Quasi-Static Manipulation

Auch genannt: quasistatic manipulation
Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: manipulation, contact, friction, statics, pushing

Manipulation, die langsam genug ist, dass Trägheitskräfte ignoriert werden können, sodass Roboter und Objekt so behandelt werden, als durchliefen sie eine Folge von Zuständen im Kräftegleichgewicht.

Definition

Quasistatische Manipulation (Quasi-Static Manipulation) ist Manipulation, die unter der Annahme analysiert wird, dass die Bewegung langsam genug ist, um Trägheitskräfte vernachlässigen zu können. In jedem Augenblick wird angenommen, dass sich die Kräfte und Momente auf das Objekt, aus Schwerkraft, den Kontakten des Roboters, der Auflagefläche und Reibung, im Gleichgewicht befinden, sodass das System eine Folge von Gleichgewichtszuständen durchläuft. Anders als eine rein statische Analyse lassen quasistatische Modelle weiterhin Gleiten zu: Coulomb-Reibung an bewegten Kontakten wird berücksichtigt, während die Terme Masse mal Beschleunigung entfallen.

Diese Annahme deckt einen großen Teil der praktischen Manipulation ab: Pick-and-Place, langsames Schieben über einen Tisch, Peg-in-Hole-Einsetzen, das Entlanggleitenlassen eines Objekts an einer Wand, um es neu auszurichten, und die meisten Griffanalysen. Sie vereinfacht die Mechanik erheblich. Die Bewegung des Objekts hängt von der Richtung der Roboterbewegung sowie von Kontaktgeometrie und Reibung ab, nicht aber von deren Geschwindigkeit, sodass Planer über Pfade statt über vollständige Trajektorien schließen können. Zu den klassischen Ergebnissen auf Grundlage dieser Annahme gehören Masons Analyse des Schiebens, die Grenzfläche (Limit Surface), die Reibungskraft und Reibungsmoment eines auf einer Ebene gleitenden Objekts zueinander in Beziehung setzt, sowie Jamming- und Wedging-Diagramme für Einsetzaufgaben.

Die Annahme bricht zusammen, wenn Objekte nach Ende des Kontakts weit gleiten oder kippen, wenn Stöße auftreten oder wenn sich der Roboter im Verhältnis zu Masse und Reibung des Objekts schnell bewegt. Eine übliche Prüfung besteht darin, die aus den geplanten Beschleunigungen folgenden Trägheitskräfte mit den Reibungs- und Kontaktkräften zu vergleichen; sind sie von ähnlicher Größe, wird ein dynamisches Modell benötigt. Zwischenmodelle, manchmal quasidynamisch genannt, behalten die Zeitschrittstruktur eines Simulators bei, vernachlässigen aber weiterhin die meisten Trägheitseffekte, und werden in einigen kontaktreichen Planern eingesetzt.

Warum es wichtig ist

Die meisten Algorithmen für Greifen, Schieben und Montage setzen quasistatische Bedingungen voraus, oft implizit. Wer die Annahme kennt und weiß, wann sie versagt, kann erklären, warum ein Planer bei geringer Geschwindigkeit funktioniert, aber nicht mehr, wenn der Roboter beschleunigt wird, und wann ein dynamisches Modell oder eine andere Strategie nötig ist.

Wichtige Anwendungen

Ebenes Schieben und Gleitenlassen von Objekten auf einer Oberfläche
Pick-and-Place und Analyse der Griffstabilität
Peg-in-Hole-Einsetzen und Montageplanung
Neuausrichten von Objekten mithilfe von Wänden und Vorrichtungen
Kontaktreiche Planung mit langsamen, nachgiebigen Robotern

In der Praxis

Ein Lagerteam plant Schiebebewegungen, um Kartons vor dem Greifen an einem Anschlag entlang auszurichten. Ihr Planer verwendet ein quasistatisches Schiebemodell mit einer Grenzfläche, die aus der Grundfläche des Kartons und einem geschätzten Reibungskoeffizienten berechnet wird, und sagt so für einen gegebenen Schieberpfad unabhängig von der Geschwindigkeit voraus, wie sich jeder Karton dreht und verschiebt. Am realen System begrenzen sie die Geschwindigkeit des Schiebers, damit die Kartons anhalten, wenn der Schieber anhält; als ein Manager schnellere Zyklen verlangt, messen sie zuerst, wie weit die Kartons nach Ende des Kontakts weitergleiten, und erhöhen die Geschwindigkeit nur, solange dieses Überschwingen innerhalb der Toleranz für die Ausrichtung bleibt.

Häufige Missverständnisse

Quasistatisch bedeutet, dass sich nichts bewegt — Objekte können gleiten und sich drehen; nur die Trägheitsterme werden vernachlässigt
Quasistatische Modelle ignorieren Reibung — Reibung an gleitenden und haftenden Kontakten ist für sie zentral
Jeder langsame Roboter ist quasistatisch — entscheidend ist, ob die Trägheitskräfte im Verhältnis zu den Kontakt- und Reibungskräften klein sind, was neben der Geschwindigkeit auch von Masse und Reibung des Objekts abhängt
Quasistatische Ergebnisse gelten bei jeder Geschwindigkeit, weil die Geschwindigkeit im Modell nicht vorkommt — diese Unabhängigkeit ist eine Folge der Annahme und gilt nicht mehr, sobald die Trägheit eine Rolle spielt

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Manipulations- und Griffplanung
Konstrukteure von Montageabläufen und Vorrichtungen
Forschende, die an Schieben und nicht-greifender (nonprehensile) Manipulation arbeiten
Robotikstudierende, die sich mit Kontaktmechanik befassen

Open Source Robotics