Improving Grip Stability Using Passive Compliant Microspine Arrays for Soft Robots in Unstructured Terrain
作者: Lauren Ervin, Harish Bezawada, Vishesh Vikas
分类: cs.RO
发布日期: 2025-02-17 (更新: 2025-04-30)
备注: Accepted to IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2025
💡 一句话要点
提出被动柔顺微刺阵列，提升软体机器人在非结构化地形中的抓地稳定性
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 微刺阵列 抓地力 非结构化地形 被动柔顺 运动性能 肌腱驱动
📋 核心要点
- 软体机器人在非结构化地形中移动时，抓地力不足是制约其性能的关键问题。
- 论文提出一种被动柔顺的微刺阵列设计，通过堆叠结构和材料选择，提高抓地力和适应性。
- 实验结果表明，与无微刺机器人相比，配备微刺阵列的机器人平面位移显著提升。
📝 摘要（中文）
微刺抓取器是昆虫腿部常见的微小结构，通过与表面粗糙度啮合来增强剪切力和牵引力，从而强化与表面的相互作用。当将这种微刺阵列集成到机器人的腿部或底盘上时，机器人便能够在不平坦的地形上移动，攀爬斜坡，甚至攀爬墙壁。软体机器人具有的顺应性和适应性使其成为在复杂、非结构化地形中移动的理想选择。然而，软体机器人在从受控实验室环境过渡到实际应用时，仍然存在一个现实差距，即如何通过有效集成微刺来提高抓地稳定性。本文提出了一种被动、柔顺的微刺堆叠阵列设计，以增强移动软体机器人的运动能力，本文案例中使用的是肌腱驱动的软体机器人。我们提供了一种标准化的微刺阵列集成方法，该方法具有有效的软顺刚度集成，并通过单个执行器被动控制它们，从而降低了复杂性。所提出的设计采用两排堆叠的微刺阵列配置，该配置从顶排提供在非常陡峭/不规则表面上的额外抓握能力，同时不影响更频繁活动的底排的有效性。我们探索了微刺阵列的不同配置，以适应不断变化的表面拓扑结构，并使每个微刺能够独立、适应性地抓握粗糙度。在包括混凝土、砖块、压实沙子和树根在内的各种粗糙表面上，使用三个机器人进行了现场测试实验，其中一个是没有微刺的基线机器人，另外两个是具有不同微刺阵列组合的机器人。跟踪结果表明，包含微刺阵列的机器人的平面位移平均增加了15倍和8倍。
🔬 方法详解
问题定义：软体机器人在非结构化地形中移动时，由于其自身的柔性特性，难以产生足够的抓地力，导致运动效率低下甚至无法移动。现有方法通常依赖于复杂的控制策略或昂贵的传感器，但难以兼顾成本、可靠性和适应性。
核心思路：论文的核心思路是借鉴昆虫腿部的微刺结构，设计一种被动式的微刺阵列，利用微刺与地形表面的机械啮合来增加摩擦力，从而提高抓地力。被动式设计无需额外的控制系统，降低了复杂性和成本。柔顺性设计则允许微刺适应不同的表面粗糙度，增强了适应性。
技术框架：该方法主要包含以下几个关键模块：1) 微刺阵列的设计与制造，包括微刺的形状、尺寸、材料选择和排列方式；2) 微刺阵列与软体机器人的集成，需要考虑刚度匹配和连接方式；3) 实验验证，通过在不同地形上测试机器人的运动性能，评估微刺阵列的有效性。整体流程是从设计到制造，再到集成和测试，形成一个完整的闭环。
关键创新：该方法最重要的创新点在于被动柔顺微刺阵列的设计。与传统的固定式抓取器相比，该设计具有更好的适应性和可靠性。堆叠式结构允许顶排微刺在极端陡峭表面提供额外抓地力，同时不影响底排微刺的常用抓地效果。此外，标准化的集成方法降低了应用门槛。
关键设计：微刺阵列的关键设计包括：1) 微刺的材料选择，需要兼顾强度和柔韧性；2) 微刺的排列方式，需要考虑微刺之间的间距和角度，以最大化抓地力；3) 堆叠阵列的层数和间距，以适应不同的地形；4) 柔顺连接的设计，允许微刺在一定范围内自由移动，适应表面粗糙度。具体的参数设置需要根据实际应用场景进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，与没有微刺的基线机器人相比，配备微刺阵列的机器人在混凝土、砖块、压实沙子和树根等粗糙表面上的平面位移平均增加了15倍和8倍。这表明微刺阵列能够显著提高软体机器人在非结构化地形中的运动性能。此外，实验还验证了不同微刺阵列配置的有效性，为实际应用提供了参考。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要在复杂、非结构化地形中移动的软体机器人，例如搜救机器人、勘探机器人、农业机器人等。通过提高机器人的抓地力和运动能力，可以使其在恶劣环境中执行任务，具有重要的实际应用价值和广阔的市场前景。未来，该技术还可以扩展到其他类型的机器人，例如人形机器人和四足机器人。
📄 摘要（原文）
Microspine grippers are small spines commonly found on insect legs that reinforce surface interaction by engaging with asperities to increase shear force and traction. An array of such microspines, when integrated into the limbs or undercarriage of a robot, can provide the ability to maneuver uneven terrains, traverse inclines, and even climb walls. Conformability and adaptability of soft robots makes them ideal candidates for these applications involving traversal of complex, unstructured terrains. However, there remains a real-life realization gap for soft locomotors pertaining to their transition from controlled lab environment to the field by improving grip stability through effective integration of microspines. We propose a passive, compliant microspine stacked array design to enhance the locomotion capabilities of mobile soft robots, in our case, ones that are motor tendon actuated. We offer a standardized microspine array integration method with effective soft-compliant stiffness integration, and reduced complexity resulting from a single actuator passively controlling them. The presented design utilizes a two-row, stacked microspine array configuration that offers additional gripping capabilities on extremely steep/irregular surfaces from the top row while not hindering the effectiveness of the more frequently active bottom row. We explore different configurations of the microspine array to account for changing surface topologies and enable independent, adaptable gripping of asperities per microspine. Field test experiments are conducted on various rough surfaces including concrete, brick, compact sand, and tree roots with three robots consisting of a baseline without microspines compared against two robots with different combinations of microspine arrays. Tracking results indicate that the inclusion of microspine arrays increases planar displacement on average by 15 and 8 times.