Continuously Stable Structure through Plastic Deformation

📄 arXiv: 2607.15659 📥 PDF

作者: Junlong Xiao, Yaoqiang Pan, Xuan Zhang, Michael Yu Wang, Chao Chen

分类: cs.RO

发布日期: 2026-07-20

💡 一句话要点

提出连续稳定结构以解决软抓手稳定性问题

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 软机器人 塑性变形 稳定性 抓手设计 动态环境 仿生设计 金属结构 机器人应用

📋 核心要点

  1. 现有软抓手在动态环境中稳定性不足，容易在加速或外部干扰下导致抓取失败。
  2. 提出通过塑性变形实现的连续稳定结构（CSSPD），无需能量输入即可维持稳定配置，增强抓手的刚度。
  3. 实验表明，该抓手在无能量输入下可维持16 N的被动保持力，并在高达400 m/s²的脉冲加速度下保持稳定。

📝 摘要（中文）

软机器人因其固有的柔性和适应性在交互任务中得到了广泛应用。然而，这些优势往往以稳定性为代价，尤其是在动态环境中，软抓手在加速或外部干扰下容易导致抓取失败。本文提出了一种通过塑性变形实现的连续稳定结构（CSSPD），集成于软抓手中。该结构利用塑性变形机制，无需能量输入即可保持连续配置，同时增加的刚度确保了静态和动态稳定性。我们引入了一种仿生爪垫，显著增强了稳定性并实现基于传感的快速物体抓取。实验结果表明，该抓手在无能量输入的情况下能够维持高达16 N的被动保持力，性能可与0.3 MPa的气动驱动相媲美。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决软抓手在动态环境中的稳定性问题，现有方法在加速或外部干扰下容易导致抓取失败。

核心思路：提出一种通过塑性变形实现的连续稳定结构（CSSPD），该结构无需能量输入即可保持稳定配置，同时增强抓手的刚度以确保稳定性。

技术框架：整体架构包括塑性变形机制、仿生爪垫设计和金属层的kirigami结构优化，确保抓手在不同环境下的稳定性和适应性。

关键创新：最重要的技术创新在于利用塑性变形机制实现连续稳定配置，解决了传统软抓手在动态环境中的稳定性不足问题。

关键设计：在设计中，抓手的刚度通过优化金属层的kirigami结构来增强，同时引入仿生爪垫以提升抓取稳定性和传感能力。实验验证了该设计的有效性。

📊 实验亮点

实验结果显示，该抓手在无能量输入的情况下能够维持高达16 N的被动保持力，性能与0.3 MPa的气动驱动相当。此外，在高达400 m/s²的脉冲加速度下仍能保持稳定，展现出优异的动态性能。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括移动机器人、自动化抓取系统和人机交互等。通过提高软抓手的稳定性和适应性，能够在复杂环境中实现更高效的物体抓取与操作，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

Soft robots have seen widespread adoption in interactive tasks due to their inherent compliance and adaptability. However, these advantages often come at the cost of stability, posing challenges in a dynamic environment. This limitation is especially critical in soft grippers, where instability under acceleration or external disturbances can result in grasp failure. In this study, we present a continuously stable structure through plastic deformation (CSSPD), integrated into a soft gripper. By leveraging the mechanism of plastic deformation, the gripper maintains continuous configurations without energy input, while the added stiffness ensures both static and dynamic stability. We introduce a bioinspired paw pad that significantly enhances stability and enables sensing-based rapid object grasping. Then we develop the mathematical model and optimize the kirigami structure of the metal layer. Experimental results show that the gripper can sustain a passive holding force of up to 16 N without energy input, achieving performance comparable to pneumatic actuation at 0.3 MPa. When combined with pneumatic actuation, it remains stable under pulsed accelerations of up to 400 m/s^2. It can also passively perch on tree branches for extended periods without power, demonstrating promise for mobile robotic applications.