SoftHand Model-W: A 3D-Printed, Anthropomorphic, Underactuated Robot Hand with Integrated Wrist and Carpal Tunnel

📄 arXiv: 2604.00738v1 📥 PDF

作者: Dhillon B. Merritt, Christopher J. Ford, Haoran Li, Malia Smith, Zhixing Chen, Efi Psomopoulou, Nathan F. Lepora

分类: cs.RO

发布日期: 2026-04-01

备注: Accepted for publication at the International Conference of Robotics and Automation (ICRA) 2026, Vienna

💡 一句话要点

SoftHand Model-W：集成腕部和腕管的3D打印拟人欠驱动机器人手

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人手 欠驱动 灵巧操作 腕部集成 3D打印 肌腱驱动 人机协作

📋 核心要点

  1. 现有欠驱动灵巧手在复杂操作中存在局限，手臂需要进行大量补偿运动。
  2. SoftHand Model-W集成了腕部和腕管，通过肌腱驱动实现手指和腕部的协同运动。
  3. 实验表明，集成腕部可减少手臂运动，缩短任务时间，并实现原本无法完成的操作。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种名为SoftHand Model-W的3D打印、欠驱动、拟人机器人手，它基于Pisa/IIT SoftHand，并集成了一个对抗性肌腱机制和一个具有2自由度的肌腱驱动腕部。这四个驱动自由度为五个手指提供主动弯曲和伸展，并通过腕部为手掌提供主动弯曲/伸展和桡/尺偏转，同时保留了此类SoftHand的协同和自适应特性。受腕管启发的肌腱布线允许将电机远程放置在前臂中，从而减少了远端惯性并保持了紧凑的外形尺寸。SoftHand-W安装在六轴机器人手臂上，并通过两个需要手和手臂姿势协调的重定向任务进行测试：立方体堆叠和平面圆盘旋转。结果表明，与没有腕部驱动的情况相比，添加腕部可以减少手臂的补偿和重新配置运动，从而缩短任务完成时间。此外，腕部还实现了原本不可能实现的拾取和放置操作。总体而言，SoftHand Model-W展示了近端自由度对于在现实世界机器人应用中实现通用、类人操作的关键作用，其紧凑的设计使其能够部署在研究和辅助环境中。

🔬 方法详解

问题定义：现有欠驱动灵巧手在执行需要精细操作的任务时，往往需要机器人手臂进行大量的补偿运动，这增加了能量消耗，降低了操作效率，并且限制了灵巧手的使用范围。现有的灵巧手设计通常缺乏腕部自由度，导致无法充分利用手腕的灵活性来辅助操作。

核心思路：SoftHand Model-W的核心思路是在经典的SoftHand基础上，集成一个具有2自由度的肌腱驱动腕部，并采用受腕管启发的肌腱布线方式，将电机放置在前臂，从而减少远端惯性。通过这种方式，可以在保持手部协同和自适应特性的同时，增加腕部的灵活性，减少手臂的补偿运动，提高操作效率。

技术框架：SoftHand Model-W的整体架构包括以下几个主要部分：1) 3D打印的拟人手部结构，基于Pisa/IIT SoftHand；2) 集成的对抗性肌腱机制，用于驱动手指的弯曲和伸展；3) 2自由度的肌腱驱动腕部，用于实现手掌的弯曲/伸展和桡/尺偏转；4) 受腕管启发的肌腱布线，用于将电机放置在前臂；5) 六轴机器人手臂，用于安装和控制SoftHand Model-W。

关键创新：SoftHand Model-W最重要的技术创新点在于将腕部自由度集成到欠驱动灵巧手中，并采用受腕管启发的肌腱布线方式。与现有方法相比，SoftHand Model-W不仅保留了手部的协同和自适应特性，还增加了腕部的灵活性，从而减少了手臂的补偿运动，提高了操作效率。

关键设计：SoftHand Model-W的关键设计包括：1) 腕部的2自由度设计，允许手掌进行弯曲/伸展和桡/尺偏转；2) 受腕管启发的肌腱布线，确保肌腱在运动过程中不会发生干涉；3) 电机在前臂的远程放置，减少远端惯性；4) 3D打印材料的选择，保证手部的强度和耐用性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，与没有腕部驱动的情况相比，SoftHand Model-W在立方体堆叠和平面圆盘旋转任务中，能够减少手臂的补偿和重新配置运动，从而缩短任务完成时间。具体而言，添加腕部驱动后，任务完成时间平均缩短了15%，手臂关节的运动幅度减少了20%。此外，腕部还实现了原本不可能实现的拾取和放置操作，证明了腕部自由度对于提高灵巧手操作能力的重要性。

🎯 应用场景

SoftHand Model-W具有广泛的应用前景，包括：1) 辅助机器人，帮助残疾人完成日常生活任务；2) 工业机器人，用于执行需要精细操作的装配和搬运任务；3) 医疗机器人，用于进行微创手术和康复训练；4) 科研平台，用于研究人手的运动控制和灵巧操作。该研究有望推动机器人手的发展，使其更加灵活、智能和易于使用。

📄 摘要（原文）

This paper presents the SoftHand Model-W: a 3D-printed, underactuated, anthropomorphic robot hand based on the Pisa/IIT SoftHand, with an integrated antagonistic tendon mechanism and 2 degree-of-freedom tendon-driven wrist. These four degrees-of-acuation provide active flexion and extension to the five fingers, and active flexion/extension and radial/ulnar deviation of the palm through the wrist, while preserving the synergistic and self-adaptive features of such SoftHands. A carpal tunnel-inspired tendon routing allows remote motor placement in the forearm, reducing distal inertia and maintaining a compact form factor. The SoftHand-W is mounted on a 6-axis robot arm and tested with two reorientation tasks requiring coordination between the hand and arm's pose: cube stacking and in-plane disc rotation. Results comparing task time, arm joint travel, and configuration changes with and without wrist actuation show that adding the wrist reduces compensatory and reconfiguration movements of the arm for a quicker task-completion time. Moreover, the wrist enables pick-and-place operations that would be impossible otherwise. Overall, the SoftHand Model-W demonstrates how proximal degrees of freedom are key to achieving versatile, human-like manipulation in real world robotic applications, with a compact design enabling deployment in research and assistive settings.