Dynamic Manipulation

Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
Tag: manipulation, dynamics, nonprehensile, deformable-objects, throwing

Manipolazione in cui le forze d'inerzia e di accelerazione sono essenziali per il compito, come nel lanciare, sbattere o afferrare al volo, così che l'oggetto continua a muoversi dopo la fine del contatto.

Definizione

Manipolazione dinamica (dynamic manipulation) comprende i compiti di manipolazione la cui analisi non può ignorare le forze necessarie ad accelerare il robot e l'oggetto. Matthew Mason e Kevin Lynch usarono il termine all'inizio degli anni 1990 per distinguere questi compiti dalle operazioni cinematiche, statiche e quasi-statiche che la maggior parte del lavoro su presa e assemblaggio presuppone. Lanciare, fare giocoleria, colpire con una mazza, gettare, strappare un oggetto da un tavolo e scuotere un tessuto sono esempi tipici: il robot accumula quantità di moto nell'oggetto, e gran parte del moto utile avviene dopo che l'end-effector ha rallentato o lo ha rilasciato.

Il vantaggio principale è la portata e la velocità. Un lancio può collocare un oggetto fuori dallo spazio di lavoro del braccio, uno sbattimento può stendere un indumento molto oltre l'apertura del braccio e un colpo rapido può spostare un oggetto che una spinta lenta si limiterebbe a trascinare. Le azioni dinamiche permettono anche a una pinza semplice, o a nessuna pinza, di controllare gradi di libertà che non può trattenere direttamente; gran parte di questo lavoro è non prensile e usa la gravità, l'inerzia e il contatto invece di una presa salda. Il prezzo è che il risultato dipende da grandezze difficili da misurare e da modellare: l'attrito durante lo strisciamento e il rilascio, il comportamento negli urti, la resistenza dell'aria su oggetti leggeri o deformabili, la banda passante degli attuatori ed errori di temporizzazione di pochi millisecondi.

Esistono due approcci generali. Il lavoro basato su modelli ricava le equazioni del moto del robot e dell'oggetto, pianifica traiettorie che rispettano i limiti di coppia e di velocità e spesso si affida a una retroazione rapida, come nei robot che fanno giocoleria o colpiscono con una mazza. Il lavoro basato sull'apprendimento, più comune con oggetti deformabili e articoli sconosciuti, apprende i parametri di un piccolo insieme di primitive di movimento, come uno sbattimento o un lancio, da prove in simulazione o su hardware, e corregge gli effetti che il modello non coglie. In entrambi i casi l'hardware deve poter raggiungere velocità elevate in sicurezza, ed è per questo che molti sistemi operano in celle recintate o con bracci leggeri.

Perché è importante

Molti compiti quotidiani sono molto più rapidi, o possibili soltanto, con un moto dinamico, dallo scuotere una camicia al gettare pezzi in un contenitore. Riconoscere quando un compito richiede la dinamica, invece di un moto quasi-statico lento, cambia la scelta dell'hardware, del modello, del controllore e delle misure di sicurezza.

Applicazioni principali

Dispiegamento di tessuti e indumenti tramite sbattimento
Lancio di oggetti in contenitori oltre la portata del braccio
Giocoleria, colpi con mazza e prese al volo con bracci veloci
Lanci non prensili e ripresa nella mano
Manipolazione di corde e cavi con movimenti a frusta o oscillanti

In pratica

Un team che costruisce un sistema a due bracci per dispiegare tessuti prova prima azioni di presa e trascinamento e scopre che un indumento stropicciato richiede molti passi per stendersi. Passa quindi a una primitiva di sbattimento: entrambe le pinze afferrano il tessuto in due punti, lo sollevano, lo fanno oscillare in avanti ad alta velocità e lo abbassano tirando all'indietro, così che la resistenza dell'aria e la quantità di moto del tessuto lo stendono piatto sul tavolo. Una policy appresa sceglie solo i due punti di presa da un'immagine dall'alto, mentre la traiettoria di sbattimento in sé è fissa e regolata sui limiti di velocità dei bracci. Gli ingegneri verificano che i limiti di velocità e accelerazione dei giunti dei bracci siano rispettati, che l'oscillazione resti all'interno dello spazio di lavoro classificato per la sicurezza e che le pinze trattengano il tessuto abbastanza saldamente da non perderlo a metà oscillazione.

Idee sbagliate comuni

Manipolazione dinamica significa semplicemente muovere il braccio velocemente — ciò che la definisce è che le forze d'inerzia contano per l'esito del compito, non la sola velocità del braccio
Richiede un modello fisico accurato — molti sistemi usano primitive di movimento fisse e ne apprendono i parametri da prove invece di modellare ogni effetto
È utile solo per dimostrazioni spettacolari — le azioni dinamiche possono ridurre il numero di passi necessari per compiti come stendere tessuti o riempire contenitori
Un pianificatore quasi-statico può semplicemente girare più veloce — quando l'inerzia conta, un modello quasi-statico non prevede più il moto dell'oggetto dopo il contatto

Chi dovrebbe saperlo

Ricercatori di manipolazione che lavorano su compiti con oggetti deformabili o non prensili
Ingegneri di robot learning che progettano primitive di movimento
Ingegneri del controllo che regolano traiettorie del braccio ad alta velocità
Ingegneri della sicurezza che specificano celle di lavoro per movimenti rapidi del robot

Tecnologie correlate

Manipolazione non prensile (Nonprehensile Manipulation)
Primitive di movimento (Motion Primitives)
Ottimizzazione di traiettorie (Trajectory Optimization)
Simulazione fisica (Physics Simulation)
Visione ad alta velocità (High-Speed Vision)

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