be designed integrally with the attachment. Thus, it has both structural strength and impact resistance in spite of small size. As other characteristics, this hand has force sensors to measure external force and the fingers can be flexed along objects though the number of actuators to flex fingers is less than that of fingers. We installed the developed hand on musculoskeletal humanoid "Kengoro" and achieved two self-weight supporting motions: push-up motion and dangling motion.