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

Robotikai laboratórium
Számítástudományi Tanszék | Iowa Állami Egyetem

A deformálódó tárgyak megragadása alapvetően különbözik a merevek megragadásától, amelyekhez kétféle elemzést fejlesztettek ki. A merev objektum zárása a szabadság minden fokát kiküszöböli, míg az erő bezárása megtartja az objektum egyensúlyát azzal a képességgel, hogy ellenálljon bármilyen tetszőleges külső csavarkulcsnak. A deformálódó tárgy azonban végtelen szabadságfokokkal rendelkezik, ami lehetetlenné teszi az űrlap bezárását. Másrészt a fogantyú-csavarkulcs tér megváltozik, ahogy az objektum deformálódik, ami lehetetlenné teszi semmilyen hagyományos erő bezárási elemzést.

A deformálódó objektumok robotfelfogása alulan kutatott terület, elsősorban a deformáció előtti és utáni egyensúlyi követelmény, valamint a fizikai alapú deformálható modellezés magas költsége miatt. A megfogás által kiváltott deformáció a rugalmassági elmélet segítségével modellezhető, a fogó ujjaknak szükséghelyzetre vonatkozó kényszerítéseket kell alkalmazniuk.

Úgy tűnik, hogy a „természetes” megközelítés olyan erőket keres, amelyek képesek fenntartani a deformáció előtti és utáni egyensúlyokat. Az deformált alak elérése érdekében azonban az ujjak érintkezésénél további geometriai kényszereket kell bevezetni. Az ilyen korlátozások érvényesítése további erőket vagy forgatónyomatékokat igényelne, amelyek valós helyzetben nem keletkezhetnek. A mi megközelítésünk az ujjak kívánt elmozdulásának meghatározása, nem pedig az általuk kifejtett erők miatt, több okból is:

• Az elmozdulás korlátozása általában elegendő a deformáció meghatározásához.
• A FEM-ekkel kapott erők automatikusan kiegyensúlyozzák egymást, és a nyomatékegyensúly fennmarad.
• A gyakorlatban sokkal könnyebb az ujját egy kijelölt pozícióba lépéshez irányítani, mint az előírt erő irányítására.
• Az erők nagysága nem sok aggodalomra ad okot, amíg egy tárgyat meg lehet ragadni.

1. Nyomja meg a megragadást

Megterveztünk egy olyan stratégiát, amely ujjlenyomat-fordítással két tárgyat présel egy objektumot: (1) stabil nyomások, amelyek maximalizálják az objektum feszültségenergiáját az „azonos mennyiségek” összenyomása és (2) tiszta nyomások, amelyek megakadályozzák bármilyen merev testmozgás. A megfogási stratégia lineáris keleti viszonyokat feltételez és a végeselem módszerét (FEM) alkalmazza. A kezdeti konfiguráció a jobb oldalon látható (a). A szorítás alatt minden egyes érintkezési pont a jobb oldali ábrán (b) látható tartományba kerül, ahol a pontok kapcsolási módjukat kapcsolhatják a bot és a csúszás között. Javasoljuk egy esemény-vezérelt megragadási algoritmust, amely nyomon követi a deformációt és az érintkezési konfigurációt.

a) Nyomja meg az algoritmust a kapcsolatok konfigurációjának fokozatos frissítésével

Két megragadó ujját tekintünk, amelyeknek azonos félkör alakú csúcsa van sugárral. Amint a szorítás megkezdődik, egyes határpont-pontok érintkezhetnek az ujjhegyekkel, míg mások megszakíthatják a kapcsolatot velük. Az érintkező csomópont az ujjhegyre tapadhat, vagy csúszhat rajta. Négyféle esemény létezik: egy csomópont érintkezik az ujjával (A esemény); érintkezési szünetek egy csomóponton (B esemény); a csomóponton lévő érintkező a botról a csúszásra vált (C esemény); és a csomópont kapcsolata a csúszástól a tapadásig (D esemény) vált. Az összes érintkezési csomópont mozgását nyomon követjük, amíg egy esemény bekövetkezik, hogy megváltoztassuk az érintkezőkészleteket, és ezután elkezdjük a deformációs frissítés új fordulóját.

A kísérletben egy Barrett kéz megragadta a kétféle tárgyat: gyűrűszerű és szilárd.

A bal alsó számok első sorában két gyűrűszerű objektum található, amelyeket a cookie vágókból vágtak le. A két fogó ujj kis érintkezési régiókat állít elő az objektummal, amely pontkontaktusként közelíthető meg. A második sorban két Barrett-kéz két ujja látható, amelyek egyeznek a harmadik sorban a préselési algoritmus előrejelzéseivel.

