Grasp Quality Metric

• Detto anche: grasp quality measure, grasp score
• Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
• Tag: grasping, grasp-analysis, wrench-space, manipulation, datasets

Un punteggio di quanto è buona una presa, ad esempio quanto è grande il wrench di disturbo che i suoi contatti possono contrastare, usato per ordinare le prese candidate, guidare l'ottimizzazione delle prese ed etichettare i dataset di prese.

Definizione

Una metrica di qualità della presa (grasp quality metric) assegna un punteggio scalare a una presa in modo che le candidate possano essere confrontate e la migliore scelta. Le metriche analitiche partono da un modello dei contatti tra mano e oggetto: le loro posizioni, le normali alla superficie e i coefficienti di attrito. La più usata è la metrica epsilon di Ferrari e Canny (1992). Il cono di attrito di ciascun contatto viene approssimato da un insieme di forze sugli spigoli, ogni forza viene convertita in un wrench rispetto a un punto di riferimento, di solito il centro di massa dell'oggetto, e l'inviluppo convesso di questi wrench primitivi forma lo spazio dei wrench della presa. La qualità epsilon è il raggio della più grande sfera centrata nell'origine che sta dentro quell'inviluppo: la massima intensità di wrench di disturbo che la presa può contrastare in ogni direzione quando la somma delle forze normali di contatto è limitata a uno. Una variante che limita separatamente la forza di ciascun contatto costruisce l'inviluppo dalla somma di Minkowski degli insiemi di wrench dei contatti, e una metrica di volume correlata usa il volume dell'inviluppo al posto della sfera.

La metrica epsilon è positiva esattamente quando l'origine si trova strettamente all'interno dello spazio dei wrench della presa, che è la condizione di chiusura di forza, per cui estende la verifica sì-o-no della chiusura di forza a un punteggio graduato. Ha sensibilità ben note: forze e coppie hanno unità diverse, quindi il valore dipende da come viene scalata la coppia, spesso con un raggio caratteristico dell'oggetto, e dal punto di riferimento scelto, e presuppone contatti rigidi esatti e un coefficiente di attrito noto. Altre metriche analitiche misurano proprietà della matrice di presa, come il suo valore singolare minimo, oppure della configurazione della mano, come la distanza dai limiti dei giunti o dalle singolarità.

Poiché i punteggi analitici non sempre predicono i risultati reali, molti sistemi usano metriche empiriche o apprese. Una presa può essere valutata in base al suo tasso di successo in simulazione con perturbazioni della posa, dell'attrito e della forma dell'oggetto, o in base alla sua robustezza a tale incertezza, come nella linea di lavoro di Dex-Net, e si possono addestrare reti neurali a prevedere tale punteggio direttamente da immagini o nuvole di punti. I grandi dataset di prese filtrano o etichettano le candidate con una di queste metriche, quindi la scelta della metrica determina ciò che un pianificatore di prese appreso tratterà poi come una buona presa.

Perché è importante

La pianificazione della presa è una ricerca, e una ricerca ha bisogno di un obiettivo. La metrica di qualità è quell'obiettivo: decide quali prese un pianificatore esegue e quali prese un dataset conta come positive. Sapere che cosa misura una metrica e che cosa ignora aiuta a spiegare perché una presa con un buon punteggio nell'analisi può comunque scivolare sulla mano reale.

Applicazioni principali

• Ordinamento delle candidate in pianificatori di presa analitici come GraspIt!
• Etichettatura di grandi dataset sintetici di prese
• Termine obiettivo o di perdita nell'ottimizzazione delle prese
• Obiettivi di addestramento per reti apprese di qualità della presa
• Confronto tra progetti di mani robotiche in base alle prese che riescono a ottenere
• Scelta delle riprese durante la manipolazione in mano

In pratica

Un gruppo che genera un dataset di prese di manipolazione fine campiona pose della mano attorno a migliaia di mesh di oggetti e, per ogni candidata, trova i punti di contatto tra le dita e la superficie. Approssima il cono di attrito di ciascun contatto con una piramide a otto facce per un coefficiente di attrito ipotizzato, calcola la metrica epsilon rispetto al centro di massa dell'oggetto con le coppie divise per il raggio d'ingombro dell'oggetto e scarta le prese il cui punteggio è vicino a zero. Poiché il punteggio analitico presuppone contatti perfetti, prova poi le prese rimanenti in un simulatore fisico, applicando la gravità lungo diverse direzioni una dopo l'altra, e conserva solo le prese che trattengono l'oggetto in ogni prova. Il dataset registra sia il punteggio analitico sia l'esito simulato, così gli utenti possono vedere dove i due non concordano.

Idee sbagliate comuni

• Un punteggio epsilon alto garantisce una presa riuscita — presuppone posizioni di contatto esatte, corpi rigidi e attrito noto, e ignora se la mano possa davvero applicare le forze richieste
• Un punteggio nullo significa che l'oggetto cadrà — zero significa assenza di chiusura di forza, ma una presa può comunque trattenere un oggetto contro un carico noto come la gravità
• Il valore epsilon è una proprietà fisica della presa — dipende dalla scalatura della coppia, dal punto di riferimento e dall'approssimazione del cono di attrito, quindi i valori sono confrontabili solo con le stesse convenzioni
• Una metrica di qualità della presa è la stessa cosa della chiusura di forza — la chiusura di forza è una condizione binaria; una metrica di qualità gradua le prese, e la metrica epsilon è positiva esattamente per le prese in chiusura di forza

Chi dovrebbe saperlo

• Ricercatori di pianificazione della presa
• Ingegneri di manipolazione fine
• Gruppi che costruiscono dataset sintetici di prese
• Progettisti di mani robotiche

Tecnologie correlate

• GraspIt!
• Dex-Net
• Spazio dei wrench della presa (Grasp Wrench Space)
• Qhull
• Matrice di presa (Grasp Matrix)
• Simulatori fisici (Physics Simulators)

Termini correlati

• Force Closure
• Grasp Planning
• Friction Cone
• Wrench
• Antipodal Grasp
• Eigengrasp

Progetti correlati

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