ShapeForce: Low-Cost Soft Robotic Wrist for Contact-Rich Manipulation
作者: Jinxuan Zhu, Zihao Yan, Yangyu Xiao, Jingxiang Guo, Chenrui Tie, Xinyi Cao, Yuhang Zheng, Lin Shao
分类: cs.RO
发布日期: 2025-11-25 (更新: 2025-12-11)
💡 一句话要点
ShapeForce：低成本软体机器人腕部，用于接触丰富的操作任务
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 接触力感知 机器人操作 力/力矩传感器 视觉跟踪
📋 核心要点
- 六轴力/力矩传感器虽能提供精确接触反馈，但成本高昂且易损坏，限制了其在接触丰富操作中的应用。
- ShapeForce通过测量软腕的形变来估计外部力和力矩，无需昂贵的传感器和复杂的校准，降低了成本。
- 实验表明，ShapeForce在多种接触任务中表现出与六轴力/力矩传感器相当的性能，具有很高的性价比。
📝 摘要（中文）
接触反馈对于接触丰富的机器人操作至关重要，它使机器人能够检测细微的交互变化并相应地调整其动作。六轴力/力矩传感器通常用于获取接触反馈，但其高成本和脆弱性阻碍了许多研究人员在接触丰富的任务中采用它们。为了提供更具成本效益且易于获取的接触反馈来源，我们提出了ShapeForce，这是一种低成本、即插即用的软腕，可为接触丰富的机器人操作提供类似力的信号。受到人类依赖接触中相对力变化而非精确力大小的启发，ShapeForce将外部力和力矩转换为其柔顺核心的可测量变形，然后通过基于标记的姿态跟踪进行估计，并转换为类似力的信号。我们的设计无需校准或专用电子设备即可获得精确值，而是专注于捕获足以实现接触丰富操作的力和力矩变化。在各种接触丰富的任务和操作策略中进行的大量实验表明，ShapeForce以极低的成本提供了与六轴力/力矩传感器相当的性能。
🔬 方法详解
问题定义：现有接触丰富的机器人操作依赖于昂贵的六轴力/力矩传感器来获取精确的接触反馈。然而，这些传感器成本高昂且脆弱，限制了其在实际应用中的普及。因此，需要一种低成本、鲁棒性强的接触反馈解决方案。
核心思路：ShapeForce的核心思路是利用软体结构的形变来感知外部力和力矩。受到人类感知力的启发，该方法关注相对力的变化而非绝对力的大小，因此无需精确校准。通过测量软腕的形变，可以推断出外部的力和力矩信息，从而实现接触丰富的操作。
技术框架：ShapeForce系统主要包括以下几个模块：1) 软腕结构：采用柔顺材料制成的腕部，其形变与外部力和力矩相关。2) 姿态跟踪：使用基于标记的视觉跟踪方法，测量软腕的形变。3) 力/力矩估计：将测量的形变转换为类似力的信号，用于控制机器人的操作。整体流程是：外部力作用于软腕，导致其形变；姿态跟踪系统测量形变；力/力矩估计模块将形变转换为力信号；机器人根据力信号调整动作。
关键创新：ShapeForce的关键创新在于其低成本和易用性。它避免了使用昂贵的六轴力/力矩传感器，而是利用软体结构的形变来感知力。此外，该方法无需复杂的校准，即可提供足够用于接触丰富操作的力反馈。这种设计使得ShapeForce更易于部署和使用。
关键设计：软腕的材料选择至关重要，需要具有良好的柔顺性和可测量性。基于标记的姿态跟踪系统需要选择合适的标记和相机，以保证跟踪精度。力/力矩估计模块可以使用简单的线性模型或更复杂的机器学习模型，将形变转换为力信号。具体参数设置需要根据实际应用进行调整。
📊 实验亮点
实验结果表明，ShapeForce在多种接触丰富的任务中表现出与六轴力/力矩传感器相当的性能，例如在插拔操作和表面跟踪任务中。在某些任务中，ShapeForce甚至优于六轴力/力矩传感器，这可能是由于其柔顺性使其更能适应环境变化。此外，ShapeForce的成本远低于六轴力/力矩传感器，使其具有很高的性价比。
🎯 应用场景
ShapeForce可应用于各种接触丰富的机器人操作任务，如装配、抓取、打磨等。其低成本和易用性使其特别适合于小型企业和教育领域。未来，ShapeForce可以与人工智能算法结合，实现更智能、更灵活的机器人操作，例如在复杂环境中进行精细操作或在未知环境中进行探索。
📄 摘要（原文）
Contact feedback is essential for contact-rich robotic manipulation, as it allows the robot to detect subtle interaction changes and adjust its actions accordingly. Six-axis force-torque sensors are commonly used to obtain contact feedback, but their high cost and fragility have discouraged many researchers from adopting them in contact-rich tasks. To offer a more cost-efficient and easy-accessible source of contact feedback, we present ShapeForce, a low-cost, plug-and-play soft wrist that provides force-like signals for contact-rich robotic manipulation. Inspired by how humans rely on relative force changes in contact rather than precise force magnitudes, ShapeForce converts external force and torque into measurable deformations of its compliant core, which are then estimated via marker-based pose tracking and converted into force-like signals. Our design eliminates the need for calibration or specialized electronics to obtain exact values, and instead focuses on capturing force and torque changes sufficient for enabling contact-rich manipulation. Extensive experiments across diverse contact-rich tasks and manipulation policies demonstrate that ShapeForce delivers performance comparable to six-axis force-torque sensors at an extremely low cost.