StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

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

Licencias

• Acceso abierto
• Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

Una membrana de EcoFlex estirada por una pinza de mordazas paralelas y captada por una cámara de profundidad da un efector final táctil blando de rigidez ajustable para percibir y dar forma a objetos deformables.

Por qué importa

El diseño reutiliza una pinza de mordazas paralelas estándar y una cámara de profundidad comercial, con una lámina de silicona colada y soportes de dedos impresos en 3D como únicas piezas a medida. Un mismo efector final puede alternar entre un modo blando y adaptable para medir la geometría y un modo más rígido para presionar y dar forma a objetos, que la demostración de moldeado de masa usa en secuencia.

Problema

Manipular objetos deformables sólidos como la masa requiere tanto la geometría de contacto como la complianza del objeto, pero los sensores táctiles convencionales suelen medir una u otra. Los sensores ópticos blandos como GelSight captan el contacto en alta resolución pero tienen una rigidez de membrana fija, por lo que solo perciben un rango estrecho de dureza de objetos antes de deformar ellos mismos el objeto.

Solución propuesta

StRETcH suspende una membrana plana de silicona EcoFlex 50 de 100 × 90 × 2 mm entre los dedos de una pinza Robotiq de 2 dedos montada en un brazo UR5, con una cámara de profundidad Intel RealSense SR305 que capta la membrana desde detrás. Abrir la pinza estira la membrana uniaxialmente y aumenta su rigidez; las regiones de contacto se segmentan a partir de la imagen de profundidad por curvatura local. La respuesta de la membrana se modela con la teoría de contacto de Hertz como un semiespacio elástico equivalente cuyo módulo efectivo E* se calibra frente al estiramiento, lo que permite a la mano estimar la fuerza de contacto a partir de la geometría de contacto y del estado de estiramiento.

Ideas clave

• Estirar uniaxialmente la membrana con la pinza es una forma más sencilla de controlar la rigidez que la presurización neumática usada en la yema SOFTcell anterior de los autores.
• Los estados de poco estiramiento dan la mayor sensibilidad geométrica, mientras que los de más estiramiento permiten fuerzas de contacto mayores, de modo que la mano funciona como un sensor-actuador multimodal.
• Cuanto más rígida es la membrana, más profunda debe ser la indentación para lograr precisión geométrica submilimétrica; las indentaciones de menos de 2 mm dieron malos resultados para todos los cilindros de prueba.
• Tratar la membrana como un semiespacio elástico equivalente no es físicamente exacto, pero se ajusta bien a los datos de fuerza a partir de unos 3 mm de indentación y es lo bastante rápido para su uso en tiempo real.
• Medir primero el radio de contacto y luego aumentar el estiramiento mientras se presiona hasta que el objeto cede da un indicador de rigidez que separa materiales de distinta complianza.

Resultados principales

• El módulo efectivo es controlable desde unos 4 kPa hasta 9 kPa estirando la membrana, con baja varianza en 5 ensayos.
• Las estimaciones de la geometría de contacto alcanzan precisión submilimétrica con una profundidad de indentación y un estiramiento adecuados; las reconstrucciones de objetos de madera quedaron a menos de 2 mm de las dimensiones reales y las alturas de objetos de papel, a menos de 3 mm.
• El error de estimación de la fuerza de carga con validación dejando uno fuera promedió 0,023 ± 0,011 N, menos del 1 % del rango de operación (sección V-C); la conclusión indica que el error medio es inferior a ±0,025 N.
• Indicadores de rigidez de los globos: aire 0,387 ± 0,081, agua 0,726 ± 0,085, pudin de chía 1,112 ± 0,178 y semillas de chía 1,431 ± 0,182 N/mm.
• Se enrollaron cubos de Play-Doh hasta formar esferas y se prensaron en galletas con una circularidad media de 0,888 (0,785 es un cuadrado, 1 un círculo).

Limitaciones

• La rigidez, y por tanto la fuerza ejercida, está acotada superiormente por el grosor de la membrana y el estiramiento máximo que permite la pinza.
• El modelo de semiespacio de Hertz es una aproximación; una membrana es mecánicamente distinta y más compleja que un semiespacio elástico.
• La segmentación del contacto supone que los objetos son planos o convexos y mayores que un único elemento de superficie de la membrana.
• Enrollar la masa hasta formar una esfera llevó de media unos diez minutos y hasta veinte; la tracción tangencial durante el enrollado no se modela.
• Los valores de rigidez de los globos son indicadores obtenidos de una aproximación de un grado de libertad, y el ruido del sensor de profundidad fue de unos ±1 mm.

Impacto en el campo

El artículo ganó el IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation y tiene 5 citas. Describe la construcción completa (colado de la membrana, soportes, sensor), pero no indica que se hayan publicado código, datos ni archivos de diseño.

Resumen

Los sensores táctiles ópticos blandos permiten a los robots manipular objetos deformables al capturar características importantes, como la geometría de contacto de alta resolución y estimaciones de la complianza del objeto. Este trabajo presenta un efector final táctil blando de rigidez variable llamado StRETcH, una Soft to Resistive Elastic Tactile Hand, que se fabrica con facilidad y se integra con un brazo robótico. Una membrana elástica está suspendida entre dos dedos robóticos, y un sensor de profundidad que captura las deformaciones de la membrana elástica permite estimaciones de las geometrías de contacto con precisión submilimétrica. La pinza de mordazas paralelas varía la rigidez de la membrana estirándola uniaxialmente, lo que modula de forma controlable el módulo efectivo de StRETcH desde aproximadamente 4kPa hasta 9kPa. Este trabajo usa StRETcH para reconstruir la geometría de contacto de objetos rígidos y deformables, estimar la rigidez de cuatro globos llenos de distintas sustancias y manipular masa hasta darle una forma deseada.

Enlaces

• arXiv 2105.08154: https://arxiv.org/abs/2105.08154
• DOI 10.1109/ICRA48506.2021.9561822: https://doi.org/10.1109/ICRA48506.2021.9561822
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2105.08154v1