Multi-Modular MANTA-RAY: A Modular Soft Surface Platform for Distributed Multi-Object Manipulation
作者: Pratik Ingle, Jørn Lambertsen, Kasper Støy, Andres Faina
分类: cs.RO
发布日期: 2026-01-29
备注: 8 pages
💡 一句话要点
提出多模块MANTA-RAY软表面平台，用于分布式多物体操作，提升可扩展性。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 操纵表面 多模块系统 分布式控制 物体操纵
📋 核心要点
- 现有操纵表面方法自由度高，系统复杂且难以扩展，限制了其在实际场景中的应用。
- 提出多模块MANTA-RAY平台，通过软性织物表面和降低的致动器密度，实现对脆弱和异构物体的操纵。
- 实验验证了该平台在不同模块配置下的性能，并展示了其在操纵多种物体和并行操作方面的能力。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种分布式、模块化且可扩展的MANTA-RAY平台，该平台利用具有较低致动器密度的软性织物表面来操纵脆弱且异构的物体。之前的研究主要集中在由四个致动器支持的单模块实现上，而可扩展的多模块配置的可行性和优势仍未被探索。该平台采用模块间的物体传递和几何变换驱动的PID控制器，该控制器直接将倾斜角度控制输出映射到致动器命令，无需大量的数据驱动或黑盒训练。通过在不同模块（3x3和4x4）的表面配置中进行仿真评估，并通过物理2x2硬件原型上的实验验证了其可行性。该系统成功地操纵了具有不同几何形状、质量和纹理的物体，包括鸡蛋和苹果等易碎物品，并实现了并行操作。结果表明，多模块MANTA-RAY提高了可扩展性，并能够协调多个物体在更大区域上的操作，突出了其在实际应用中的潜力。
🔬 方法详解
问题定义：现有操纵表面方法依赖于密集的致动器阵列，导致自由度过高，系统复杂性增加，并且难以扩展到更大的工作区域。这限制了它们在实际应用中处理各种形状、大小和脆弱物体的能力。
核心思路：本文的核心思路是将操纵表面分解为多个模块，每个模块具有较低的致动器密度，并通过模块间的协作来实现对物体的操纵。这种模块化设计降低了单个模块的复杂性，并允许通过增加模块数量来扩展工作区域。
技术框架：多模块MANTA-RAY平台由多个独立的软性织物模块组成，每个模块配备一定数量的致动器。物体通过模块间的传递进行移动。控制策略采用几何变换驱动的PID控制器，该控制器将期望的倾斜角度映射到各个致动器的控制信号。整体流程包括：1) 感知物体的位置和姿态；2) 规划模块间的传递路径；3) 使用PID控制器控制每个模块的致动器，实现物体的移动和姿态调整。
关键创新：该平台的关键创新在于其模块化设计和几何变换驱动的PID控制策略。模块化设计降低了系统的复杂性，提高了可扩展性。几何变换驱动的PID控制器避免了复杂的模型训练，简化了控制器的设计和调试。
关键设计：每个模块的致动器数量是关键参数，需要在操纵能力和系统复杂性之间进行权衡。PID控制器的参数需要根据具体的模块和物体进行调整。模块间的连接方式也需要仔细设计，以保证物体传递的平稳性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，多模块MANTA-RAY平台能够成功操纵各种形状、质量和纹理的物体，包括鸡蛋和苹果等易碎物品。通过2x2硬件原型验证了该平台的可行性，并在仿真环境中评估了3x3和4x4模块配置的性能。该平台还能够实现并行操作，同时操纵多个物体，提高了操作效率。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于自动化装配、物流分拣、食品处理等领域。特别是在需要处理易碎或形状不规则物体的场景中，该平台具有独特的优势。未来，可以通过集成视觉感知和更高级的控制算法，进一步提高该平台的智能化水平和应用范围。
📄 摘要（原文）
Manipulation surfaces control objects by actively deforming their shape rather than directly grasping them. While dense actuator arrays can generate complex deformations, they also introduce high degrees of freedom (DOF), increasing system complexity and limiting scalability. The MANTA-RAY (Manipulation with Adaptive Non-rigid Textile Actuation with Reduced Actuation densitY) platform addresses these challenges by leveraging a soft, fabric-based surface with reduced actuator density to manipulate fragile and heterogeneous objects. Previous studies focused on single-module implementations supported by four actuators, whereas the feasibility and benefits of a scalable, multi-module configuration remain unexplored. In this work, we present a distributed, modular, and scalable variant of the MANTA-RAY platform that maintains manipulation performance with a reduced actuator density. The proposed multi-module MANTA-RAY platform and control strategy employs object passing between modules and a geometric transformation driven PID controller that directly maps tilt-angle control outputs to actuator commands, eliminating the need for extensive data-driven or black-box training. We evaluate system performance in simulation across surface configurations of varying modules (3x3 and 4x4) and validate its feasibility through experiments on a physical 2x2 hardware prototype. The system successfully manipulates objects with diverse geometries, masses, and textures including fragile items such as eggs and apples as well as enabling parallel manipulation. The results demonstrate that the multi-module MANTA-RAY improves scalability and enables coordinated manipulation of multiple objects across larger areas, highlighting its potential for practical, real-world applications.