Baloo: A Large-Scale Hybrid Soft Robotic Torso for Whole-Arm Manipulation
作者: Curtis C. Johnson, Andrew Clawson, Marc D. Killpack
分类: cs.RO
发布日期: 2024-09-12 (更新: 2025-03-13)
备注: Submitted to IEEE Transactions on Mechatronics for review
💡 一句话要点
Baloo：用于全身操作的大型混合软体机器人躯干
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 混合机器人 全身操作 气动驱动 接触力学
📋 核心要点
- 传统刚性机器人在接触密集型任务中表现受限，难以处理冲击和力分布。
- Baloo采用混合软-刚性设计，结合软体适应性和刚性强度，实现高负载能力。
- 实验证明，Baloo通过简单控制策略，成功抓取多种复杂物体，成功率达100%。
📝 摘要（中文）
软体机器人驱动器在接触丰富的环境中运行时，可以简化控制器的设计。重要的是，它们的被动柔顺性从根本上改变了接触力学，通过平滑冲击并将力分布在大面积上。通过集成软体驱动器，我们可以执行高冲击、动态和接触丰富的任务，这些任务对于传统的刚性机器人来说具有挑战性或不可能完成。为了探索被动结构柔顺性的好处并学习有效地利用它，我们提出了一个名为Baloo的原型机器人躯干。Baloo的混合软-刚性设计结合了软体组件的适应性和刚性组件的强度，在刚性躯干上安装了两个两米长的气动机器人手臂。这种混合设计能够提升高达19公斤的末端执行器有效载荷，远远超过了许多混合机器人设计。这种有效载荷与类似尺寸的刚性机器人相比具有竞争力，但具有更高的强度重量比。通过30次物理全身抓取实验，我们还展示了一个简单的控制策略如何推广到对六个具有不同形状、尺寸和重量的具有挑战性的物体进行有效提升。在所有物体上实现了100%的成功率——通过简单的控制策略实现——突出了我们的混合软-刚性机器人设计在接触丰富的全身任务中的潜力。
🔬 方法详解
问题定义：现有刚性机器人在接触密集型环境中，由于其刚性结构，难以适应不规则物体，容易产生冲击，并且力分布不均匀，导致操作失败或损坏。混合软体机器人虽然具有一定的适应性，但往往负载能力不足，难以完成实际任务。
核心思路：Baloo的核心思路是结合软体机器人的适应性和刚性机器人的强度，设计一种混合软-刚性机器人躯干。通过软体气动驱动器提供被动柔顺性，从而平滑冲击，分散力，提高对环境的适应能力。同时，利用刚性结构提供足够的支撑和负载能力，保证机器人能够完成高负载任务。
技术框架：Baloo的整体架构包括一个刚性躯干和两个安装在其上的软体气动驱动手臂。手臂由多个气动腔室组成，通过控制气压来控制手臂的运动。控制系统采用简单的控制策略，根据目标物体的形状、尺寸和重量，调整气压，实现抓取和提升。实验中，通过力传感器和视觉系统获取环境信息，用于控制策略的调整。
关键创新：Baloo的关键创新在于其混合软-刚性设计，实现了高负载能力和高适应性的结合。与传统的软体机器人相比，Baloo具有更高的负载能力，能够处理更重的物体。与传统的刚性机器人相比，Baloo具有更好的适应性，能够处理形状不规则的物体，并且能够更好地应对冲击。此外，Baloo采用简单的控制策略，降低了控制的复杂性，提高了系统的鲁棒性。
关键设计：Baloo的关键设计包括气动腔室的形状和排列方式，以及刚性结构的支撑方式。气动腔室的形状和排列方式决定了手臂的运动范围和灵活性。刚性结构的支撑方式决定了机器人的负载能力和稳定性。控制策略采用PID控制，根据目标物体的形状、尺寸和重量，调整PID参数，实现抓取和提升。气压控制范围为0-600kPa，手臂长度为2米，末端执行器有效载荷可达19kg。
📊 实验亮点
Baloo原型机能够提升高达19公斤的末端执行器有效载荷，远超许多混合机器人设计，与同尺寸刚性机器人相比，具有更高的强度重量比。在30次物理全身抓取实验中，Baloo对六个具有不同形状、尺寸和重量的物体实现了100%的抓取成功率，验证了其在接触丰富的全身任务中的潜力。
🎯 应用场景
Baloo的混合软-刚性设计在多个领域具有潜在应用价值，例如：在复杂环境下进行物体抓取和操作，如灾难救援、物流分拣等；在医疗领域进行辅助手术或康复训练；在农业领域进行果蔬采摘等。该研究为开发更安全、更灵活、更智能的机器人系统提供了新的思路。
📄 摘要（原文）
Soft robotic actuators can simplify the design of controllers when operating in contact-rich environments. Importantly, their passive compliance fundamentally alters contact mechanics by smoothing impacts and distributing forces over large areas. By integrating soft actuators, we can perform high-impact, dynamic, and contact-rich tasks that are challenging or impossible for traditional rigid robots. In order to explore the benefits of passive structural compliance and learn to utilize it effectively, we present a prototype robotic torso named Baloo. Baloo's hybrid soft-rigid design incorporates both adaptability from soft components and strength from rigid components with two meter-long, pneumatic robot arms mounted on a rigid torso. The hybrid design is capable of lifting end effector payloads of up to 19 kg, far exceeding many hybrid robot designs. Such payloads are competitive with similar-sized rigid robots, but with a much higher strength-to-weight ratio. Through 30 physical whole-body grasping experiments, we also demonstrate how a simple control strategy can generalize for effective lifting across six challenging objects with diverse shapes, sizes, and weights. A 100% success rate across all objects--achieved with the simple control strategy--underscores the potential of our hybrid soft-rigid robot design for contact-rich, whole-body tasks.