A fully articulated humanoid dexterous hand with human-level joint structure enabled by linkage-based actuation

📄 arXiv: 2610.36789v1 📥 PDF

作者: Jihao Li, Jianguo Wang, Haotian Guo, Yanzhe Wang, Guodong Lu, Huixu Dong

分类: cs.RO

发布日期: 2026-10-27

💡 一句话要点

提出Torch-Hand以解决人形灵巧手的运动复杂性与控制简易性问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 灵巧手 连杆驱动 抓握力 人机交互 机器人技术 复杂操作

📋 核心要点

  1. 现有的人形灵巧手设计在运动复杂性、机械稳健性、负载能力和控制简易性之间存在权衡，限制了其在复杂环境中的应用。
  2. Torch-Hand通过采用基于连杆的传动架构，复制人手的关节结构，提供21个自由度，提升了灵巧操作的能力。
  3. 实验结果表明，Torch-Hand在可达工作空间、抓握力和任务级操作等方面表现优异，建立了灵巧操作的坚实硬件基础。

📝 摘要（中文）

人形灵巧手是具身智能的核心组成部分，使机器人能够将高层意图转化为丰富且适应性的物理交互。然而，现有设计在运动复杂性、机械稳健性、负载能力和控制简易性之间存在持续的权衡，限制了在非结构化环境中的灵巧操作。本文提出的Torch-Hand是一种完全关节化的人形灵巧手，复制了人手的关节结构和运动层次，具有21个自由度（DOF），包括高度灵活的五个DOF拇指和每个剩余手指的四个DOF。与腱驱动或混合驱动方法不同，Torch-Hand采用完全基于连杆的传动架构，集成了螺旋连杆驱动，实现了高抓握力和可观的负载能力，同时保持紧凑的人形外形。其驱动架构优化了控制可控性，所有驱动器集成在手掌内，并以串联机器人式配置排列，建立了电机运动与关节运动学之间的直接对应关系。

🔬 方法详解

问题定义：本论文旨在解决现有灵巧手设计在运动复杂性与控制简易性之间的权衡问题，现有方法往往无法在复杂环境中实现有效的灵巧操作。

核心思路：Torch-Hand的核心思路是采用完全基于连杆的传动架构，复制人手的关节结构和运动层次，以实现高效的灵巧操作和控制。

技术框架：Torch-Hand的整体架构包括一个集成所有驱动器的手掌，驱动器以串联机器人式配置排列，确保电机运动与关节运动学的直接对应关系。

关键创新：最重要的技术创新在于采用螺旋连杆驱动，显著提高了抓握力和负载能力，同时保持了紧凑的人形外形。这一设计与传统的腱驱动或混合驱动方法有本质区别。

关键设计：Torch-Hand的设计中，所有驱动器均集成在手掌内，采用优化的控制架构，减少了关节间的非意图运动传播，同时允许独立的自由度在复杂操作中进行协调。

📊 实验亮点

实验结果显示，Torch-Hand在可达工作空间和抓握力方面表现优异，覆盖了33种抓握分类，显著提升了灵巧操作的能力。与现有技术相比，其抓握力和负载能力均有显著提高，验证了其作为灵巧操作硬件基础的有效性。

🎯 应用场景

Torch-Hand的设计可广泛应用于服务机器人、医疗辅助、虚拟现实等领域，能够实现更自然的人机交互和复杂任务的执行。其灵巧性和高负载能力使其在多种实际应用中具有重要价值，未来可能推动机器人技术的进一步发展。

📄 摘要（原文）

Humanoid dexterous hands are a core component of embodied intelligence, enabling robots to translate high-level intent into rich and adaptive physical interaction. However, existing designs remain constrained by a persistent trade-off among anthropomorphic kinematic complexity, mechanical robustness, load capacity and control simplicity, limiting dexterous manipulation in unstructured environments. Here we present Torch-Hand, a fully articulated humanoid dexterous hand that replicates the joint structure and motion hierarchy of the human hand with 21 degrees of freedom (DOF), comprising a highly articulated five-DOF thumb and four DOF in each of the remaining fingers. The differentiated thumb integrates multi-axis CMC motion to provide broad opposition and flexible contact orientation relative to the four fingers. Unlike tendon-driven or hybrid actuation approaches, Torch-Hand adopts an entirely linkage-based transmission architecture. By integrating screw-linkage actuation, the hand achieves high grasping force and substantial payload capacity while maintaining a compact anthropomorphic form. Its actuation architecture is optimized for control tractability, with all actuators integrated within the palm and arranged in a serial-robot-like configuration that establishes a direct correspondence between motor motion and joint kinematics. This architecture mechanically decouples functional DOF to reduce unintended inter-joint motion propagation, while allowing independently addressable DOF to be actively coordinated into coupled multi-joint motion patterns during complex manipulation. Comprehensive experiments assess reachable workspace, coordinated fingertip trajectories, thumb opposition, 33-grasp taxonomy coverage, grasping force, payload capacity and task-level manipulation. These results establish Torch-Hand as a robust hardware foundation for dexterous embodied manipulation.