Flexible and Foldable: Workspace Analysis and Object Manipulation Using a Soft, Interconnected, Origami-Inspired Actuator Array
作者: Bailey Dacre, Rodrigo Moreno, Serhat Demirtas, Ziqiao Wang, Yuhao Jiang, Jamie Paik, Kasper Stoy, Andrés Faíña
分类: cs.RO
发布日期: 2025-09-17 (更新: 2025-09-26)
💡 一句话要点
提出一种基于软性互连折纸结构的柔性分布式操作器阵列，用于提升物体操作能力。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 分布式操作器系统 折纸结构 柔性机器人 物体操作 机器人瓦片
📋 核心要点
- 现有分布式操作器系统依赖高密度执行器，限制了物体与执行器比例的适应性，增加了系统复杂度和成本。
- 该论文提出一种基于折纸结构的柔性互连执行器阵列，利用柔性表面实现连续可控的操作，降低执行器密度。
- 实验证明，该设计在不增加执行器数量的情况下，可将物体可操作面积提升1.84倍，验证了其有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新型的分布式操作器系统(DMS)设计，该设计利用由柔性表面层互连的3自由度折纸结构机器人瓦片阵列。与传统的DMS不同，该方法不仅可以在执行器末端进行操作，还可以在连接所有执行器的柔性表面上进行操作，从而创建一个连续、可控的操作表面。我们分析了这种系统的组合工作空间，推导出了简单的运动原语，并展示了其在瓦片阵列上平移简单几何对象的能力。通过利用瓦片间的连接材料，我们的方法显著降低了执行器密度，在不增加执行器数量的情况下，将物体可操作的面积提高了1.84倍。这种设计为传统的高密度阵列提供了一种成本更低、复杂性更低的替代方案，并为利用互连表面灵活性的操作策略带来了新的机会。
🔬 方法详解
问题定义：现有的分布式操作器系统（DMS）通常需要高密度的执行器阵列才能实现复杂的物体操作任务。这种高密度设计增加了系统的复杂性和成本，并且对物体与执行器之间的比例提出了限制，降低了系统的适应性。因此，需要一种更灵活、更低成本的DMS设计，能够在更广阔的区域内操作物体，同时降低执行器的密度。
核心思路：该论文的核心思路是利用柔性材料将多个独立的折纸结构机器人瓦片连接起来，形成一个柔性的互连执行器阵列。这种设计不仅可以在执行器末端进行操作，还可以利用柔性表面实现连续的操作，从而降低了对执行器密度的需求。通过折纸结构的设计，每个瓦片可以实现3自由度的运动，从而实现对物体的精确控制。
技术框架：该系统的整体架构包括一个由多个3自由度折纸结构机器人瓦片组成的阵列，这些瓦片通过柔性表面层互连。控制系统负责协调各个瓦片的运动，实现对物体的操作。具体流程包括：1）感知物体的位置和姿态；2）规划瓦片的运动轨迹；3）控制瓦片执行运动；4）反馈物体的位置和姿态，进行闭环控制。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将折纸结构、柔性材料和分布式操作器系统相结合。传统的DMS通常依赖于刚性的执行器阵列，而该论文提出的设计利用柔性表面实现了连续的操作，降低了对执行器密度的需求。此外，折纸结构的设计使得每个瓦片可以实现3自由度的运动，从而提高了操作的灵活性。
关键设计：关键设计包括：1）折纸结构的具体设计，包括折叠方式、材料选择等，以实现所需的运动范围和承载能力；2）柔性连接层的材料选择和几何设计，以保证瓦片之间的协调运动和操作的稳定性；3）控制算法的设计，包括运动规划、力控制等，以实现对物体的精确操作。具体的参数设置和网络结构等技术细节在论文中未详细描述，属于未知信息。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该设计在不增加执行器数量的情况下，可以将物体可操作的面积提高1.84倍。这表明该设计能够有效地降低执行器密度，提高操作效率。此外，实验还验证了该系统在平移简单几何物体方面的能力，证明了其可行性和有效性。具体的性能数据和对比基线在论文中未详细描述，属于未知信息。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于柔性制造、医疗康复、物流分拣等领域。在柔性制造中，该系统可以用于操作各种形状和尺寸的零件。在医疗康复中，可以辅助患者进行精细动作训练。在物流分拣中，可以用于快速、准确地分拣不同类型的物品。该研究有望推动柔性机器人技术的发展，并为相关行业带来新的机遇。
📄 摘要（原文）
Object manipulation is a fundamental challenge in robotics, where systems must balance trade-offs among manipulation capabilities, system complexity, and throughput. Distributed manipulator systems (DMS) use the coordinated motion of actuator arrays to perform complex object manipulation tasks, seeing widespread exploration within the literature and in industry. However, existing DMS designs typically rely on high actuator densities and impose constraints on object-to-actuator scale ratios, limiting their adaptability. We present a novel DMS design utilizing an array of 3-DoF, origami-inspired robotic tiles interconnected by a compliant surface layer. Unlike conventional DMS, our approach enables manipulation not only at the actuator end effectors but also across a flexible surface connecting all actuators; creating a continuous, controllable manipulation surface. We analyse the combined workspace of such a system, derive simple motion primitives, and demonstrate its capabilities to translate simple geometric objects across an array of tiles. By leveraging the inter-tile connective material, our approach significantly reduces actuator density, increasing the area over which an object can be manipulated by x1.84 without an increase in the number of actuators. This design offers a lower cost and complexity alternative to traditional high-density arrays, and introduces new opportunities for manipulation strategies that leverage the flexibility of the interconnected surface.