Original: http://robotics.cs.iastate.edu/ResearchPickingUpSoftSolids.shtml

Az emberi kéz tapasztalt puha tárgyak manipulálását a mindennapi életben. Például, ha egy ilyen tárgyat fel akar venni egy asztalról, a kéz általában két vagy több ujjal megszorítja, hogy szilárd megfogást érjen el. A szorítás néha lefelé (az asztallal szemben) van annak érdekében, hogy kihasználja az asztal támaszát, hogy stabilizálja az objektumot a művelet során, és elég nagy érintkezési területeket hozzon létre a szükséges súrlódáshoz. A tárgy szorítása közben az érintkezésben lévő ujjbegyek érzik a súlyát, valamint a markolat szilárdságát, hogy eldöntsék, mikor emeljék fel. Amint egy emelés elindul, a kéz némi extra szorítást alkalmazhat, hogy megakadályozza az esetleges megcsúszást.

A szorítás és az emelés viselkedéséből adódóan bevezetünk egy stratégiát egy robotkéz számára, amely deformálható 3D objektumokat nyugalmi helyzetben egy síkban vesz fel, két merev ujjal, erő és tapintási érzékelés nélkül. Kezdetben két ujjat helyeznek el a tárgy két helyén, amely az erõs záródást érné el az asztali érintkezõvel, ha a tárgy merev lenne. Ezután az ujjbegyek kissé lefelé nyomják az objektumot az asztalhoz. A növekvő érintkezési területek tovább korlátozzák az objektumot bármilyen forgatástól vagy fordítástól. Minden extra összenyomás után virtuális emelhetőségi tesztet hajtanak végre, hogy megbecsüljék az előrehaladást „a tárgy súlyának mely részét lehet felemelni” formájában. A teszt sikeres teljesítése után mindkét ujj felfelé fordításra vált, hogy felemelje az objektumot az asztalról.

A deformálható 3D objektumok megragadása több szempontból is különbözik a feladat 2D verziójától, túl egy dimenzió hozzáadásán. A gravitációt a 3D objektum térfogata miatt már nem lehet figyelmen kívül hagyni. Először is, az objektum deformációját külső terhelés hiányában is befolyásolja. Másodszor, a gravitációt végül egyedül az ujjerőknek kell egyensúlyba hozniuk ahhoz, hogy az objektumot le lehessen emelni a tartó síkról. Harmadszor, a gravitáció elsősorban felelős a tárgy és az ujjhegyek közötti érintkezés megcsúszásáért egy ilyen emelés során.

A 2D megfogási feladat korábbi kezeléséhez hasonlóan a teljes összenyomási és emelési műveletet olyan periódusokra sorrendbe állítjuk, amelyeken belül a végeselemes diszkrétálás alatti kontaktus konfigurációja nem változik. Egyetlen periódus alatt az érintkezési csomópontok elmozdulása vagy ismert, vagy az ujjmozdulatokból becsülhető. Tőlük reméljük, hogy meghatározzuk az objektum deformációját, ami viszont az érintkezési konfiguráció új változását okozza a következő periódus megkezdéséhez.

Lineáris rugalmasság esetén minden elmozdulási mezőt, amely nulla törzsenergiát eredményez, lineárisan lefedi három fordítást és három további rotációt képviselő mező. Ennek alapján először végeselem-elemzést (FEA) hajtunk végre, hogy a szilárd anyag deformált alakját meghatározott érintkezési elmozdulásokból, gravitáció alatt nyerjük. A megoldás egyedülálló mindaddig, amíg az érintkezési pontok nem egyenesek. A (változó) érintkezőkonfiguráció nyomon követéséhez az aktuális érintkezőkonfiguráció és az ujjak lépésenkénti mozgása alapján többször megoldjuk az extra deformációt.

1. Emelhetőségi teszt

Ha a szorítási mélység kicsi, az érintkezési területek az ujjhegyek és az objektum között kicsiek, és nem képesek elegendő súrlódást létrehozni az objektum megtartásához, ha azt fel akarják venni. A nyomásmélység növekedésével az ujjbegyek abbahagyhatják a szorítást abban a pillanatban, amikor azt érzik, hogy az objektum felemelhető. Az ilyen „érzés” ellenőrzésére egy virtuális emelhetőségi tesztet ismételten elvégezünk, amikor a préselési mélység növekszik. Egy ilyen, fizikai beavatkozást nem igénylő teszt megjósolja az ujjak érintkezési erőit az aktuális mélységben, ha a tartósíkot eltávolítják, majd ellenőrzi, hogy az egyik ujjbegy csúszik-e ennek következtében.

Bevezetjük az „emelhető súly” fogalmát. Szorító mélységben az emelhető súly a tárgy maximális (hipotetikus) súlya, amely nem eredményezné ujjbegy csúszását, ha a támasz síkot eltávolítanák. Minél erősebben szorítja a két ujjbegy, annál nagyobb súlyt képesek felemelni. Általában arra számítunk, hogy az emelhető súly is monoton növekszik. Az ötlet ezután az emelhető súly nyomon követése a nyomásmélység növekedésével, amíg meg nem egyezik a tárgy eredeti súlyával. Amint az emelhető súly eléri vagy meghaladja a tárgy tényleges súlyát, az emelhetőségi teszt sikeresen teljesül.