A jobb oldali ábrákon a Barrett kéz gömb alakú ujjhegyekkel fogta meg a gumihabból készült négyzetet. A központi oszlopban a szimulációból kialakult deformált háló szinte tökéletesen igazodik a deformált gumi térre (fekete). Az első és a harmadik oszlop közeli összehasonlításokat ad az egyes ujjak érintkezései, a kísérlet és a szimuláció között.

Az alábbi bal oldali ábra az érintkezési erők alakulását mutatja a négyzeten való préselés során. A szimulációban kiszámított egyes csomópontokban az érintkezési erők nagyságát a teljes érintkezési szegmensben erőteljes sűrűséggé alakították át (melyet egy köbös spline paraméterezett). A négy különböző értékű sűrűségi görbéket külön ábrázoljuk a két ujjra. Látjuk, hogy minden egyes görbenél a sűrűség a végpontok közelébe szorul. Az ujj érintkező szegmensen lévő teljes erő, mint a görbe alatti terület, a szorító mélységgel növekszik. Az alábbi jobb oldali ábra a két ujjal lévő csúszóérintkezők profiljait mutatja, amint a szorító mélység nő. Az érintkezési mozgásokat ábrázoló görbék köbös spline-k, amelyeket a szimulációból nyert csomópont-elmozdulásokon interpoláltak. A szorítómélység növekedésével az érintkezők csúszó távolságai nőnek.

b) Kapcsolat mód átmenetek

A bemutatott négy eseménytípus közül az A kapcsolattartó intézmény eseménye várható. Az érintkezési törés B eseménye olyan ritka, hogy a kísérlet során nem volt megfigyelhető. A csúszásmentes átmenet C eseményét mind szimulációban, mind kísérletben széles körben figyelték meg, ahol a súrlódás nem volt elegendő. Az alábbi bal oldali táblázat néhány olyan rést tartalmaz, amelyek során az ilyen típusú események történtek. A 2-5 oszlopok mindegyike egy objektumot jelenít meg, sárga és piros nyilak segítségével jelezve két pont mozgását, az egyiket az objektumon, a másik az ujjbegyületen. Ezeket a két pontot kezdetben a ragasztó érintkezésben (a 2. sorban) mutatjuk be, majd a csúszás következtében egymástól elválasztották (a 3. sorban), amint a szorítás folytatódott. A D esemény sokkal kevésbé történt, mint a C esemény, megfigyeléseink szerint. Ez részben azért van, mert a legtöbb kapcsolat ragaszkodik. Ebben az esetben a D esemény csak a C esemény után következhet be. Az alábbi jobb oldali ábra példát mutat egy érintkező átmeneteire a bottól a csúszásig.

2. Ellentétes ujjellenállás

Tegyük fel, hogy az A ellentétes ujj érintkezik a p_k objektummal, és egy a. Ahhoz, hogy ellenálljunk az A-nak, az F₁ és F₂ két fogó ujj, amelyek a p_i és a p_j kezdeti érintkeztetését teszik, lefordítják a d₁ és d₂. Szeretnénk megtalálni a d₁ és d₂ értékeket, amelyek az F₁ és az F₂ minimális teljes erőkifejtését eredményezik. Az ellenállás erőfeszítéseit a legjobban a két ujj teljes munkája jellemzi. Az általános forgatókönyvet a bal oldali ábrán mutatjuk be, amelyben az ujjkontaktusok a p_i, p_j, p_k csomópontokból F₁, F₂, A lefordított szegmensekké alakultak ki.

Ezt az optimalizálási problémát három lépésben közelítjük meg. Először megnézzük a rögzített pont érintkezéseket az ellenállás alatt. Ezután általánosítjuk az eredményt fix szegmenses kapcsolatokra. Végül, a Coulomb súrlódás alatt az egyes csomópontok érintkezőinek és a módok változásainak megváltoztatásával foglalkozunk az általános helyzettel, és javasoljuk egy lépésenkénti algoritmust, hogy ellenálljon az ellentétes ujjnak, azáltal, hogy minimalizálja a fogó ujjak által végzett munkát.

