Developing a Mono-Actuated Compliant GeoGami Robot

📄 arXiv: 2509.21445v1 📥 PDF

作者: Archie Webster, Lee Skull, Seyed Amir Tafrishi

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-25

备注: 8 pages, 12 figures, under-review

💡 一句话要点

提出一种单驱动柔性GeoGami机器人，用于形状变换和移动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 折纸机器人 单驱动 柔性机构 形状变换 移动机器人

📋 核心要点

  1. 折纸机器人自由度高，通常需要多个驱动器，增加了控制复杂性与成本。
  2. GeoGami机器人结合折纸表面柔性和几何柔性骨架，通过单驱动器实现形状变换和移动。
  3. 论文展示了GeoGami机器人，建立了刚度模型，并评估了其形状变换和滚动能力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新型软硬结合的机器人平台“GeoGami”。我们利用折纸表面的特性来实现形状收缩，并支持欠驱动形式的移动。一个关键挑战是折纸表面具有很高的自由度，通常需要多个驱动器；我们通过集成表面柔性来解决重复性问题。我们提出了一种单驱动的GeoGami移动平台，该平台结合了折纸表面柔性和几何柔性骨架，使机器人能够使用单个驱动器进行变换和移动。我们展示了该机器人，开发了刚度模型，并描述了中央齿轮箱机构。我们还分析了用于骨架的替代电缆驱动方法，以实现表面变换。最后，我们评估了GeoGami平台的能力，包括形状变换和滚动。该平台为改变形状以进入不同环境以及使用形状变换进行移动的机器人开辟了新的可能性。

🔬 方法详解

问题定义：传统折纸机器人通常需要多个驱动器来控制其复杂的运动和形状变化，这增加了机器人的复杂性、成本和控制难度。论文旨在设计一种仅需单个驱动器的折纸机器人，使其能够实现形状变换和移动，从而简化机器人的结构和控制。

核心思路：论文的核心思路是将折纸表面的柔性与几何柔性骨架相结合，利用单个驱动器控制骨架的运动，进而驱动折纸表面的形状变化。通过巧妙的机械设计，将驱动器的旋转运动转化为机器人整体的形状收缩和滚动运动。

技术框架：GeoGami机器人的整体架构包括：1）折纸表面：提供形状变换的基础；2）几何柔性骨架：连接折纸表面，并将驱动器的运动传递到折纸表面；3）中央齿轮箱机构：将单个驱动器的旋转运动转化为骨架的运动；4）驱动器：提供机器人运动的动力。论文还分析了替代的电缆驱动方法，以进一步实现表面变换。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将折纸表面柔性和几何柔性骨架相结合，实现了单驱动器的折纸机器人。这种设计显著降低了机器人的复杂性和成本，并简化了控制。

关键设计：关键设计包括：1）几何柔性骨架的形状和材料选择，以确保其能够有效地传递驱动器的运动并实现所需的形状变化；2）中央齿轮箱机构的设计，以将驱动器的旋转运动转化为骨架的运动；3）折纸表面的设计，以确保其能够与骨架协同工作并实现所需的形状变换；4）刚度模型的建立，用于分析和优化机器人的性能。

📊 实验亮点

论文展示了GeoGami机器人的形状变换和滚动能力，验证了单驱动器折纸机器人的可行性。通过实验，证明了该机器人能够有效地改变形状并进行移动。此外，论文还建立了刚度模型，为机器人的设计和优化提供了理论基础。虽然论文没有提供具体的性能数据，但其概念验证和初步实验结果表明了该机器人在机器人领域的潜力。

🎯 应用场景

GeoGami机器人具有广泛的应用前景，例如：1) 狭小空间探索：通过改变形状进入狭窄空间进行探测；2) 医疗机器人：在人体内进行微创手术或药物输送；3) 搜救机器人：在灾难现场进行搜索和救援；4) 可变形机器人：根据环境需求改变自身形状以适应不同的任务。

📄 摘要（原文）

This paper presents the design of a new soft-rigid robotic platform, "GeoGami". We leverage origami surface capabilities to achieve shape contraction and to support locomotion with underactuated forms. A key challenge is that origami surfaces have high degrees of freedom and typically require many actuators; we address repeatability by integrating surface compliance. We propose a mono-actuated GeoGami mobile platform that combines origami surface compliance with a geometric compliant skeleton, enabling the robot to transform and locomote using a single actuator. We demonstrate the robot, develop a stiffness model, and describe the central gearbox mechanism. We also analyze alternative cable-driven actuation methods for the skeleton to enable surface transformation. Finally, we evaluate the GeoGami platform for capabilities, including shape transformation and rolling. This platform opens new capabilities for robots that change shape to access different environments and that use shape transformation for locomotion.