A jobb oldali ábrán egy paradicsom látható (lásd a) és b), amelyet két félgömb alakú műanyag ujjhegy fogott meg egy Barrett-kéz ujjaira szerelve (lásd (d) és (e)). Mint láthatjuk, az arány (emelhető súly)/(eredeti súly) monoton növekszik a szorítási mélységgel. Az objektum akkor válik felemelhetővé, ha a szorítási mélység megegyezik 0,0176-tal. A pillanatot a (d) pont mutatja, hét ujjal, öt pedig a síkban. A tárgyat közvetlenül utána emelik le a síkról (az (e) ábrán látható).

2. Szorítás és emelés

Az ujjak elkezdik szorítani az objektumot a megadott fordításaik alatt. A tárgy érintkezése az ujjakkal és a síkkal növekszik. A préselés addig folytatódik, amíg valamelyik pillanatban az emelhetőségi tesztet sikeresen teljesítik, vagy a prés mennyisége túl nagy lesz ahhoz, hogy az objektumot lehetetlennek tartsák felfogni az ujjak kezdeti elhelyezése és szorítási irányai alatt.

Az ujjak fordítását érintkezési események szekvenálják. Négy ilyen esemény létezik: kapcsolatfelvétel (A), érintkezéstörés (B), csúszásgátló (C) és csúsztatásos (D). Az A esemény akkor észlelhető, amikor egy csomópontnak be kell hatolnia egy ujjbegybe vagy a síkba. A B esemény akkor következik be, amikor egy csomópont érintkezési ereje kifelé mutat az objektumtól. A C esemény akkor következik be, amikor egy csomópont érintkezési ereje kívül esik a súrlódó kúpján. A D esemény akkor következik be, amikor egyes csomópontok csúszótávolsága nem változik.

Két esemény között nyomon kell követni az összes csúszó csomópont mozgását. Egy csomópont csúszik, ha a számított érintkezési erő kívül esik a súrlódó kúpon. Ebben az esetben csúszási iránya ellentétes az érintkező erő tangenciális komponensével. Ujjbeggyel egy csomópont nagy körön csúszik a szorítási mélység egy növekményének megfelelő perióduson belül. Meghatározott csúszóirányok esetén az érintkezési erők lineárisak az összes ilyen csomópont csúszótávolságában. Coulomb súrlódási törvénye ekkor egy egyenletrendszert indukál, amely a homotópiai folytatás módszerével megoldható másodfokú egyenletrendszerré alakítható.

Amikor az emelhetőségi teszt sikeres, az ujjbegyek felfelé fordítva emelik az objektumot. Az emelés során a csomópont érintkezései a síkkal egyesével megszakadnak, és néhány érintkezés a fintertippel a gravitációs erő hatására is megszakadhat. A Modelingis azonban nem különbözik a szorítástól. Ha az egyik ujjon az összes csomópont csúszik, akkor az objektum az ujján csúszik, és a felvétel nem sikerül. Ellenkező esetben a művelet sikeres, ha az objektum megszakítja a kapcsolatot a síkkal

A felvételi algoritmus validálásához öt deformálható tárgyat kísérleteztünk ki, beleértve a fentiekben bemutatott paradicsomot és négy másik tárgyat: egy narancsot, egy padlizsánt, párolt zsemlét és egy játékfocit, amelyek mind az alábbi bal oldali táblázatban találhatók, pihenő konfigurációikban. és tetraéderes hálóban. Amikor az emelhető súly meghaladta a tárgy súlyát, az ujjak azonnal átváltották a műveletet a szorításról az emelésre. Az alábbi jobb oldali táblázat első sora azt a négy objektumot mutatja, amelyeket a Barrett Hand vett fel a szorítási mélységben 0,0124, 0,0071, 0,0052 és 0,0053 mélységben.11 A második sor a megfelelő szimulációs eredményeket mutatja.

További információ a következő cikkekben található:

Huan Lin, Feng Guo, Feifei Wang és Yan-Bin Jia. Egy puha 3D-s tárgy felvétele a tapadás „tapintásával” [Kivonat] (572K, 40 oldal). Elfogadva az International Journal of Robotics Research/Nemzetközi robotikai kutatási folyóirat, 2014-ben.

Huan Lin, Feng Guo, Feifei Wang és Yan-Bin Jia. Két ujjal (1049 K) vegye fel a puha 3D-s tárgyakat. A. Eljárásában IEEE  International Conference on Robotics and Automation/IEEE Nemzetközi Robotikai és Automatizálási Konferencia, oldalakat 3656-3661, Hongkong, Kína, 2014. május 31. – június 5.

Ez az anyag a Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatásával támogatott munkán alapul IIS-0915876.
Az ebben az anyagban megfogalmazott vélemények, megállapítások, következtetések vagy ajánlások a szerző (k) véleménye, megállapításai, következtetései vagy ajánlásai nem feltétlenül tükrözik a Nemzeti Tudományos Alapítvány véleményét.

Utolsó frissítés: 2014. szeptember 8.