DexUMI：以人手为通用操作界面，实现灵巧操作

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现代机械手通常在解剖学上与人手非常相似，这意味着外骨骼会与佩戴它的人手争夺空间。最大的挑战在于拇指，其旋前-旋后运动会扫过很大的空间，并导致拇指与设计简单的外骨骼之间发生严重碰撞。

本文外骨骼设计有两个目标：

• 1. 共享关节动作映射：外骨骼和目标机械手必须共享相同的关节到指尖位置映射，包括其限值，以便动作能够迁移。

• 2. 可穿戴性：外骨骼必须允许用户手部进行足够自然的运动。

虽然第一个目标可以用数学方法定义，但可穿戴性目标却很难具体地写下来。解决方案是参数化外骨骼设计，并将可穿戴性要求作为设计参数的约束条件，然后通过优化求解，找到既能满足可穿戴性要求又能保持运动学关系的解决方案。

为了使优化方案切实可行，优先考虑指尖连杆的精确运动学特性，同时赋予不易接触物体的连杆更大的运动学灵活性。

E.1 设计初始化 ：用基于URDF文件的参数化机械手模型初始化设计（如图所示）。当此类详细设计不可用时（例如，Inspire-Hand的手指机构），会用具有相同自由度的等效通用连杆设计（例如，四连杆）代替，并进行优化以找到与观察的运动学行为最匹配的参数。

E.2 双层优化目标 ：优化目标是最大化以下相似度：max_p S(W^tip_exo (p), W^tip_robot)，其中 W^tip_exo 和 W^tip_robot 分别表示外骨骼和机械手的指尖工作空间（在 SE(3) 中所有可能的指尖姿势集合）。p = {j_1,...,j_n, l_1,...,l_m} 是外骨骼设计参数，包括腕坐标（即法兰）中的关节位置 j_i 和连杆长度 l_j。函数 S (·, ·) 表示两个工作空间之间的相似性度量，它量化外骨骼的指尖姿势分布与机械手的指尖姿势分布的匹配程度。在实践中，通过从两个工作空间中采样配置来实现 S (·, ·) 的最小化。给定一组 K 个机器人手配置 θ_robot,k 和 N 个外骨骼配置 θ_exo,n：

优化第一项可使外骨骼通过寻找与采样机械手配置最接近的外骨骼配置来覆盖机械手的工作空间。第二项要求 W^tip_exo (p) ⊆ W^tip_robot，以确保外骨骼的指尖工作空间保持在机械手的能力范围内，防止产生在机械手工作空间之外无法到达的姿势。

E.3 约束 ：应用边界约束 j_i ∈ C_i 和 l^min_j ≤ l_j ≤ l^max_j，这些约束是根据经验选择的，以确保外骨骼佩戴舒适。例如，希望在 MANO [61] 约定下，将拇指摆动关节沿 x 轴移近手腕，以避免人类拇指的旋前-旋后运动与外骨骼的运动发生碰撞。

外骨骼设计如图所示：

传感器集成

外骨骼上的传感器需要满足以下设计目标：

• 1. 捕获足够的信息：传感器需要捕获策略学习所需的所有信息，包括：机器人动作，例如关节角度（S.1）和腕部运动（S.2），以及视觉（S.3）和触觉（S.4）的观察结果。

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