Contact mode

Auch genannt: contact state
Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: contact, manipulation, hybrid-dynamics, friction, planning

Eine diskrete Kennzeichnung, die angibt, welche Kontakte in einem Roboter-Objekt-System aktiv sind und ob jeder haftet oder gleitet; jede Kennzeichnung entspricht einem anderen Satz glatter Dynamik.

Definition

In einem System mit Reibungskontakt kann sich jeder potenzielle Kontakt in einem von mehreren Zuständen befinden: getrennt, ohne Kraft; haftend, in Kontakt ohne tangentiale Relativbewegung; oder gleitend, in Kontakt und tangential in Bewegung, wobei die Reibungskraft auf dem Rand des Reibungskegels liegt und der Bewegung entgegenwirkt. Ein Kontaktmodus (contact mode) ordnet jedem Kontakt im System einen dieser Zustände zu. Innerhalb eines festen Modus sind die Bewegungsgleichungen glatt, weil die aktiven Nebenbedingungen und die Form der Reibungskräfte bekannt sind. An den Grenzen zwischen Modi ändert sich die Dynamik abrupt. Kontaktdynamik ist daher hybrid: glatte Modi, getrennt durch Schaltflächen (guard surfaces), etwa wenn ein Kontaktabstand null erreicht oder die Tangentialkraft eines haftenden Kontakts die Reibungsgrenze erreicht.

Die Zahl der Modi wächst exponentiell mit der Zahl der Kontakte. Bei n Kontakten mit je drei Zuständen gibt es bis zu 3ⁿ Kombinationen, und in drei Dimensionen, wo das Gleiten in verschiedene Richtungen erfolgen kann, noch mehr, auch wenn viele für eine gegebene Geometrie unzulässig sind. Diese kombinatorische Struktur ist das Haupthindernis bei der Planung kontaktreicher Manipulation und Fortbewegung. Die Verfahren unterscheiden sich darin, wie sie damit umgehen: zulässige Modi aufzählen und eine Sequenz durch sie planen; Moduswahlen mit ganzzahligen Variablen in gemischt-ganzzahligen Programmen kodieren; kontaktimplizite Trajektorienoptimierung, die Kontakt mit Komplementaritätsnebenbedingungen darstellt, sodass der Optimierer Modi implizit wählt; und Glättung, die die nicht glatte Kontaktdynamik durch eine glatte Näherung ersetzt, sodass gradientenbasierte Verfahren über den aktuellen Modus hinaussehen können, wie im Paper zur globalen Planung auf unserer Website.

Bei quasistatischer und quasidynamischer Manipulation, bei der Trägheitseffekte im Vergleich zu Kontakt- und Reibungskräften klein sind, ist die Aufzählung der Modi bei wenigen Kontakten oft handhabbar und liefert einen interpretierbaren Plan, zum Beispiel: das Objekt schieben, während der Finger haftet, den Finger an eine neue Position gleiten lassen, dann das Objekt um eine Ecke kippen. Modusabfolgen sind auch bei der Fortbewegung auf Beinen zentral, wo die Gangart festlegt, welche Füße im Zeitverlauf Kontakt haben, auch wenn die Sequenz dort oft durch einen Gangplan vorab festgelegt statt gesucht wird.

Warum es wichtig ist

Die Wahl, welche Kontakte hergestellt und gelöst werden und ob sie haften oder gleiten, ist die zentrale Entscheidung bei Manipulation und Fortbewegung. Kontaktmodi erklären, warum diese Probleme für glatte Optimierer schwer sind und wie moderne Planer das umgehen.

Wichtige Anwendungen

Planung nicht greifender Manipulation wie Schieben, Kippen um eine Kante und Umwerfen
In-Hand-Manipulation mit gleitenden und rollenden Kontakten
Kontaktimplizite Trajektorienoptimierung für Laufroboter
Planung von Gangarten und Kontaktsequenzen
Schätzung des Kontaktzustands aus Kraft- und taktiler Sensorik

In der Praxis

Ein Team plant, dass ein Roboter eine Kiste über einen Tisch schiebt und sie dann an einer Wand aufrecht dreht. Es modelliert den Finger-Kiste-Kontakt, den Kiste-Tisch-Kontakt als Eckpunkte und den Kiste-Wand-Kontakt. Für die Schiebephase wählt es einen Modus, in dem der Finger an der Kiste haftet und die Kiste auf dem Tisch gleitet; für das Kippen wählt es die Kiste an ihrer Ecke an der Wand haftend, auf dem Tisch gleitend, mit dem Finger auf der Kistenfläche gleitend. Innerhalb jedes Modus löst es nach Fingerbewegungen, die alle Kräfte innerhalb ihrer Reibungskegel halten. Während der Ausführung beobachtet es die Kraftmesswerte und die verfolgte Pose der Kiste, um ungeplante Moduswechsel zu erkennen, etwa ein Rutschen des Fingers, und plant neu, wenn einer auftritt.

Häufige Missverständnisse

Ein Kontaktmodus sagt nur, welche Kontakte sich berühren — er sagt auch, ob jeder haftet oder gleitet, was die Dynamik ebenso stark verändert wie das Herstellen oder Lösen eines Kontakts
Planer müssen jeden Kontaktmodus aufzählen — kontaktimplizite Optimierung und Glättung vermeiden die explizite Aufzählung, auf Kosten schwächerer Garantien und lokaler Minima
Kontaktmodi sind ein Modellierungsartefakt — sie spiegeln reale physikalische Änderungen wider; ein Greifer, der rutscht, hat den Modus gewechselt, und ein Regler, der das ignoriert, kann versagen

Wer das wissen sollte

Forschende in der Manipulationsplanung
Regelungsingenieure für die Fortbewegung auf Beinen
Entwickler von Physiksimulationen
Ingenieure für taktile und Kraftsensorik

Open Source Robotics