StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

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

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• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Une membrane EcoFlex étirée par une pince à mâchoires parallèles et imagée par une caméra de profondeur forme un effecteur terminal tactile souple à raideur réglable pour percevoir et façonner des objets déformables.

Pourquoi c'est important

La conception réutilise une pince à mâchoires parallèles standard et une caméra de profondeur du commerce, une feuille de silicone moulée et des supports de doigts imprimés en 3D étant les seules pièces sur mesure. Un même effecteur terminal peut passer d'un mode souple et épousant les formes, pour mesurer la géométrie, à un mode plus raide pour presser et façonner des objets, ce que la démonstration de façonnage de pâte utilise successivement.

Problème

Manipuler des objets solides déformables comme de la pâte nécessite à la fois la géométrie de contact et la compliance de l'objet, mais les capteurs tactiles classiques mesurent généralement l'une ou l'autre. Les capteurs optiques souples comme GelSight imagent le contact en haute résolution mais ont une raideur de membrane fixe ; ils ne perçoivent donc qu'une plage étroite de dureté d'objet avant de déformer eux-mêmes l'objet.

Solution proposée

StRETcH suspend une membrane plate en silicone EcoFlex 50 de 100 × 90 × 2 mm entre les doigts d'une pince Robotiq à 2 doigts montée sur un bras UR5, une caméra de profondeur Intel RealSense SR305 imageant la membrane par l'arrière. L'ouverture de la pince étire la membrane de manière uniaxiale et augmente sa raideur ; les régions de contact sont segmentées dans l'image de profondeur selon la courbure locale. La réponse de la membrane est modélisée par la théorie du contact de Hertz comme un demi-espace élastique équivalent dont le module effectif E* est étalonné en fonction de l'étirement, ce qui permet à la main d'estimer la force de contact à partir de la géométrie de contact et de l'état d'étirement.

Idées clés

• Étirer la membrane de manière uniaxiale avec la pince est un moyen plus simple de contrôler la raideur que la pressurisation pneumatique utilisée dans le précédent bout de doigt SOFTcell des auteurs.
• Les faibles états d'étirement donnent la plus grande sensibilité géométrique, tandis que les états plus étirés autorisent des forces de contact plus élevées ; la main fonctionne donc comme un capteur-actionneur multimodal.
• Plus la membrane est raide, plus l'enfoncement nécessaire pour une précision géométrique submillimétrique est profond ; les enfoncements inférieurs à 2 mm ont donné de mauvais résultats pour tous les cylindres de test.
• Traiter la membrane comme un demi-espace élastique équivalent n'est pas physiquement exact, mais s'ajuste étroitement aux données de force au-delà d'environ 3 mm d'enfoncement et reste assez rapide pour un usage en temps réel.
• Mesurer d'abord le rayon de contact, puis augmenter l'étirement en pressant jusqu'à ce que l'objet fléchisse, fournit un indicateur indirect de raideur qui distingue des matériaux de compliances différentes.

Principaux résultats

• Le module effectif est réglable d'environ 4 kPa à 9 kPa en étirant la membrane, avec une faible variance sur 5 essais.
• Les estimations de géométrie de contact atteignent une précision submillimétrique avec une profondeur d'enfoncement et un étirement adaptés ; les reconstructions d'objets en bois étaient à moins de 2 mm des dimensions réelles et les hauteurs d'objets en papier à moins de 3 mm.
• L'erreur d'estimation de la force de charge en leave-one-out était en moyenne de 0,023 ± 0,011 N, moins de 1 % de la plage de fonctionnement (Section V-C) ; la conclusion indique une erreur moyenne inférieure à ±0,025 N.
• Indicateurs de raideur des ballons : air 0,387 ± 0,081, eau 0,726 ± 0,085, pudding de chia 1,112 ± 0,178 et graines de chia 1,431 ± 0,182 N/mm.
• Des cubes de Play-Doh ont été roulés en sphères et pressés en biscuits, avec une circularité moyenne de 0,888 (0,785 correspond à un carré, 1 à un cercle).

Limites

• La raideur, et donc la force exercée, est bornée supérieurement par l'épaisseur de la membrane et l'étirement maximal que permet la pince.
• Le modèle de demi-espace de Hertz est une approximation ; une membrane est mécaniquement différente et plus complexe qu'un demi-espace élastique.
• La segmentation du contact suppose que les objets sont plats ou convexes et plus grands qu'un seul élément de surface de la membrane.
• Rouler la pâte en sphère a pris environ dix minutes en moyenne et jusqu'à vingt ; la traction tangentielle pendant le roulage n'est pas modélisée.
• Les valeurs de raideur des ballons sont des indicateurs indirects issus d'une approximation à un degré de liberté, et le bruit du capteur de profondeur était d'environ ±1 mm.

Impact sur le domaine

L'article a remporté le IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation et compte 5 citations. Il décrit la fabrication complète (moulage de la membrane, supports, capteur) mais ne mentionne pas de publication de code, de données ou de fichiers de conception.

Résumé

Les capteurs tactiles optiques souples permettent aux robots de manipuler des objets déformables en capturant des caractéristiques importantes telles que la géométrie de contact à haute résolution et des estimations de la compliance de l'objet. Ce travail présente un effecteur terminal tactile souple à raideur variable appelé StRETcH, une Soft to Resistive Elastic Tactile Hand, facile à fabriquer et à intégrer à un bras robotisé. Une membrane élastique est suspendue entre deux doigts robotiques, et un capteur de profondeur qui capture les déformations de la membrane élastique permet des estimations des géométries de contact avec une précision submillimétrique. La pince à mâchoires parallèles fait varier la raideur de la membrane en l'étirant de manière uniaxiale, ce qui module de façon contrôlée le module effectif de StRETcH d'environ 4kPa à 9kPa. Ce travail utilise StRETcH pour reconstruire la géométrie de contact d'objets rigides et déformables, estimer la raideur de quatre ballons remplis de substances différentes et manipuler de la pâte pour lui donner une forme voulue.

Liens

• 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