StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

Autoren: Carolyn Matl, Josephine Koe, Ruzena Bajcsy · ICRA 2021

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Eine von einem Parallelgreifer gedehnte und von einer Tiefenkamera abgebildete EcoFlex-Membran ergibt einen weichen taktilen Endeffektor mit einstellbarer Steifigkeit zum Erfassen und Formen verformbarer Objekte.

Warum es wichtig ist

Das Design nutzt einen Standard-Parallelgreifer und eine handelsübliche Tiefenkamera; eine gegossene Silikonfolie und 3D-gedruckte Fingerhalterungen sind die einzigen Sonderteile. Ein einziger Endeffektor kann zwischen einem weichen, anschmiegsamen Modus zum Messen der Geometrie und einem steiferen Modus zum Drücken und Formen von Objekten wechseln, was die Teigformungs-Demonstration nacheinander nutzt.

Problem

Die Manipulation fester, verformbarer Objekte wie Teig erfordert sowohl die Kontaktgeometrie als auch die Nachgiebigkeit des Objekts, doch herkömmliche taktile Sensoren messen meist nur das eine oder das andere. Weiche optische Sensoren wie GelSight bilden den Kontakt hochaufgelöst ab, haben aber eine feste Membransteifigkeit und erfassen daher nur einen engen Bereich der Objekthärte, bevor sie das Objekt selbst verformen.

Lösungsansatz

StRETcH hängt eine flache EcoFlex-50-Silikonmembran von 100 × 90 × 2 mm zwischen die Finger eines Robotiq-2-Finger-Greifers an einem UR5-Arm, wobei eine Intel-RealSense-SR305-Tiefenkamera die Membran von hinten abbildet. Das Öffnen des Greifers dehnt die Membran einachsig und erhöht ihre Steifigkeit; Kontaktbereiche werden anhand der lokalen Krümmung aus dem Tiefenbild segmentiert. Das Verhalten der Membran wird mit der Hertzschen Kontakttheorie als äquivalenter elastischer Halbraum modelliert, dessen effektiver Modul E* gegen die Dehnung kalibriert wird, sodass die Hand die Kontaktkraft aus Kontaktgeometrie und Dehnungszustand schätzen kann.

Wichtigste Erkenntnisse

Das einachsige Dehnen der Membran mit dem Greifer ist ein einfacherer Weg zur Steifigkeitsregelung als die pneumatische Druckbeaufschlagung in der früheren SOFTcell-Fingerspitze der Autoren.
Geringe Dehnungszustände bieten die höchste geometrische Empfindlichkeit, höhere Dehnungszustände erlauben größere Kontaktkräfte, sodass die Hand als multimodaler Sensor-Aktuator arbeitet.
Je steifer die Membran, desto tiefer muss die Eindrückung für Submillimeter-Geometriegenauigkeit sein; Eindrückungen unter 2 mm schnitten bei allen Testzylindern schlecht ab.
Die Membran als äquivalenten elastischen Halbraum zu behandeln, ist physikalisch nicht exakt, passt aber ab etwa 3 mm Eindrückung eng zu den Kraftdaten und ist schnell genug für den Echtzeiteinsatz.
Zuerst den Kontaktradius messen und dann beim Drücken die Dehnung erhöhen, bis das Objekt nachgibt, liefert einen Steifigkeits-Proxy, der Materialien unterschiedlicher Nachgiebigkeit unterscheidet.

Hauptergebnisse

Der effektive Modul lässt sich durch Dehnen der Membran von etwa 4 kPa bis 9 kPa einstellen, mit geringer Varianz über 5 Versuche.
Schätzungen der Kontaktgeometrie erreichen bei geeigneter Eindrücktiefe und Dehnung Submillimetergenauigkeit; Rekonstruktionen von Holzobjekten lagen innerhalb von 2 mm der realen Maße und Höhen von Papierobjekten innerhalb von 3 mm.
Der Leave-one-out-Fehler der Lastkraftschätzung betrug im Mittel 0,023 ± 0,011 N, unter 1 % des Arbeitsbereichs (Section V-C); das Fazit gibt den mittleren Fehler mit weniger als ±0,025 N an.
Steifigkeits-Proxys für Ballons: Luft 0,387 ± 0,081, Wasser 0,726 ± 0,085, Chia-Pudding 1,112 ± 0,178 und Chiasamen 1,431 ± 0,182 N/mm.
Play-Doh-Würfel wurden zu Kugeln gerollt und zu Keksen gedrückt, mit einer mittleren Rundheit von 0,888 (0,785 entspricht einem Quadrat, 1 einem Kreis).

Einschränkungen

Die Steifigkeit und damit die ausgeübte Kraft sind durch die Membrandicke und die maximale Dehnung, die der Greifer erlaubt, nach oben begrenzt.
Das Hertzsche Halbraummodell ist eine Näherung; eine Membran ist mechanisch anders und komplexer als ein elastischer Halbraum.
Die Kontaktsegmentierung setzt voraus, dass Objekte flach oder konvex und größer als ein einzelnes Oberflächenelement der Membran sind.
Das Rollen von Teig zu einer Kugel dauerte im Mittel etwa zehn Minuten und bis zu zwanzig; die tangentiale Zugkraft beim Rollen wird nicht modelliert.
Die Steifigkeitswerte der Ballons sind Proxys aus einer Näherung mit einem Freiheitsgrad, und das Rauschen des Tiefensensors betrug etwa ±1 mm.

Wirkung auf das Fachgebiet

Die Arbeit gewann den IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation und hat 5 Zitierungen. Sie beschreibt den vollständigen Aufbau (Gießen der Membran, Halterungen, Sensor), gibt aber keine Veröffentlichung von Code, Daten oder Konstruktionsdateien an.

Zusammenfassung

Weiche optische taktile Sensoren ermöglichen es Robotern, verformbare Objekte zu manipulieren, indem sie wichtige Merkmale wie hochaufgelöste Kontaktgeometrie und Schätzungen der Objektnachgiebigkeit erfassen. Diese Arbeit stellt einen weichen taktilen Endeffektor mit variabler Steifigkeit namens StRETcH vor, eine Soft to Resistive Elastic Tactile Hand, die sich leicht herstellen und in einen Roboterarm integrieren lässt. Eine elastische Membran ist zwischen zwei Roboterfingern aufgehängt, und ein Tiefensensor, der die Verformungen der elastischen Membran erfasst, ermöglicht Schätzungen der Kontaktgeometrie mit Submillimetergenauigkeit. Der Parallelgreifer verändert die Steifigkeit der Membran, indem er sie einachsig dehnt, wodurch der effektive Modul von StRETcH kontrolliert von etwa 4kPa bis 9kPa moduliert wird. Diese Arbeit verwendet StRETcH, um die Kontaktgeometrie starrer und verformbarer Objekte zu rekonstruieren, die Steifigkeit von vier mit unterschiedlichen Substanzen gefüllten Ballons zu schätzen und Teig in eine gewünschte Form zu bringen.

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