Force Closure

Auch genannt: force-closure grasp
Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: grasping, contact, statics, manipulation, grasp-quality

Eine Eigenschaft eines Griffs: Die Kontakte können mithilfe von Reibung gemeinsam einen Wrench aufbringen, der jeder äußeren Kraft und jedem äußeren Drehmoment auf das gehaltene Objekt widersteht.

Definition

Ein Griff besitzt Kraftschluss (force closure), wenn die Kräfte, die seine Kontakte aufbringen können, jeden äußeren Wrench auf das Objekt ausgleichen können, also jede Kombination aus Kraft und Drehmoment. Jeder Kontakt kann nur drücken, nicht ziehen, und mit Coulomb-Reibung kann er Kräfte überall innerhalb seines Reibungskegels aufbringen. Bildet man diese Kegelkräfte in den Wrench-Raum des Objekts ab, erhält man eine Menge von Kontakt-Wrenches; der Griff ist kraftschlüssig, wenn ihre nichtnegativen Kombinationen den gesamten Raum aufspannen (drei Dimensionen für ein ebenes Objekt, sechs für ein räumliches). Ein äquivalenter Test ist, dass der Ursprung des Wrench-Raums strikt im Inneren der konvexen Hülle der Kontakt-Wrenches liegt.

Kraftschluss unterscheidet sich vom Formschluss (form closure), bei dem das Objekt allein durch die Geometrie reibungsfreier Kontakte festgelegt wird. Formschluss braucht mehr Kontakte (mindestens vier für ein ebenes Objekt und sieben für ein räumliches), hängt aber nicht von Reibung ab. Kraftschluss braucht typischerweise weniger Kontakte, weil Reibung tangentiale Kraft beisteuert, setzt aber voraus, dass die Hand aktiv zudrückt: Innere Kräfte zwischen den Fingern drücken die Kontakte in ihre Reibungskegel. Ein klassisches Ergebnis für ebene Griffe, auf Nguyen (1988) zurückgehend, lautet, dass zwei reibungsbehaftete Kontakte Kraftschluss ergeben, wenn ihre Verbindungslinie in beiden Reibungskegeln liegt. In 3D können zwei Punktkontakte mit Reibung kein Drehmoment um diese Linie aufnehmen, sodass entweder Soft-Finger-Kontakte, die Torsionsreibung hinzufügen, oder ein dritter Kontakt nötig sind.

Kraftschluss ist eine Ja-oder-Nein-Eigenschaft, daher kombinieren Griffplaner ihn meist mit einem Gütemaß. Das bekannteste, von Ferrari und Canny (1992), ist der Radius der größten Kugel um den Ursprung, die in die konvexe Hülle der Kontakt-Wrenches passt: Ein größerer Radius bedeutet, dass die schlimmste Störung, der der Griff pro Einheit Fingerkraft widerstehen kann, größer ist. Analytische Griffplaner und viele lernbasierte Griff-Pipelines nutzen Kraftschluss oder solche Maße, um Trainingsdaten zu labeln, selbst wenn das eingesetzte System sie nie online berechnet.

Warum es wichtig ist

Kraftschluss ist die formale Standardantwort auf die Frage, ob ein Griff hält. Er erklärt, warum Fingerplatzierung, Reibung und Greifkraft alle eine Rolle spielen, und bildet die Grundlage für Griffgütemaße, simulierte Griff-Labels und die Analyse mehrfingriger Hände.

Wichtige Anwendungen

Labeln von Griffen zum Training lernbasierter Griffdetektoren
Analytische Griffplanung für Parallelgreifer und mehrfingrige Hände
Griffgütemaße im Wrench-Raum
Vorrichtungs- und Werkstückspannungsentwurf
Prüfen von Umgreifvorgängen in der Hand und Fingergangarten auf Stabilität

In der Praxis

Ein Team, das einen Datensatz für einen lernbasierten Griffdetektor aufbaut, sampelt Tausende von Kandidatengriffen für Parallelgreifer auf Objektnetzen. Für jeden Kandidaten bestimmt es die beiden Kontaktpunkte und ihre Oberflächennormalen, nähert jeden Reibungskegel mit acht Kanten unter einem angenommenen Reibungskoeffizienten von etwa 0,5 an und stellt die resultierenden Kontakt-Wrenches mit Soft-Finger-Torsionstermen zusammen. Ein lineares Programm oder ein Test mit der konvexen Hülle prüft, ob der Ursprung strikt im Inneren der Wrench-Menge liegt, und das Ferrari-Canny-Maß ordnet die bestandenen Griffe. Da der Reibungskoeffizient unsicher ist, wiederholt das Team den Test mit einem niedrigeren Koeffizienten und behält nur Griffe, die kraftschlüssig bleiben; so fallen Kandidaten nahe dem Rand des Reibungskegels heraus.

Häufige Missverständnisse

Kraftschluss bedeutet, dass der Griff nicht versagen kann — er besagt, dass die Kontakte bei ausreichender Greifkraft jedem Wrench widerstehen könnten; Aktuatorgrenzen, Rutschen und Objektverformung spielen weiterhin eine Rolle
Kraftschluss und Formschluss sind dasselbe — Formschluss entsteht allein aus der Geometrie ohne Reibung, während Kraftschluss von Reibung und aktivem Zudrücken abhängt
Zwei gegenüberliegende Finger ergeben in 3D immer Kraftschluss — zwei Punktkontakte können keine Drehung um die Linie zwischen ihnen aufnehmen, es sei denn, die Kontaktflächen liefern Torsionsreibung
Ein kraftschlüssiger Griff ist ein guter Griff — Kraftschluss ist binär; Gütemaße sind nötig, um einen grenzwertigen von einem robusten Griff zu unterscheiden

Wer das wissen sollte

Forschende in Griffplanung und Manipulation
Ingenieure, die Greifer und Roboterhände konstruieren
Entwickler, die Griffdatensätze in der Simulation erzeugen
Robotikstudierende, die Kontaktmechanik lernen

Videos

Modern Robotics, Chapter 12.2.3: Force Closure: Northwestern Robotics

Open Source Robotics