Underactuated Hand

• Aussi appelé: underactuated gripper, adaptive gripper, self-adaptive hand, underactuated robotic hand
• Catégorie: Mechanical structure › Arms & end-effectors
• Mots-clés: grippers, end-effectors, grasping, mechanism-design, tendon-driven, manipulation

Une main ou une pince robotique ayant moins d'actionneurs que d'articulations, qui utilise des tendons, des tringleries ou des ressorts pour que ses doigts s'enroulent passivement autour d'un objet saisi et en épousent la forme.

Définition

Mains sous-actionnées (underactuated hands) : mains et pinces robotiques qui ont moins d'actionneurs que de degrés de liberté. Au lieu d'entraîner chaque articulation avec son propre moteur, un seul actionneur entraîne plusieurs articulations via une transmission mécanique, comme un tendon passant dans le doigt, une tringlerie ou un différentiel, tandis que des ressorts ou des articulations souples fixent la posture par défaut. Les degrés de liberté restants ne sont pas commandés directement ; ils sont déterminés par le contact entre les doigts et l'objet.

L'avantage est une préhension adaptative, qui épouse la forme de l'objet. Lorsqu'un doigt se ferme, sa phalange proximale avance jusqu'à toucher l'objet ; une fois cette phalange bloquée, la transmission continue d'entraîner les phalanges distales, qui s'enroulent autour de l'objet. La main enveloppe ainsi des formes irrégulières sans avoir besoin d'un modèle de l'objet ni d'une détection précise. Cela rend les mains sous-actionnées plus simples, plus légères, moins chères et plus robustes que des mains entièrement actionnées ayant un nombre d'articulations comparable.

La contrepartie est une dextérité réduite. Comme les articulations ne peuvent pas être commandées indépendamment, les mains sous-actionnées excellent dans les prises de force et enveloppantes, mais sont limitées en manipulation dans la main, où les doigts doivent repositionner un objet de manière contrôlée. Leur comportement dépend aussi du frottement, de la raideur des ressorts et des emplacements de contact, ce qui peut rendre moins prévisibles les prises de précision du bout des doigts.

Le sous-actionnement est largement utilisé dans les pinces adaptatives commerciales et dans des conceptions open source comme le projet Yale OpenHand, qui publie des mains à tendons imprimables en 3D. Les principes de conception sont traités en profondeur dans le livre Underactuated Robotic Hands de Birglen, Laliberté et Gosselin.

Pourquoi c'est important

Saisir des objets de forme inconnue ou variée est l'un des problèmes les plus difficiles de la robotique, et les mains sous-actionnées en résolvent une grande partie mécaniquement plutôt que par la détection et la commande. Elles rendent possible une préhension fiable avec un seul moteur et une commande simple, c'est pourquoi elles sont courantes sur les manipulateurs mobiles, dans la logistique et sur les robots à bas coût et open source.

Applications principales

• Pinces adaptatives pour la logistique et le prélèvement en vrac
• Prothèses de main
• Mains robotiques open source et à bas coût
• Préhension dans des environnements non structurés comme les maisons et les fermes
• Mains robotiques pour la recherche en manipulation fondée sur l'apprentissage

En pratique

Une équipe qui choisit une main pour un robot de prise et dépose ou un robot domestique part souvent d'une conception sous-actionnée, car elle ne nécessite qu'un ou deux moteurs et une simple commande d'ouverture/fermeture. Dans les réalisations open source, les doigts sont couramment imprimés en 3D avec des canaux pour les tendons et des articulations flexibles ou à pivot, et un seul servo enroule le tendon. Les ingénieurs règlent la raideur des ressorts ou des articulations flexibles pour que les phalanges se ferment dans l'ordre voulu, et testent les prises sur un ensemble d'objets représentatifs pour vérifier que la main enveloppe les grands objets tout en pouvant encore pincer les petits. Lorsqu'ils apprennent des politiques de manipulation avec de telles mains, ils tiennent compte du fait que les angles réels des articulations des doigts diffèrent de la position commandée de l'actionneur, en ajoutant parfois des codeurs articulaires pour les mesurer.

Idées reçues

• Sous-actionné signifie faible ou sous-motorisé — le terme signifie moins d'actionneurs que d'articulations, pas une faible force de préhension
• Une main sous-actionnée ne peut pas être commandée — sa posture est fixée conjointement par l'actionneur et les contacts, et elle se comporte de façon prévisible pour les prises pour lesquelles elle a été conçue
• Les mains sous-actionnées peuvent faire tout ce que fait une main entièrement actionnée — elles renoncent à la commande indépendante des doigts, et avec elle à une grande partie de la dextérité dans la main, en échange de la simplicité et de l'adaptabilité

Qui devrait le savoir

• Concepteurs de pinces et d'effecteurs terminaux
• Chercheurs en manipulation et en préhension
• Ingénieurs en prothèses
• Makers qui construisent des mains robotiques à bas coût

Technologies associées

• Actionnement par tendons (Tendon-Driven Actuation)
• Yale OpenHand
• Mécanismes compliants (Compliant Mechanisms)
• Pince adaptative (Adaptive Gripper)
• Pince souple (Soft Gripper)
• Articulations flexibles (Flexure Joints)

Termes associés

• Gripper
• Dexterous Manipulation
• End Effector

Projets associés

• LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
• Isaac Lab: NVIDIA robot learning framework: one task API across Newton, PhysX and Isaac Sim
• NVIDIA Isaac GR00T: NVIDIA open foundation model for humanoid robot reasoning and skills
• OpenVLA: 7B-parameter Vision-Language-Action model for robotic manipulation
• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• OpenArm: 7DOF humanoid arm for physical AI research in contact-rich environments