Stochastic Entanglement of Deterministic Origami Tentacles For Universal Robotic Gripping
作者: Alec Boron, Bokun Zheng, Ziyang Zhou, Noel Naughton, Suyi Li
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-04-29
💡 一句话要点
提出基于确定性折纸触手随机缠绕的通用机器人抓取器
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 折纸机器人 机器人抓取 肌腱驱动 随机缠绕 通用抓取
📋 核心要点
- 现有折纸机器人抓取器在动态环境中抓取随机形状物体时，通常需要额外的驱动通道和复杂的控制。
- 本文提出一种肌腱驱动的折纸触手抓取器，利用确定性形变编程和随机缠绕的协同作用实现通用抓取。
- 通过仿真和实验验证了该折纸触手抓取器在重力、水下环境以及模拟在轨环境下的物体抓取能力。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于折纸的肌腱驱动触手抓取器，它通过局部确定性形变编程和全局随机缠绕的协同作用，实现了通用物体抓取。每个折纸触手由薄的Mylar片制成，具有用于肌腱布线的孔、用于控制形变的折纸折痕和锥形形状。通过调整这些设计特征，可以预先设定收缩、弯曲和扭转形变，最终通过简单的肌腱拉动产生确定性的卷绕。当多个卷绕触手靠近时，会产生随机缠绕，使触手能够编织、打结和抓取具有随机形状的物体。通过将折纸力学与Cosserat杆集成，推导出一个仿真模型，以关联折纸设计、肌腱形变及其集体抓取性能。实验测试了这些卷绕和缠绕的折纸触手如何在重力下和水中抓取物体。还测试了一种收放式部署机制，以模拟在轨抓取。总的来说，这种有趣的折纸触手抓取器为通过简单的设计和驱动实现鲁棒的物体抓取提供了一种新的策略。
🔬 方法详解
问题定义：现有折纸抓取器在抓取随机形状物体时，往往需要复杂的控制系统和多个驱动器，增加了成本和复杂性。本文旨在设计一种简单、鲁棒的折纸抓取器，能够适应各种形状的物体，并能在复杂环境下工作。
核心思路：本文的核心思路是结合确定性的折纸形变和随机的触手缠绕。通过精心设计的折纸结构和肌腱驱动，每个触手可以实现预定的卷绕动作。多个触手协同工作时，会产生随机的缠绕，从而能够适应不同形状的物体。这种方法简化了控制，提高了抓取的鲁棒性。
技术框架：该抓取器的整体架构包括：1) 折纸触手的设计，包括材料选择、折痕设计、肌腱布线等；2) 肌腱驱动系统，用于控制触手的卷绕；3) 仿真模型，用于优化折纸设计和预测抓取性能；4) 实验验证，包括在不同环境下的物体抓取测试。
关键创新：该方法最重要的创新点在于将确定性的折纸形变与随机的触手缠绕相结合。传统的折纸抓取器通常依赖于精确的控制和预定义的抓取策略，而本文提出的方法通过随机缠绕来适应不同的物体形状，降低了对控制精度的要求。
关键设计：折纸触手的关键设计包括：1) 使用薄的Mylar片作为材料，保证柔性和强度；2) 精心设计的折痕，控制触手的卷绕方向和形状；3) 合理的肌腱布线，实现高效的驱动；4) 锥形形状，有利于触手的缠绕和抓取。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该折纸触手抓取器能够在重力下和水中成功抓取各种形状的物体。此外，收放式部署机制的测试表明，该抓取器具有在轨抓取的潜力。仿真结果与实验结果吻合，验证了仿真模型的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要通用物体抓取的场景，例如：水下机器人抓取、太空垃圾清理、医疗手术辅助、以及自动化生产线上的零件抓取。该设计具有结构简单、驱动方便、适应性强的优点，未来有望在复杂和非结构化环境中发挥重要作用。
📄 摘要（原文）
Origami-inspired robotic grippers have shown promising potential for object manipulation tasks due to their compact volume and mechanical flexibility. However, robust capture of objects with random shapes in dynamic working environments often comes at the cost of additional actuation channels and control complexity. Here, we introduce a tendon-driven origami tentacle gripper capable of universal object gripping by exploiting a synergy between local, deterministic deformation programming and global, stochastic entanglements. Each origami tentacle is made by cutting thin Mylar sheets; It features carefully placed holes for routing an actuation tendon, origami creases for controlling the deformation, and a tapered shape. By tailoring these design features, one can prescribe the shrinking, bending, and twisting deformation, eventually creating deterministic coiling with a simple tendon pull. Then, when multiple coiling tentacles are placed in proximity, stochastic entanglement emerges, allowing the tentacles to braid, knot, and grip objects with random shapes. We derived a simulation model by integrating origami mechanics with Cosserat rods to correlate origami design, tendon deformation, and their collective gripping performance. Then, we experimentally tested how these coiling and entangling origami tentacles can grasp objects under gravity and in water. A stow-and-release deployment mechanism was also tested to simulate in-orbit grasping. Overall, the entertaining origami tentacle gripper presents a new strategy for robust object grasping with simple design and actuation.