Extrinsic dexterity

Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: manipulation, contact, in-hand-manipulation, grasping, nonprehensile-manipulation

Ein in der Hand gehaltenes Objekt mithilfe von Ressourcen außerhalb der Hand zu manipulieren, etwa Kontakt mit der Umgebung, Schwerkraft oder Armbewegung, um zu erreichen, was die Finger allein nicht können.

Definition

Extrinsische Geschicklichkeit (extrinsic dexterity) ist die Fähigkeit eines Roboters, ein Objekt in seinem Griff umzupositionieren oder neu auszurichten oder es in eine greifbare Pose zu bringen, indem er Kräfte von außerhalb der Hand nutzt: Kontakt mit einem Tisch, einer Wand oder einer Vorrichtung, die Schwerkraft oder die Trägheit, die durch das Beschleunigen des Arms entsteht. Der Begriff wurde 2014 von Nikhil Chavan-Dafle, Alberto Rodriguez und Kollegen eingeführt, um zu beschreiben, wie ein einfacher Greifer mit wenigen aktuierten Fingern dennoch In-Hand-Manipulation ausführen kann, indem er das gehaltene Objekt gegen die Umgebung drückt. Sie steht im Gegensatz zur intrinsischen Geschicklichkeit (intrinsic dexterity), die auf den eigenen aktuierten Fingern der Hand beruht.

Typische Strategien sind: ein Objekt um die Griffachse kippen, indem man seine Kante gegen eine Fläche drückt; ein Objekt zwischen den Fingern verschieben, indem man es gegen eine Wand drückt; ein dünnes Objekt wie einen Teller oder eine Karte gegen eine Wand schieben, sodass sich seine Kante vom Tisch hebt und gegriffen werden kann; die Schwerkraft ein Objekt in eine neue Pose schwingen oder rutschen lassen; und Umgreifen, indem man ein Objekt absetzt und anders wieder aufnimmt. Menschen tun das ständig, zum Beispiel wenn sie eine Münze an die Tischkante schieben, um sie aufzuheben.

Solche Aktionen zu planen ist schwer, weil sie kontaktreich sind: Das Ergebnis hängt davon ab, welche Kontakte haften oder gleiten, sowohl zwischen Objekt und Greifer als auch zwischen Objekt und Umgebung, und von Reibungswerten, die unsicher sind. Ansätze sind quasistatische Mechanik mit Reibungskegeln und Planung über Kontaktmodi, kontaktimplizite Planer und Planer mit geglättetem Kontakt, die Kontaktsequenzen automatisch durchsuchen, sowie lernbasierte Policies, die in der Simulation trainiert werden. Nachgiebigkeit, entweder im Greifer oder durch Kraft- oder Impedanzregelung im Arm, ist in der Praxis wichtig, weil sie die Kontaktkräfte begrenzt hält, während sich das Objekt gegen die Umgebung bewegt.

Warum es wichtig ist

Die meisten Roboter in der Industrie verwenden einfache Parallelgreifer oder Sauggreifer. Extrinsische Geschicklichkeit erweitert, was solche Greifer ohne komplexere Hände leisten können, und sie beschreibt einen großen Teil dessen, wie Menschen tatsächlich mit Objekten umgehen.

Wichtige Anwendungen

Aufnehmen dünner oder flacher Objekte von Tischen und aus Behältern
Neuausrichten von Teilen für die Montage mithilfe von Vorrichtungen
In-Hand-Umgreifen mit einfachen Greifern
Kippen und Umpositionieren von Werkzeugen
Griff in die Kiste in der Logistik

In der Praxis

Ein Lagerteam muss dünne, flache Artikel wie flach in einem Behälter liegende Bücher aufnehmen, unter die die Greiferfinger nicht greifen können. Seine Strategie: mit einem Finger auf den Artikel drücken, ihn gegen die Behälterwand schieben, bis sich seine gegenüberliegende Kante anhebt, und dann die angehobene Kante greifen. Der Arm läuft in Impedanzregelung, sodass die nach unten gerichtete Kraft beim Schieben in einem festgelegten Bereich bleibt. Der Ansatz funktioniert nur, wenn die Reibung zwischen Fingerpad und Artikel größer ist als die Reibung zwischen Artikel und Behälterboden; andernfalls rutscht der Finger über den Artikel. Die meisten Fehlschläge, die das Team sieht, haben diese Ursache, daher wählt es ein Fingerpad mit hoher Reibung und erkennt Rutschen anhand der Kraftmesswerte des Arms.

Häufige Missverständnisse

Geschickte Manipulation erfordert eine mehrfingrige Hand — viele In-Hand-Manipulationen lassen sich mit einem Parallelgreifer ausführen, indem man die Umgebung nutzt
Kontakt mit der Umgebung sollte immer vermieden werden — kollisionsfreie Planung behandelt ihn als Fehlschlag, aber bewusster, kontrollierter Kontakt ist oft der einfachste Weg zu einem neuen Griff
Extrinsische Geschicklichkeit ist nur Schieben — sie umfasst auch die Nutzung der Schwerkraft, dynamische Armbewegungen und das Absetzen eines Objekts, um es neu zu greifen

Wer das wissen sollte

Forschende in Manipulation und Greifen
Ingenieure für Lager- und Logistikautomatisierung
Greiferkonstrukteure
Ingenieure für Montageautomatisierung

Open Source Robotics