Development of a 15-Degree-of-Freedom Bionic Hand with Cable-Driven Transmission and Distributed Actuation

📄 arXiv: 2512.04399v1 📥 PDF

作者: Haoqi Han, Yi Yang, Yifei Yu, Yixuan Zhou, Xiaohan Zhu, Hesheng Wang

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-04

💡 一句话要点

提出一种15自由度仿生灵巧手，采用线缆驱动和分布式驱动，适用于机器人操作任务。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 仿生机器人手 灵巧手 线缆驱动 分布式驱动 机器人操作 多自由度 肌腱驱动

📋 核心要点

  1. 传统机器人手在自由度、尺寸和执行器数量之间存在难以兼顾的矛盾，限制了其灵活性和实用性。
  2. 该论文提出了一种新型的仿生灵巧手，通过模仿人手的运动学配置和肌肉分布，实现了15个自由度。
  3. 实验结果表明，该仿生手具有卓越的灵巧性和强大的抓握能力，在机器人操作任务中具有很大的应用潜力。

📝 摘要（中文）

在机器人手研究中，如何在保持与人手一致的尺寸和自由度的同时，最大限度地减少执行器的数量是一个根本性的挑战。本文从人手的运动学配置和肌肉分布策略中获得生物灵感，提出了一种新型的15自由度灵巧机器人手，并详细分析了其机械结构、电气系统和控制系统。该仿生手采用了一种新的肌腱驱动机制，显著减少了传统肌腱驱动系统所需的电机数量，同时提高了运动性能并简化了机械结构。该设计集成了五个位于前臂的电机，以提供强大的抓握力，同时在手掌中安装了十个小型电机，以支持精细的操作任务。此外，还开发了相应的关节传感和电机驱动电气系统，以确保高效的控制和反馈。整个系统重量仅为1.4kg，兼具轻量化和高性能的特点。通过实验，该仿生手表现出卓越的灵巧性和强大的抓握能力，展示了在机器人操作任务中的巨大潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人手设计需要在自由度、尺寸和执行器数量之间进行权衡。增加自由度通常意味着需要更多的执行器，导致手部尺寸增大、重量增加，并增加了控制的复杂性。传统肌腱驱动系统虽然可以减少执行器数量，但往往结构复杂，运动性能受限。因此，如何设计一种既能保持人手尺寸和自由度，又能减少执行器数量，同时保证运动性能的机器人手是一个关键问题。

核心思路：该论文的核心思路是模仿人手的运动学配置和肌肉分布策略，采用一种新型的线缆驱动机制和分布式驱动方案。通过将部分电机放置在前臂，利用线缆驱动提供强大的抓握力，同时在手掌中布置小型电机，实现精细的操作。这种设计能够在减少电机数量的同时，提高运动性能和简化机械结构。

技术框架：该机器人手的整体架构包括机械结构、电气系统和控制系统三个主要部分。机械结构方面，采用了15个自由度的设计，模仿人手的运动范围。电气系统方面，开发了相应的关节传感和电机驱动系统，实现对各个关节的精确控制和反馈。控制系统方面，需要设计合适的控制算法，协调各个电机的运动，实现复杂的抓握和操作任务。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于新型的线缆驱动机制和分布式驱动方案。传统的线缆驱动系统通常需要大量的电机，而该设计通过巧妙的机械结构和电机布局，显著减少了电机数量。同时，将电机分布在前臂和手掌中，分别负责抓握和精细操作，实现了功能的解耦和优化。

关键设计：该机器人手的关键设计包括：1) 15自由度的运动学结构设计，保证了手部的灵活性；2) 线缆驱动机制的设计，实现了力的高效传递和电机数量的减少；3) 分布式驱动方案的设计，优化了抓握力和操作精度的平衡；4) 关节传感器的选择和布局，保证了控制系统的精确反馈。

📊 实验亮点

该仿生手重量仅为1.4kg，实现了轻量化和高性能的结合。通过实验验证，该手具有卓越的灵巧性和强大的抓握能力，能够完成各种复杂的抓握和操作任务。虽然论文中没有给出具体的性能数据和对比基线，但其在电机数量减少和运动性能提升方面的创新，为未来的机器人手设计提供了重要的参考。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要灵巧操作的机器人应用场景，例如：工业自动化生产线上的精密装配、医疗手术机器人辅助医生进行精细操作、服务机器人帮助人们完成日常生活任务、以及在危险环境中进行远程操作等。该仿生手的设计理念和技术方案，为未来机器人手的发展提供了新的思路和方向。

📄 摘要（原文）

In robotic hand research, minimizing the number of actuators while maintaining human-hand-consistent dimensions and degrees of freedom constitutes a fundamental challenge. Drawing bio-inspiration from human hand kinematic configurations and muscle distribution strategies, this work proposes a novel 15-DoF dexterous robotic hand, with detailed analysis of its mechanical architecture, electrical system, and control system. The bionic hand employs a new tendon-driven mechanism, significantly reducing the number of motors required by traditional tendon-driven systems while enhancing motion performance and simplifying the mechanical structure. This design integrates five motors in the forearm to provide strong gripping force, while ten small motors are installed in the palm to support fine manipulation tasks. Additionally, a corresponding joint sensing and motor driving electrical system was developed to ensure efficient control and feedback. The entire system weighs only 1.4kg, combining lightweight and high-performance features. Through experiments, the bionic hand exhibited exceptional dexterity and robust grasping capabilities, demonstrating significant potential for robotic manipulation tasks.