A bal oldali ábrán alábbi megjeleníti az egy tárgy kezdeti kapcsolatot két lekerekített ujjal F₁  és F₂  a csomópontok p_i  és p_j. F₂  maradt még és F₁  szorította a tárgy keresztül egy transzlációs (0,00068, 0,002) a vonal mentén keresztül a kezdeti érintkezési pont a tárgy (lásd (a)) A (b), az ellenség ujjával majd lefordítja a = ( 0,0024, 0,0044). A pályája A mutatjuk be, a fekete irányított vonal (c). Egyidejűleg, F₁  és F₂ lefordítani mentén két pályagörbe által generált algoritmus, amely mutatja, mint az irányított vonalláncok (c). Felléptek további munkát a 0,0086 ellenállni A. Kapcsolat események A, B, C, D történt 7, 0, 3, és 2-szer, illetve során az ellenállás fázisban.

Mutatjuk be a jobb alábbi ábra egy olyan kísérlet végzett félkör alakú ügyében sugarú 0,02. Az ujjak F₁  és F₂  először kapcsolatba hab objektumot. Míg F₂  maradt még, F₁  szorult a tárgy keresztül egy transzlációs (-0,00068, 0,002) a vonal mentén keresztül a kezdeti érintkezési pont az objektumot. Ezután az ellenféltől ujjával nyomni kezdett a tárgy keresztül fordítást a = (0,0024 0,0044). A algoritmus által generált két pályagörbe rendre F₁  és F₂  alapuló stabil összenyomja. A könnyű kézi vezérlés, az egyes pálya kiegyenesítettük csatlakoztatásával kiindulási helyét, hogy a végleges helyére, így összességében fordítások nap d₁ = (-0,0008, -0,0019) és d₂  = (-0,0007, -0,0005). Utalunk az ellenállás által meghatározott d₁ és d₂, mint az „optimális” ellenállás. Az ellenállás, F₂ visszahúzódott kissé (azaz távolodik a tárgy).

A harmadik ábrán látható erőmérőt ujjhegyre csatoltuk úgy, hogy a mérő tengelye az ujjlenyomat-fordításhoz igazodjon. Az ujjhegy által végzett munkát a fordítási távolság termékének felére becsülték a kezdeti és a végső erőmérések összegével. A préselési és ellenállási folyamatot háromszor megismételjük, minden egyes alkalommal, amikor az erőmérőt egy másik ujjhegyhez kapcsoltuk, hogy mérjék a hatását. A generált pályák alapján (a platformon ábrázolva) a három ismétlés eredményeket adott az enyhe eltérésekkel, amelyek az elfogadható tartományon belül voltak.

Összehasonlításképpen teszteltünk egy „önkényes” ellenállási stratégiát ugyanazon ellentétes ujjzavarokkal szemben. A jobb alsó táblázatban az egyes ujjak erőhatásai jelennek meg az egyes ellenállási stratégiák kezdetén és végén, valamint az ujj által végzett munka a szimulációhoz képest. Látható, hogy az F₁ és az F₂ sokkal kevesebb munkát végzett az „optimális” ellenállási stratégia keretében.

További információkért tekintse meg az alábbi dokumentumokat:

Yan Bin Jia, Feng Guo, és Huan Lin. Megragadása deformálódó sík tárgyak: squeeze, bot/csúszás elemzés, és az energia-alapú optimalities. (671K, 52 oldal). A robotika kutatásának nemzetközi folyóirata, hangerő. 33, nem. 6, oldalak 866-897, 2014-ben.

Yan Bin Jia, Huan Lin, és a Feng Guo. Optimális két-Finger összenyomását deformálódó tárgyak.  (225 K). Eljárás a IEEE/RSJ  az intelligens robotok és rendszerek nemzetközi konferenciája, oldalak 3514-3519, Tokyo Big Sight, Japán, november 03-08, 2013-ban.

Feng Guo, Huan Lin és Yan-Bin Jia. Squeeze megragadása deformálható sík tárgyak szegmens érintkező és rúd/csúszás átmenetek  [Absztrakt] (448K). Eljárás a IEEE nemzetközi konferencia a robotokról és az automatizálásról, oldalak 3721-3726, Karlsruhe, Németország, május 5-9, 2013-ban.

Yan Bin Jia, Feng Guo és Tian Jiang. A két ujjal megfogva deformálható sík tárgyak. Eljárás a 2011  IEEE nemzetközi konferencia a robotokról és az automatizálásról, oldalak 5261-5266, Shanghai, Kína, május 09-13.

Ez az anyag épül által támogatott munka National Science Foundation szerint grant IIS-0915876.
Az ebben az anyagban megfogalmazott vélemények, megállapítások, következtetések vagy ajánlások a szerző(k) véleménye, és nem feltétlenül tükrözik a Nemzeti Tudományos alapítvány véleményét.

(This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant IIS-0915876.
Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation.)

Utolsó frissítés: 2013. április 23.