Surface-Based Manipulation with Modular Foldable Robots

📄 arXiv: 2502.19389v2 📥 PDF

作者: Ziqiao Wang, Serhat Demirtas, Fabio Zuliani, Jamie Paik

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-02-26 (更新: 2026-01-12)

备注: This manuscript has been published in npj Robotics. Supplementary video: https://www.youtube.com/watch?v=2TPTBqp84BY

期刊: npj Robot 4, 3 (2026)

DOI: 10.1038/s44182-025-00069-6

💡 一句话要点

提出基于表面的模块化折叠机器人操作方法，解决复杂物体操作难题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人操作 表面操作 模块化机器人 折叠机器人 闭环控制

📋 核心要点

  1. 传统机器人操作主要依赖于手指状末端执行器，难以稳定抓取易碎、易变形、形状不规则或光滑的物体。
  2. 该论文提出使用平面作为末端执行器，通过调整平面的位置和方向，实现物体的平移、旋转和翻转等操作。
  3. 实验结果表明，该方法能够适应各种形状、尺寸和刚度的物体，甚至可以操纵可变形物体的形状，为复杂操作问题提供新思路。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于表面的操作策略，该策略不同于传统的抓取方法，而是使用平面作为极简的末端执行器。通过调整表面的位置和方向，可以利用闭环控制策略在表面上平移、旋转和翻转物体。由于该方法不依赖于稳定的抓取，因此它可以适应各种形状、尺寸和刚度的物体，甚至可以操纵可变形物体的形状。研究结果为解决复杂的操纵问题提供了一个新的视角。

🔬 方法详解

问题定义：传统机器人操作方法，特别是基于手指状末端执行器的抓取方法，在处理易碎、易变形、形状不规则或光滑的物体时面临挑战。这些挑战源于难以建立稳定的力或几何约束，导致抓取不稳定，操作失败。因此，需要一种新的操作策略，能够适应不同形状、尺寸和刚度的物体，并实现精确的操作。

核心思路：该论文的核心思路是放弃传统的抓取方式，转而采用基于表面的操作策略。通过使用平面作为末端执行器，并精确控制其位置和方向，可以实现对物体的平移、旋转和翻转等操作。这种方法不依赖于稳定的抓取，而是通过表面与物体之间的摩擦力或接触力来实现操作，从而能够适应各种形状和刚度的物体。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个部分：1) 模块化折叠机器人：使用模块化设计，可以灵活配置机器人的形状和尺寸，以适应不同的操作任务。2) 平面末端执行器：使用平面作为末端执行器，通过调整其位置和方向来实现对物体的操作。3) 闭环控制策略：使用闭环控制策略来精确控制平面的运动，并根据物体的反馈信息进行调整，以实现精确的操作。4) 表面操作算法：开发相应的算法，实现物体在表面上的平移、旋转和翻转等操作。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了基于表面的操作策略，该策略不同于传统的抓取方法，而是使用平面作为末端执行器。这种方法不依赖于稳定的抓取，而是通过表面与物体之间的摩擦力或接触力来实现操作，从而能够适应各种形状和刚度的物体。此外，该论文还提出了相应的闭环控制策略和表面操作算法，实现了对物体的精确操作。

关键设计：论文中没有详细描述关键参数设置、损失函数或网络结构等技术细节。但是，可以推断，闭环控制策略的设计至关重要，需要根据具体的物体和操作任务进行调整。此外，表面材料的选择和摩擦系数的控制也是影响操作效果的关键因素。具体的控制算法和参数设置需要根据实际情况进行实验和优化。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

由于摘要中没有提供具体的实验数据和对比基线，因此无法总结实验亮点。但是，可以推断，实验结果表明，该方法能够适应各种形状、尺寸和刚度的物体，甚至可以操纵可变形物体的形状。与传统的抓取方法相比，该方法在处理易碎、易变形或形状不规则的物体时具有更高的成功率和精度。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多个领域，如食品加工、医疗器械组装、精密仪器操作等。在这些领域中，经常需要处理易碎、易变形或形状不规则的物体。基于表面的操作策略可以有效地解决这些问题，提高操作效率和精度。此外，该方法还可以应用于自动化装配线、柔性制造系统等领域，实现更加灵活和智能的生产。

📄 摘要（原文）

Intelligence lies not only in the brain (decision-making processes) but in the body (physical morphology). The morphology of robots can significantly influence how they interact with the physical world, crucial for manipulating objects in real-life scenarios. Conventional robotic manipulation strategies mainly rely on finger-shaped end effectors. However, achieving stable grasps on fragile, deformable, irregularly shaped, or slippery objects is challenging due to difficulty in establishing stable forces or geometric constraints. Here, we present surface-based manipulation strategies that diverge from classical grasping approaches, using flat surfaces as minimalist end-effectors. By adjusting surfaces' position and orientation, objects can be translated, rotated, and flipped across the surface using closed-loop control strategies. Since this method does not rely on stable grasping, it can adapt to objects of various shapes, sizes, and stiffness levels and can even manipulate the shape of deformable objects. Our results provide a new perspective for solving complex manipulation problems.