Taxonomy and Modular Tool System for Versatile and Effective Non-Prehensile Manipulations
作者: Cedric-Pascal Sommer, Robert J. Wood, Justin Werfel
分类: cs.RO
发布日期: 2025-12-11
备注: 34 pages, 10 figures, 2 tables, supplementary videos: https://youtu.be/Hcefy53PY0M, https://youtu.be/nFF9k91hsfU, https://youtu.be/EulPLskNIZQ
💡 一句话要点
提出非抓取操作工具模块化系统，扩展通用夹爪末端执行器的功能
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 非抓取操作 末端执行器 模块化工具 机器人操作 通用夹爪
📋 核心要点
- 现有通用夹爪在非抓取操作（如按压、摩擦）方面存在局限性，无法满足复杂任务需求。
- 论文提出一种模块化工具系统，通过扩展标准双指夹爪的功能，实现多样化的非抓取操作。
- 该系统在航空航天和家庭场景中进行了验证，证明了其在抓取和非抓取操作中的有效性。
📝 摘要（中文）
通用机器人末端执行器，如平行爪夹持器，因其在广泛操作任务中简单性和有效性的平衡而备受欢迎。然而，虽然许多此类机械手在抓取式交互中具有通用性，但它们并未针对非抓取动作进行优化，例如按压、摩擦或刮擦——这些操作是许多常见任务所必需的。为了执行此类任务，人类会根据给定任务最有效的属性使用一系列不同的身体部位或工具，这些工具具有不同的刚度、摩擦力等。本文讨论了非驱动末端执行器的关键属性的分类，为系统地理解非抓取机械手的可供性奠定了基础。然后，我们提出了一个基于该分类的模块化工具系统，该系统可由标准双指夹持器使用，以扩展其在执行此类动作时的通用性和有效性。我们展示了该工具系统在航空航天和家庭场景中的应用，这些场景需要一系列非抓取和抓取操作。
🔬 方法详解
问题定义：现有通用夹爪末端执行器虽然在抓取任务中表现良好，但在执行按压、摩擦、刮擦等非抓取操作时存在局限性。这些操作在许多实际任务中至关重要，而现有夹爪的设计并未对此进行优化。因此，需要一种方法来扩展通用夹爪的功能，使其能够有效地执行这些非抓取操作。
核心思路：论文的核心思路是借鉴人类使用不同工具执行不同任务的策略，设计一个模块化的工具系统，该系统可以与标准双指夹爪配合使用，从而扩展其功能。通过更换不同的工具模块，夹爪可以适应不同的非抓取操作需求，例如使用刚性工具进行按压，使用摩擦力大的工具进行摩擦。
技术框架：该方法主要包含两个部分：一是建立非驱动末端执行器的关键属性分类，二是基于该分类设计模块化工具系统。该分类用于指导工具模块的设计，确保工具模块能够覆盖各种非抓取操作所需的不同属性（如刚度、摩擦力）。模块化工具系统允许用户根据具体任务选择合适的工具模块，并将其安装到标准双指夹爪上。
关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个非驱动末端执行器的关键属性分类，并基于此设计了一个模块化的工具系统。该分类为系统地理解非抓取机械手的可供性奠定了基础，而模块化工具系统则提供了一种灵活且可扩展的方法来扩展通用夹爪的功能。与现有方法相比，该方法无需设计全新的末端执行器，而是通过简单的工具模块更换来实现功能的扩展，从而降低了成本和复杂性。
关键设计：工具模块的设计需要考虑多个因素，包括材料选择、几何形状和连接方式。材料的选择需要根据工具模块的功能需求进行，例如，用于按压的工具模块需要具有较高的刚度，而用于摩擦的工具模块则需要具有较高的摩擦力。几何形状的设计需要考虑工具模块与目标物体的接触方式，以及工具模块在夹爪上的安装方式。连接方式需要确保工具模块能够牢固地安装在夹爪上，并且易于更换。
📊 实验亮点
论文通过在航空航天和家庭场景中的实验验证了该工具系统的有效性。实验结果表明，该系统能够有效地执行各种非抓取操作，并且能够与抓取操作无缝衔接。具体的性能数据和对比基线未在摘要中明确给出，但实验结果表明该系统能够显著提高通用夹爪在复杂任务中的表现。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于需要抓取和非抓取操作的机器人应用中，例如航空航天、家庭服务、工业制造等领域。在航空航天领域，该系统可用于执行飞机维护任务，如清洁、打磨等。在家庭服务领域，该系统可用于执行清洁、擦拭等家务任务。在工业制造领域，该系统可用于执行装配、打磨等生产任务。该研究有望提高机器人的通用性和适应性，使其能够更好地服务于人类。
📄 摘要（原文）
General-purpose robotic end-effectors of limited complexity, like the parallel-jaw gripper, are appealing for their balance of simplicity and effectiveness in a wide range of manipulation tasks. However, while many such manipulators offer versatility in grasp-like interactions, they are not optimized for non-prehensile actions like pressing, rubbing, or scraping -- manipulations needed for many common tasks. To perform such tasks, humans use a range of different body parts or tools with different rigidity, friction, etc., according to the properties most effective for a given task. Here, we discuss a taxonomy for the key properties of a non-actuated end-effector, laying the groundwork for a systematic understanding of the affordances of non-prehensile manipulators. We then present a modular tool system, based on the taxonomy, that can be used by a standard two-fingered gripper to extend its versatility and effectiveness in performing such actions. We demonstrate the application of the tool system in aerospace and household scenarios that require a range of non-prehensile and prehensile manipulations.