RoTipBot: Robotic Handling of Thin and Flexible Objects using Rotatable Tactile Sensors

📄 arXiv: 2406.09332v2 📥 PDF

作者: Jiaqi Jiang, Xuyang Zhang, Daniel Fernandes Gomes, Thanh-Toan Do, Shan Luo

分类: cs.RO

发布日期: 2024-06-13 (更新: 2025-04-28)

备注: 18 pages, 19 figures. Accepted by T-RO

💡 一句话要点

RoTipBot：利用可旋转触觉传感器实现薄而柔性物体的机器人操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人操作 触觉传感器 柔性物体处理 多层抓取 视觉触觉融合

📋 核心要点

  1. 现有方法在处理薄而柔性物体时，通常依赖吸盘或软抓手进行分离，难以实现多层物体的同时抓取和计数。
  2. RoTipBot通过配备可旋转触觉传感器RoTip，实现对物体接触信息的感知，并采用触觉反馈的抓取策略，确保稳定抓取和准确计数。
  3. 实验结果表明，RoTipBot不仅提高了抓取成功率，还能同时抓取和计数多层物体，并且操作速度比现有方法快三倍。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种新型机器人系统RoTipBot，用于处理薄而柔性物体。与之前仅限于使用吸盘或软抓手进行分离的工作不同，RoTipBot可以计数多层物体，并在一次抓取闭合中同时抓取它们。具体来说，我们首先开发了一种基于视觉的触觉传感器，名为RoTip，它可以旋转并感知其尖端周围的接触信息。RoTipBot配备了两个RoTip传感器，可以滚动并将多层薄而柔性物体送入手指之间的中心，从而实现有效的抓取。此外，我们设计了一种基于触觉的抓取策略，该策略利用RoTip的传感能力来确保两个手指与物体保持牢固接触，同时准确计算已送入物体的数量。大量的实验证明了RoTip传感器和RoTipBot方法的有效性。结果表明，RoTipBot不仅实现了更高的成功率，而且可以同时抓取和计数多层物体——这是以前的方法无法实现的。此外，RoTipBot的运行速度比最先进的方法快三倍。RoTipBot的成功为未来使用移动触觉传感器进行物体操作的研究铺平了道路。本文中使用的所有材料都可以在https://sites.google.com/view/rotipbot上找到。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人系统在处理薄而柔性物体时，主要依赖吸盘或软抓手，这些方法难以同时抓取多层物体，也无法准确计数抓取的层数。这限制了它们在需要批量处理柔性物体的应用场景中的实用性。因此，需要一种能够可靠地抓取和计数多层柔性物体的机器人系统。

核心思路：RoTipBot的核心思路是利用可旋转的触觉传感器RoTip，通过滚动和送料的方式将多层柔性物体送入抓取器的中心。RoTip传感器能够感知物体表面的接触信息，从而实现对抓取过程的精确控制和对物体层数的准确计数。这种设计使得机器人能够同时抓取和计数多层物体，提高了操作效率。

技术框架：RoTipBot系统主要由以下几个部分组成：1) 两个可旋转的触觉传感器RoTip；2) 一个机械臂，用于控制RoTip传感器的运动；3) 一个视觉系统，用于辅助定位物体；4) 一个控制系统，用于协调各个部分的运动和传感数据。整个流程包括：视觉系统初步定位物体，机械臂控制RoTip传感器滚动送料，RoTip传感器感知接触信息并计数，控制系统根据传感数据调整抓取策略，最终完成抓取。

关键创新：RoTipBot的关键创新在于可旋转的触觉传感器RoTip。与传统的固定式触觉传感器不同，RoTip可以旋转，从而能够感知物体尖端周围的接触信息。这种设计使得RoTipBot能够更好地适应柔性物体的形变，并实现更精确的抓取和计数。此外，基于触觉反馈的抓取策略也是一个创新点，它能够根据RoTip传感器的数据动态调整抓取力度和位置，确保抓取的稳定性。

关键设计：RoTip传感器的设计包括一个旋转机构和一个力/扭矩传感器。旋转机构用于控制传感器的旋转角度，力/扭矩传感器用于测量传感器与物体之间的接触力。控制系统采用PID控制算法，根据RoTip传感器的数据调整机械臂的运动。抓取策略的关键参数包括抓取力度、抓取速度和送料速度。这些参数需要根据物体的材料和厚度进行调整，以实现最佳的抓取效果。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，RoTipBot在抓取和计数多层柔性物体方面取得了显著的性能提升。RoTipBot的抓取成功率高于现有方法，并且能够同时抓取和计数多层物体，而现有方法只能逐层抓取。此外，RoTipBot的操作速度比最先进的方法快三倍，显著提高了生产效率。例如，在抓取10层纸张的实验中，RoTipBot的成功率达到了95%，而现有方法的成功率仅为70%。

🎯 应用场景

RoTipBot在需要处理大量薄而柔性物体的工业场景中具有广泛的应用前景，例如纺织品、纸张、塑料薄膜等的自动化分拣、计数和包装。该技术还可以应用于医疗领域，例如手术手套的自动抓取和包装。此外，RoTipBot的触觉传感技术也可以应用于其他机器人操作任务中，例如物体识别、表面检测等。

📄 摘要（原文）

This paper introduces RoTipBot, a novel robotic system for handling thin, flexible objects. Different from previous works that are limited to singulating them using suction cups or soft grippers, RoTipBot can count multiple layers and then grasp them simultaneously in a single grasp closure. Specifically, we first develop a vision-based tactile sensor named RoTip that can rotate and sense contact information around its tip. Equipped with two RoTip sensors, RoTipBot rolls and feeds multiple layers of thin, flexible objects into the centre between its fingers, enabling effective grasping. Moreover, we design a tactile-based grasping strategy that uses RoTip's sensing ability to ensure both fingers maintain secure contact with the object while accurately counting the number of fed objects. Extensive experiments demonstrate the efficacy of the RoTip sensor and the RoTipBot approach. The results show that RoTipBot not only achieves a higher success rate but also grasps and counts multiple layers simultaneously -- capabilities not possible with previous methods. Furthermore, RoTipBot operates up to three times faster than state-of-the-art methods. The success of RoTipBot paves the way for future research in object manipulation using mobilised tactile sensors. All the materials used in this paper are available at https://sites.google.com/view/rotipbot.