Reconfigurable Auxetic Devices (RADs) for Robotic Surface Manipulation
作者: Jacob Miske, Ahyan Maya, Ahnaf Inkiad, Jeffrey Ian Lipton
分类: cs.RO
发布日期: 2025-11-24
备注: 13 pages, 9 figures
💡 一句话要点
提出可重构负泊松比设备(RADs)用于机器人表面操作，实现可变形界面
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 负泊松比 拉胀结构 可重构机器人 表面操作 柔性机器人
📋 核心要点
- 传统机器人表面操作依赖正泊松比材料，限制了界面的变形能力和灵活性。
- 论文提出可重构拉胀晶格结构，通过负泊松比特性实现表面的可控膨胀和收缩。
- 实验验证了该结构在可变表面一致性方面的能力，并与简化模型进行了对比验证。
📝 摘要（中文）
传统的机器人表面操作通常使用正泊松比材料进行推拉。本文提出使用具有负泊松比的拉胀材料，其在拉伸时可在多个方向上膨胀，从而实现可变形的界面。论文展示了用于机器人表面操作的可重构拉胀晶格。该方法通过可重构锁定或嵌入式伺服来控制形状，这些伺服驱动拉胀晶格结构。局部晶格区域的可变膨胀由单元格之间的间隙实现。论文展示了可变表面一致性的演示以及表征指标。实验结果通过系统的简化模型进行验证，该模型使用激活函数来模拟具有间隙的单元间耦合。结果表明，可重构拉胀结构可以通过可变的表面收缩和膨胀来实现操作。与先前关于拉胀材料的工作相比，该结构保持了间隙的顺应性，为表面操作的自适应机器人结构开辟了新的机会。
🔬 方法详解
问题定义：现有机器人表面操作方法主要依赖于正泊松比材料，这些材料在拉伸时仅在一个方向上收缩，限制了机器人与复杂表面交互的能力。这种方法缺乏适应性和灵活性，难以处理需要高度形变或顺应性的操作任务。
核心思路：论文的核心思路是利用负泊松比（拉胀）材料的特性，即在拉伸时在垂直方向上膨胀。通过设计可重构的拉胀晶格结构，可以实现对机器人表面形状的精确控制，使其能够更好地适应和操作各种表面。这种设计允许局部区域的独立膨胀和收缩，从而实现更复杂的操作。
技术框架：该方法主要包含以下几个关键模块：1) 可重构拉胀晶格结构的设计，包括单元格的几何形状和连接方式；2) 驱动机制，使用可重构锁定或嵌入式伺服来控制晶格的形变；3) 控制算法，用于根据目标表面形状或操作任务，精确控制每个单元格的膨胀和收缩；4) 建模与仿真，建立系统的简化模型，用于预测和优化结构的性能。
关键创新：该论文的关键创新在于将可重构性引入到拉胀结构中，使其能够根据不同的任务需求动态调整表面形状。与传统的固定拉胀结构相比，这种可重构性大大提高了机器人的适应性和操作能力。此外，论文还考虑了单元格之间的间隙（backlash）对结构性能的影响，并提出了相应的建模方法。
关键设计：关键设计包括：1) 晶格单元的设计，需要考虑材料的负泊松比效应、可重构性和制造可行性；2) 驱动机制的选择，需要平衡控制精度、响应速度和成本；3) 控制算法的设计，需要考虑单元格之间的耦合关系和间隙的影响；4) 激活函数的设计，用于模拟单元间耦合与间隙，影响模型精度。
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的可重构拉胀结构能够实现可变的表面收缩和膨胀，从而实现对物体的操作。通过控制晶格单元的形变，可以实现对表面的精确控制，并使其能够适应不同的表面形状。实验结果与简化模型预测的结果相吻合，验证了模型的有效性。该结构在保持顺应性的同时，实现了可重构性，为自适应机器人结构开辟了新的可能性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种领域，如医疗机器人（用于微创手术或康复训练）、柔性夹爪（用于抓取易碎或形状不规则的物体）、自适应蒙皮（用于飞行器或水下机器人，以优化气动或水动力性能）以及可穿戴设备（用于提供个性化的支撑或保护）。未来，该技术有望推动机器人与环境交互方式的变革，实现更安全、高效和智能的操作。
📄 摘要（原文）
Robotic surfaces traditionally use materials with a positive Poisson's ratio to push and pull on a manipulation interface. Auxetic materials with a negative Poisson's ratio may expand in multiple directions when stretched and enable conformable interfaces. Here we demonstrate reconfigurable auxetic lattices for robotic surface manipulation. Our approach enables shape control through reconfigurable locking or embedded servos that underactuate an auxetic lattice structure. Variable expansion of local lattice areas is enabled by backlash between unit cells. Demonstrations of variable surface conformity are presented with characterization metrics. Experimental results are validated against a simplified model of the system, which uses an activation function to model intercell coupling with backlash. Reconfigurable auxetic structures are shown to achieve manipulation via variable surface contraction and expansion. This structure maintains compliance with backlash in contrast with previous work on auxetics, opening new opportunities in adaptive robotic structures for surface manipulation tasks.