Articulated object

Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: manipulation, 3d-perception, kinematics, mobile-manipulation, household-robotics

Ein Objekt aus starren Teilen, die durch Gelenke, meist Dreh- oder Schubgelenke, verbunden sind, etwa eine Tür, eine Schublade, ein Laptop oder ein Backofen, dessen Teile sich relativ zueinander bewegen, wenn ein Roboter es manipuliert.

Definition

Ein artikuliertes Objekt (articulated object) besteht aus starren Gliedern, die durch Gelenke verbunden sind, welche eine eingeschränkte Relativbewegung zulassen. In der Robotermanipulation haben die Gelenke meist einen Freiheitsgrad: Drehgelenke bei Türen, Deckeln und Laptop-Bildschirmen, Schubgelenke bei Schubladen und Schiebeelementen. Viele Formulierungen, auch die von FlowBot3D, nehmen an, dass ein Glied fest mit der Welt verbunden ist, wie bei einem Schrankkorpus oder einem Backofen, sodass die Aufgabe darin besteht, die übrigen Teile zu bewegen. Im Allgemeinen können sich artikulierte Objekte wie Scheren, Zangen oder ein Laptop auf einem Schreibtisch auch als Ganzes bewegen.

Solche Objekte zu manipulieren heißt, die kinematische Zwangsbedingung zu respektieren. Ein Roboter, der eine Tür öffnet, muss seine Hand auf einem Kreisbogen um die Scharnierachse führen; gerades Zurückziehen erzeugt große innere Kräfte oder verliert den Griff. Die Ansätze unterscheiden sich darin, wie viel sie modellieren. Modellbasierte Pipelines schätzen die kinematische Struktur explizit: welche Teile Glieder sind, den Gelenktyp, Richtung und Lage der Achse sowie den aktuellen Gelenkzustand, oft indem sie Teile in Bewegung beobachten und Dreh- oder Schubmodelle anpassen. Lernbasierte Ansätze sagen diese Struktur aus einer einzigen Punktwolke oder einem einzigen Bild vorher oder überspringen sie und sagen lokale Größen direkt vorher, etwa einen Artikulationsfluss (articulation flow), der die Richtung angibt, in die sich jeder Punkt eines Teils bewegen würde, oder eine Affordanzkarte, die zeigt, wo gegriffen und gezogen werden soll. Interaktive Wahrnehmung (interactive perception) verbindet beides: Der Roboter bewegt ein Teil ein wenig, beobachtet das Ergebnis und aktualisiert seine Schätzung.

Artikulierte Objekte werden meist genauso dargestellt wie Roboter, als kinematische Bäume in Formaten wie URDF. Simulationsdatensätze wie PartNet-Mobility, das mit dem Simulator SAPIEN verwendet wird, bieten eine große Menge annotierter Haushaltsobjekte für Training und Test. Praktische Schwierigkeiten sind unbekannte Gelenkgrenzen, Reibung und Federlasten, Verriegelungen und Griffe, die eine eigene Aktion erfordern, sowie Teilansichten, in denen die Gelenkachse verdeckt ist.

Warum es wichtig ist

Ein großer Teil der alltäglichen gebauten Umgebung ist artikuliert: Türen, Schubladen, Schränke, Kühlschränke und Haushaltsgeräte. Haushalts- und Serviceroboter müssen diese zuverlässig öffnen und schließen, und das erfordert, über kinematische Zwangsbedingungen zu schließen, statt das Ziel als freien starren Körper zu behandeln.

Wichtige Anwendungen

Öffnen von Türen, Schubladen und Schränken in Wohnungen und Büros
Bedienen von Geräten wie Backöfen, Geschirrspülern und Kühlschränken
Benchmarks für mobile Manipulation im Haushalt
Aufbau interaktiver digitaler Zwillinge von Innenräumen
Verwenden von Werkzeugen mit Scharnier wie Zangen und Scheren

In der Praxis

Ein Team, das einen mobilen Manipulator darauf programmiert, Küchenschränke zu öffnen, nimmt mit einer Tiefenkamera eine Punktwolke des Schranks auf. Ein Netz segmentiert die Tür und sagt entweder die Scharnierachse oder eine Bewegungsrichtung pro Punkt vorher, und das System wählt einen Griff am Türgriff oder an der Türkante. Der Arm folgt dann dem vorhergesagten Bogen unter Impedanzregelung, sodass Fehler in der Achsschätzung von der Nachgiebigkeit aufgenommen werden, statt große Kräfte aufzubauen. Sobald sich die Tür ein wenig bewegt hat, schätzt das System die Achse aus dem tatsächlichen Weg der Hand neu und fährt mit dem korrigierten Bogen fort; es hält an, wenn die gemessene Kraft die Gelenkgrenze anzeigt.

Häufige Missverständnisse

Das Öffnen einer Tür ist ein reines Positionsregelungsproblem — die Hand muss der Zwangsbedingung des Gelenks folgen, daher sind Nachgiebigkeit oder Kraftregelung ebenso wichtig wie genaue Positionen
Die Gelenkachse muss vor dem Handeln genau bekannt sein — viele Systeme beginnen mit einer groben Schätzung und verfeinern sie während der Interaktion
Artikulierte Objekte sind immer fest mit der Welt verbunden — viele Benchmarks nehmen der Einfachheit halber eine feste Basis an, aber Werkzeuge und tragbare Geräte bewegen sich auch als Ganzes

Wer das wissen sollte

Ingenieure für mobile Manipulation und Manipulation im Haushalt
Forschende in der Roboterwahrnehmung, die an 3D-Szenenverständnis arbeiten
Entwickler von Simulationen und Datensätzen
Entwickler von Servicerobotern

Open Source Robotics