Two Degree-of-Freedom Vibratory Transport in a Grasp
作者: C. L. Yako, Shenli Yuan, Kenneth Salisbury
分类: cs.RO
发布日期: 2026-05-29
💡 一句话要点
提出基于非对称振动的二自由度夹持内操作方法，实现零件的精确操控。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 夹持内操作 非对称振动 粘滑效应 二自由度控制 机器人操作
📋 核心要点
- 现有夹持内操作方法在灵活性和控制精度方面存在挑战，难以实现复杂运动。
- 利用非对称振动产生粘滑效应，通过控制振动参数实现对夹持零件的精确操控。
- 实验验证了理论模型的有效性，并展示了在平移和旋转运动中的应用。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种利用非对称振动实现夹持零件的二自由度(DoF)内操作方法。通过闭环位置控制移动表面，产生周期性的粘滑波形，从而实现非对称振动，并将其施加于待操作的零件。我们从理论上分析了两个振动波形参数（粘滞加速度和滑动加速度）在逆重力方向移动时对零件平均速度的影响。通过实验验证了理论趋势，实验中控制了挤压力，并通过高分辨率编码器记录了零件的运动。此外，我们还开发了一种能够在单方向平移和绕表面法线旋转的二自由度振动表面。通过在平行爪夹持器配置中使用两个这样的二自由度表面，我们能够双向平移和旋转各种夹持零件，并证明了平移的波形趋势同样适用于平面旋转。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决夹持物体后，如何在夹持器内部实现物体在两个自由度上的精确操控问题。现有方法可能存在控制精度不足、操作自由度受限等痛点，难以满足复杂操作需求。
核心思路：论文的核心思路是利用非对称振动产生粘滑效应，通过控制振动波形的参数（粘滞加速度和滑动加速度）来调节物体在夹持器内的运动。非对称振动使得物体在不同方向上受到的摩擦力不同，从而产生净运动。
技术框架：该方法主要包含以下几个模块：1) 振动表面的闭环位置控制，用于产生精确的非对称振动波形。2) 理论模型，用于分析振动参数与物体运动速度之间的关系。3) 实验验证，通过高分辨率编码器记录物体运动，验证理论模型的准确性。4) 二自由度振动表面设计，实现平移和旋转运动的控制。5) 平行爪夹持器配置，利用两个二自由度振动表面实现对夹持物体的操控。
关键创新：该方法最重要的技术创新点在于利用非对称振动实现了二自由度的夹持内操作。与传统的夹持内操作方法相比，该方法无需复杂的机械结构，仅通过控制振动波形即可实现对物体的精确操控。此外，理论模型的建立为振动参数的优化提供了依据。
关键设计：关键设计包括：1) 非对称振动波形的设计，需要仔细选择粘滞加速度和滑动加速度的比例，以获得最佳的运动效果。2) 闭环位置控制器的设计，需要保证振动表面的运动精度。3) 实验装置的设计，需要保证挤压力的稳定和运动数据的准确采集。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，通过控制粘滞加速度和滑动加速度，可以精确控制夹持零件的平移和旋转运动。实验验证了理论模型预测的趋势，并展示了在不同零件上的应用。此外，实验还证明了平移的波形趋势同样适用于平面旋转，为进一步优化控制策略提供了依据。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于精密装配、微操作机器人、医疗器械等领域。例如，在精密装配中，可以利用该方法实现对微小零件的精确调整和定位。在医疗器械领域，可以用于微创手术中对组织的精细操作。该技术有望提高自动化操作的灵活性和精度，推动相关领域的发展。
📄 摘要（原文）
In this paper, we use asymmetric vibrations to demonstrate two degree-of-freedom (DoF) in-hand manipulation of grasped parts. The asymmetric vibrations are achieved through closed-loop position control of a moving surface, which applies a periodic stick-slip waveform to the part to be manipulated. We show analytically how two vibratory waveform parameters, the sticking acceleration and the slipping acceleration, affect average part velocity when moving against gravity. The theoretical trends are then validated using an experimental setup where the squeeze force is controlled and part motion is recorded by a high-resolution encoder. We also develop a 2-DoF vibratory surface capable of translation in one direction and rotation about the surface normal. Using two of these 2-DoF surfaces in a parallel jaw gripper configuration, we bidirectionally translate and rotate a variety of grasped parts, as well as demonstrate that the same waveform trends for translation also persist for in-plane rotation.