本文献为“Springer Tracts in Advanced Robotics”系列丛书第40卷的专著，书名为“Underactuated Robotic Hands”。该书由三位主要作者Lionel Birglen（蒙特利尔理工学院机械工程系）、Thierry Laliberté（拉瓦尔大学机械工程系）和Clément Gosselin（拉瓦尔大学机械工程系）撰写，并得到了该丛书编辑Bruno Siciliano、Oussama Khatib和Frans Groen的指导。本书于2008年由Springer出版社出版，是国际上首部系统、全面地专门探讨欠驱动机器人手的著作，旨在为这一领域奠定理论基础并提供设计工具。
本书的核心议题围绕“欠驱动”这一概念在机器人灵巧手中的应用展开。欠驱动系统是指输入（如驱动器）数量少于输出（如自由度）数量的系统。在机器人抓取领域，这体现为使用一个（或少量）驱动器，通过精巧的机械设计（如连杆、滑轮、肌腱、齿轮等）和被动元件（如弹簧、机械限位），使手爪或手指能够自动适应被抓物体的形状，实现包络抓取。本书序言和前两章指出，长期以来，机器人抓取研究存在一个核心困境——“抓取”与“操纵”的权衡。全驱动机器人手（模仿人手，每个关节独立驱动）理论上能实现精细操纵，但结构复杂、成本高昂、控制困难，在实际应用中，尤其是在以稳固抓取为目标时，显得过度设计。而传统的工业夹持器虽然抓取稳固简单，却缺乏适应性和灵活性。欠驱动机器人手被视为填补这一鸿沟的极具前景的中间解决方案，它通过“机械智能”将适应能力内嵌于设计中，从而在保证稳固抓取的同时，简化了驱动和控制结构。
本书的主要论点与贡献是多层次且系统性的，可以归纳为以下几个方面：
第一，建立了欠驱动手指静力学分析的统一理论框架。这是本书最核心的理论贡献。作者引入了两个关键矩阵——雅可比矩阵和传动矩阵——来完整描述任意多指节机器人的接触力。这套方法不仅限于欠驱动手指，也适用于全驱动手指、柔性手指乃至蛇形机器人、触手机械臂等多种设备。通过建立这两个矩阵的解析形式，作者能够精确推导出接触力的数学表达式，并提出了用于比较不同传动机制（连杆、滑轮、齿轮等）、不同指节数手指性能的量化指标。该理论框架为后续的稳定性和优化分析奠定了坚实的数学基础。
第二，系统性地提出了欠驱动手指的抓取稳定性分析与“弹出”理论。这是本书最具开创性的发现之一。基于上述静力学模型，作者指出并深入研究了欠驱动手指抓取时一个长期被忽视的关键现象：在某些接触构型下，某些指节上的接触力可能变为负值（即产生拉力）。在物理上，这对应于该指节与物体失去接触。作者将这种由于部分指节力变负而导致的抓持失效过程，定义为物体的“弹出”。为了分析这一现象，他们引入了“抓取状态空间”的概念，在该空间中可视化接触轨迹、平衡点或不稳定面，从而研究手指在物体上的滑动运动及其最终结果。分析表明，对于双指节欠驱动手指，其整个工作空间内完全避免弹出是不可能的。然而，通过合理设计，可以确保在常用工作区域内不发生弹出。对于三指节手指，分析变得更为复杂，但本书也提出了相应的分析方法。这一稳定性分析深刻揭示了设计参数（如连杆长度、弹簧刚度）和接触特性（如摩擦系数）对抓取可靠性的影响，对实际设计具有至关重要的指导意义。
第三，基于稳定性理论，提出了欠驱动手指的优化设计准则。在揭示了“弹出”这一固有挑战后，本书的目标转向如何设计出性能最优且可靠的欠驱动手指。对于双指节手指，作者能够进行透彻的分析，提出了明确的防止弹出的设计准则，并探讨了力各向同性设计等优化目标。对于三指节手指，由于其方程复杂性，无法直接推导出类似双指节的简洁规则。因此，作者提出了两种替代方法：一是基于多个性能子指标构建综合性能指标进行设计；二是通过抓取稳定性分析来筛选和验证设计参数。这些方法为设计师提供了从理论到实践的桥梁，改变了以往主要依赖直觉进行设计的状况，使设计过程有章可循。
第四，将欠驱动原理从手指内部扩展到手指之间，提出了单驱动器驱动多自由度灵巧手的机械架构。本书不仅关注单个手指的欠驱动，还进一步研究了如何在多个手指之间实现欠驱动，从而用极少的驱动器（甚至一个）驱动整个具有多个自由度的手。作者分析了多种常用的差分机构，如动滑轮、跷跷板机构、流体T型管、行星齿轮和锥齿轮差速器等，并提出了一个通用的“传动树”矩阵公式来描述这些机构连接后的力传递关系。通过这种方法，可以构建出仅用一个电机就能驱动多个手指、具有大量自由度的手部机械系统，极大地简化了系统的驱动和控制复杂度。拉瓦尔大学开发的SARAH手系列原型就是这一思想的成功实践。
第五，通过拉瓦尔大学开发的多个实际原型，展示了理论与实践的紧密结合。本书最后一章详细介绍了在拉瓦尔大学机器人实验室开发的多个欠驱动机器人手原型，如MARS手和SARAH手系列。这些原型的设计体现了前述的理论原则，例如，它们集成了并联的精准捏取机构，该机构在需要时可保持远端指节与手掌垂直以实现精确捏取，而在进行包络抓取时会自动脱离。这些设计创新使得原型机能够在非常简单的控制方案下取得出色的抓取效果。此外，书中还讨论了如何利用触觉传感器和模糊逻辑控制器来实现更精确的力控制和防滑，证明了欠驱动机器人手也是应用先进传感和控制技术的良好平台。
本书的价值和意义非常重大。首先，在科学价值上，它首次系统地为欠驱动机器人手领域构建了完整的理论体系，从静力学建模、稳定性分析到优化设计，填补了该领域长期缺乏深入理论研究的空白。其提出的“抓取状态空间”、“弹出理论”等概念为理解欠驱动抓取的复杂行为提供了全新的视角和分析工具。其次，在应用价值上，本书为工程师和研究人员提供了从理论到实际设计的清晰路径。书中的设计准则、优化方法和原型机案例，对于开发适用于工业、航天、医疗、服务机器人以及假肢等领域的低成本、高适应性、高可靠性的机器人末端执行器具有直接的指导作用。最后，本书作为该领域的第一本专著，起到了“结晶”和系统化分散知识的作用，极大地促进了欠驱动机器人手研究领域的知识传播和后续发展。编者在序言中指出，期望本书能为众多研究者和学生提供帮助，并引领后续更多相关著作的出现。
本书《Underactuated Robotic Hands》是一部在机器人抓取领域具有里程碑意义的著作。它成功地将欠驱动这一机械设计理念提升到了系统性的理论高度，通过严谨的数学分析揭示了欠驱动抓取的内在规律与挑战，并提供了从分析、设计到实现的全套方法论。它不仅是对拉瓦尔大学过去十余年研究成果的总结，更是为整个国际机器人学界在这一充满潜力的研究方向上的持续探索奠定了坚实的基础。