Underactuated Hand

• 別名: underactuated gripper, adaptive gripper, self-adaptive hand, underactuated robotic hand
• カテゴリ: Mechanical structure › Arms & end-effectors
• タグ: grippers, end-effectors, grasping, mechanism-design, tendon-driven, manipulation

関節よりアクチュエータが少ないロボットハンドやグリッパーで、腱、リンク、ばねを用いて、指が把持した物体の形状に受動的に巻き付きなじむようにしたもの。

定義

劣駆動ハンド（Underactuated hands）は、アクチュエータの数が自由度より少ないロボットハンドやグリッパーである。各関節をそれぞれのモータで駆動するのではなく、1 つのアクチュエータが、指の中を通る腱、リンク機構、差動機構などの機械的な伝達機構を介して複数の関節を駆動し、ばねや柔軟な関節が既定の姿勢を決める。残りの自由度は直接制御されず、指と物体の接触によって決まる。

利点は、形状になじむ適応的な把持である。指が閉じるとき、根元の指節は物体に触れるまで動き、その指節が止められると、伝達機構は外側の指節を駆動し続け、それらが物体のまわりに巻き付く。したがってハンドは、物体のモデルも精密なセンシングも必要とせずに、不規則な形状を包み込む。このため劣駆動ハンドは、同程度の関節数を持つ全駆動ハンドより単純で、軽く、安価で、頑丈になる。

トレードオフは器用さの低下である。関節を独立に指令できないため、劣駆動ハンドはパワー把持や包み込み把持は得意だが、指が物体を制御された方法で持ち替える手内操作には限界がある。その振る舞いは摩擦、ばねの剛性、接触位置にも依存するため、精密な指先把持の予測がしにくくなることがある。

劣駆動は、市販の適応型グリッパーや、3D プリント可能な腱駆動ハンドを公開している Yale OpenHand プロジェクトなどのオープンソース設計で広く使われている。設計原理は、Birglen、Laliberté、Gosselin による書籍『Underactuated Robotic Hands』で詳しく扱われている。

重要な理由

形状が未知または多様な物体の把持はロボティクスで最も難しい問題の一つであり、劣駆動ハンドはその多くを、センシングと制御ではなく機構によって解決する。1 つのモータと単純な制御で信頼できる把持を可能にするため、モバイルマニピュレータ、物流、低コストのロボットやオープンソースのロボットでよく使われている。

主な用途

• 物流やばら積みピッキングのための適応型グリッパー
• 義手
• オープンソースや低コストのロボットハンド
• 家庭や農場など非構造化環境での把持
• 学習ベースのマニピュレーション研究のためのロボットハンド

実際の使われ方

ピックアンドプレースや家庭用ロボットのハンドを選ぶチームは、モータが 1 つか 2 つで済み、開閉の単純な指令だけでよいことから、劣駆動の設計から始めることが多い。オープンソースの製作では、指は腱を通す溝とフレクシャ関節またはピン関節を備えた形で 3D プリントされることが多く、1 つのサーボが腱を巻き取る。エンジニアはばねやフレクシャの剛性を調整して指節が意図した順序で閉じるようにし、代表的な物体の組で把持を試験して、ハンドが大きな物体を包み込めると同時に小さな物体もつまめることを確認する。こうしたハンドでマニピュレーションのポリシーを学習させる場合は、実際の指の関節角度が指令したアクチュエータの位置と異なることを考慮し、それを測るために関節エンコーダを追加することもある。

よくある誤解

• 劣駆動とは力が弱い、または出力不足という意味である — この用語は関節よりアクチュエータが少ないことを意味し、把持力が低いことではない
• 劣駆動ハンドは制御できない — 姿勢はアクチュエータと接触の両方で決まり、設計の対象とした把持については予測どおりに振る舞う
• 劣駆動ハンドは全駆動ハンドにできることは何でもできる — 単純さと適応性と引き換えに、指の独立した制御と、それに伴う手内の器用さの多くを手放している

知っておくべき人

• グリッパーやエンドエフェクタの設計者
• マニピュレーションと把持の研究者
• 義手・義肢のエンジニア
• 低コストのロボットハンドを作るメイカー

関連技術

• 腱駆動（Tendon-Driven Actuation）
• Yale OpenHand
• コンプライアントメカニズム（Compliant Mechanisms）
• 適応型グリッパー（Adaptive Gripper）
• ソフトグリッパー（Soft Gripper）
• フレクシャ関節（Flexure Joints）

関連用語

• Gripper
• Dexterous Manipulation
• End Effector

関連プロジェクト

• 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