FlexiCup: Wireless Multimodal Suction Cup with Dual-Zone Vision-Tactile Sensing

📄 arXiv: 2511.14139v1 📥 PDF

作者: Junhao Gong, Shoujie Li, Kit-Wa Sou, Changqing Guo, Hourong Huang, Tong Wu, Yifan Xie, Chenxin Liang, Chuqiao Lyu, Xiaojun Liang, Wenbo Ding

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-18

💡 一句话要点

FlexiCup：集成双区视觉-触觉传感的无线多模态吸盘，用于非结构化环境下的接触感知操作。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 多模态传感 吸盘机器人 视觉触觉融合 接触感知 无线机器人

📋 核心要点

  1. 传统吸盘缺乏在非结构化环境中进行接触感知操作的能力，限制了其应用。
  2. FlexiCup通过集成双区视觉-触觉传感，并结合真空和伯努利吸取模式，实现了无线自主操作。
  3. 实验表明，FlexiCup在不同任务中表现出良好的性能，并且多头注意力机制能有效提升接触感知操作能力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种名为FlexiCup的完全无线多模态吸盘，它集成了双区视觉-触觉传感，旨在解决传统吸盘在非结构化环境中缺乏接触感知能力的问题。中央区域通过照明控制动态切换视觉和触觉模式，用于接触检测；而外围区域则提供连续的空间感知，用于接近规划。FlexiCup通过模块化机械配置支持真空和伯努利吸取模式，并通过板载计算和电源实现完全无线自主。通过双重控制范例验证了硬件的通用性。在具有不同障碍物密度的结构化表面上，基于感知的模块化抓取表明，真空（平均成功率90.0%）和伯努利（平均成功率86.7%）模式的性能相当。基于扩散的端到端学习在倾斜运输任务中实现了73.3%的成功率，在橙子提取任务中实现了66.7%的成功率。消融研究证实，协调双区观测的多头注意力机制为接触感知操作提供了13%的改进。硬件设计和固件可在https://anonymous.4open.science/api/repo/FlexiCup-DA7D/file/index.html?v=8f531b44获取。

🔬 方法详解

问题定义：传统吸盘在非结构化环境中进行操作时，缺乏足够的感知能力，难以准确判断接触状态和进行精细操作。现有方法通常依赖外部传感器或复杂的控制策略，成本高且集成困难。因此，需要一种能够自主感知环境并进行接触感知操作的吸盘。

核心思路：FlexiCup的核心思路是将视觉和触觉传感集成到吸盘内部，通过双区设计实现接触检测和空间感知。中央区域用于动态切换视觉和触觉模式进行接触检测，外围区域提供连续的空间感知用于接近规划。同时，通过模块化设计支持真空和伯努利吸取模式，以适应不同的应用场景。

技术框架：FlexiCup的整体架构包括：1) 双区视觉-触觉传感器：中央区域可切换视觉和触觉模式，外围区域提供空间感知；2) 模块化机械结构：支持真空和伯努利吸取模式；3) 板载计算和电源：实现完全无线自主；4) 控制系统：包括低层控制和高层规划。流程上，首先利用外围视觉进行接近规划，然后利用中央区域进行接触检测和调整，最后进行抓取和操作。

关键创新：FlexiCup的关键创新在于双区视觉-触觉传感的集成。通过中央区域的动态切换，实现了接触检测和视觉引导的统一。此外，模块化设计使得FlexiCup能够适应不同的吸取模式和应用场景。与现有方法相比，FlexiCup具有更高的集成度和自主性。

关键设计：中央区域的照明控制是实现视觉和触觉模式切换的关键。通过控制LED的开关，可以分别获取视觉图像和触觉反馈。多头注意力机制用于融合双区观测信息，提升接触感知操作的性能。扩散模型用于端到端学习，实现复杂的抓取和操作任务。具体的网络结构和损失函数细节在论文中未明确给出，属于未知信息。

📊 实验亮点

实验结果表明，FlexiCup在结构化表面上的抓取成功率高达90.0%（真空模式）和86.7%（伯努利模式）。在倾斜运输和橙子提取等复杂任务中，基于扩散的端到端学习分别实现了73.3%和66.7%的成功率。消融研究表明，多头注意力机制能够提升13%的接触感知操作性能，验证了双区视觉-触觉传感的有效性。

🎯 应用场景

FlexiCup具有广泛的应用前景，可用于自动化装配、物流分拣、医疗机器人等领域。在非结构化环境中，例如家庭服务机器人或工业自动化场景中，FlexiCup能够实现更可靠、更灵活的抓取和操作，提高生产效率和服务质量。未来，可以进一步探索其在复杂环境下的应用，例如水下作业或太空探索。

📄 摘要（原文）

Conventional suction cups lack sensing capabilities for contact-aware manipulation in unstructured environments. This paper presents FlexiCup, a fully wireless multimodal suction cup that integrates dual-zone vision-tactile sensing. The central zone dynamically switches between vision and tactile modalities via illumination control for contact detection, while the peripheral zone provides continuous spatial awareness for approach planning. FlexiCup supports both vacuum and Bernoulli suction modes through modular mechanical configurations, achieving complete wireless autonomy with onboard computation and power. We validate hardware versatility through dual control paradigms. Modular perception-driven grasping across structured surfaces with varying obstacle densities demonstrates comparable performance between vacuum (90.0% mean success) and Bernoulli (86.7% mean success) modes. Diffusion-based end-to-end learning achieves 73.3% success on inclined transport and 66.7% on orange extraction tasks. Ablation studies confirm that multi-head attention coordinating dual-zone observations provides 13% improvements for contact-aware manipulation. Hardware designs and firmware are available at https://anonymous.4open.science/api/repo/FlexiCup-DA7D/file/index.html?v=8f531b44.