A Reconfigurable Pneumatic Joint Enabling Localized Selective Stiffening and Shape Locking in Vine-Inspired Robots
作者: Ayodele James Oyejide, Ustaz A. Yaqub, Samir Erturk, Eray A. Baran, Fabio Stroppa
分类: cs.RO
发布日期: 2026-04-17
备注: Original Article
💡 一句话要点
提出可重构气动关节，实现仿生软体机器人局部选择性刚度和形状锁定
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 气动关节 可重构刚度 藤蔓机器人 形状锁定
📋 核心要点
- 藤蔓机器人虽然能在狭窄空间安全导航，但轴向刚度低，承载能力差，难以保持转向后的形状。
- 论文提出可重构气动关节（RPJ），通过局部加压气室增加弯曲刚度，实现全局柔顺和局部刚性的解耦。
- 实验表明，该机器人能有效保持形状，减少重力挠度，并能可靠地运输有效载荷，适用于物体分类等操作任务。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种可重构气动关节（RPJ）结构，该结构能够在不影响连续生长的前提下，沿机器人本体引入离散的、压力可调的刚度。每个RPJ模块包含对称分布的气动腔室，这些腔室在加压时可局部增加弯曲刚度，从而实现全局柔顺性和局部刚性之间的解耦。我们将RPJ集成到具有肌腱驱动转向的软体生长机器人中，并开发了一个紧凑的基站用于空中外翻。系统特性和实验验证表明，外翻所需的压力适中，局部刚度和转向性能与层叠阻塞机制相当。演示进一步表明，所提出的机器人实现了弯曲过程中更好的形状保持、负载下更小的重力挠度、级联收缩，以及在自由空间中可靠地运输高达202克的有效载荷。RPJ机制为结构自适应藤蔓机器人提供了一条通往面向操作任务的实用途径，例如在无约束环境中进行物体分类和自适应探索。
🔬 方法详解
问题定义：现有藤蔓机器人在自由空间部署时，由于轴向刚度低、承载能力差，以及无法在转向期间和之后保持形状，导致其应用受到限制。尤其是在需要进行操作任务（如物体分类）时，这些缺点更加明显。现有方法，如层叠阻塞机制，虽然可以增加刚度，但在全局柔顺性方面有所牺牲。
核心思路：论文的核心思路是引入可重构气动关节（RPJ），通过局部控制气压来调节机器人的刚度。这种设计允许机器人在需要时增加局部刚度以保持形状或承载负载，而在其他时候保持柔顺性以进行导航和生长。通过对称分布的气动腔室，可以实现弯曲刚度的局部增加，从而解耦全局柔顺性和局部刚性。
技术框架：该机器人系统主要包括三个部分：RPJ模块、肌腱驱动转向机构和紧凑型基站。RPJ模块沿机器人本体分布，每个模块包含多个气动腔室。肌腱驱动转向机构用于控制机器人的生长方向。紧凑型基站用于提供气压和控制信号，并支持机器人在空中进行外翻生长。整体流程是：首先，通过基站控制机器人进行外翻生长；然后，通过肌腱驱动转向机构控制生长方向；最后，根据需要，通过控制RPJ模块中的气压来调节机器人的局部刚度。
关键创新：该论文的关键创新在于RPJ的设计，它允许在软体机器人中实现离散的、压力可调的刚度。与传统的刚度调节方法（如层叠阻塞）相比，RPJ能够更好地解耦全局柔顺性和局部刚性，从而在保持机器人灵活性的同时，提高其承载能力和形状保持能力。此外，紧凑型基站的设计也为机器人在复杂环境中的部署提供了便利。
关键设计：RPJ模块的关键设计包括气动腔室的对称分布和压力控制策略。对称分布的气动腔室可以确保在增加刚度的同时，不会对机器人的弯曲方向产生影响。压力控制策略需要根据具体的任务需求进行调整，以实现最佳的刚度和柔顺性平衡。此外，肌腱驱动转向机构的设计也需要考虑机器人的整体尺寸和运动范围。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机器人具有良好的形状保持能力和承载能力。在弯曲过程中，RPJ能够有效减少重力引起的挠度。此外，该机器人能够可靠地运输高达202克的有效载荷，这表明其在实际应用中具有一定的实用性。与层叠阻塞机制相比，RPJ在局部刚度和转向性能方面表现出相当的水平，同时保持了更好的全局柔顺性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种场景，如灾后搜救、狭窄空间探索、以及物体分类和操作等。结构自适应的藤蔓机器人能够进入人类难以到达的区域，并根据环境需求调整自身刚度，从而完成复杂的任务。例如，在物体分类任务中，机器人可以利用其柔顺性抓取不同形状的物体，并通过增加局部刚度来稳定地运输这些物体。未来，该技术有望在医疗、工业检测等领域发挥重要作用。
📄 摘要（原文）
Vine-inspired robots achieve large workspace coverage through tip eversion, enabling safe navigation in confined and cluttered environments. However, their deployment in free space is fundamentally limited by low axial stiffness, poor load-bearing capacity, and the inability to retain shape during and after steering. In this work, we propose a reconfigurable pneumatic joint (RPJ) architecture that introduces discrete, pressure-tunable stiffness along the robot body without compromising continuous growth. Each RPJ module comprises symmetrically distributed pneumatic chambers that locally increase bending stiffness when pressurized, enabling decoupling between global compliance and localized rigidity. We integrate the RPJs into a soft growing robot with tendon-driven steering and develop a compact base station for mid-air eversion. System characterization and experimental validation demonstrate moderate pressure requirements for eversion, as well as comparable localized stiffening and steering performance to layer-jamming mechanisms. Demonstrations further show that the proposed robot achieves improved shape retention during bending, reduced gravitational deflection under load, cascading retraction, and reliable payload transport up to 202 g in free space. The RPJ mechanism establishes a practical pathway toward structurally adaptive vine robots for manipulation-oriented tasks such as object sorting and adaptive exploration in unconstrained environments.