Nonprehensile Manipulation

Detto anche: non-prehensile manipulation, graspless manipulation
Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
Tag: manipulation, pushing, contact, friction, mechanics

Spostare o riorientare oggetti senza afferrarli, per esempio spingendoli, facendoli scivolare, inclinandoli, facendoli rotolare, facendoli ruotare attorno a un perno o lanciandoli, sfruttando attrito, gravità e dinamica invece di una presa salda.

Definizione

Manipolazione non prensile (nonprehensile manipulation) è la manipolazione in cui il robot cambia lo stato di un oggetto senza tenerlo in una presa. Esempi sono spingere una scatola su un tavolo, far scivolare un libro sottile fino al bordo del tavolo per poterlo afferrare, inclinare un oggetto pesante su uno spigolo, far rotolare un cilindro, far ruotare un oggetto facendo perno contro una parete, colpirlo o lanciarlo. In una presa prensile la mano vincola completamente l'oggetto, che quindi si muove con la mano; nella manipolazione non prensile l'oggetto è vincolato solo in parte e il suo moto dipende da attrito, gravità, inerzia e contatto con l'ambiente.

Poiché l'oggetto non è trattenuto, il robot deve prevedere come risponderà al contatto, e questo rende centrale la meccanica. Il lavoro di Matthew Mason sulla meccanica della spinta negli anni Ottanta ha posto le basi: in una spinta lenta, il verso in cui un oggetto ruota dipende dal centro di attrito e dal cono di attrito nel contatto dello spintore, e un contatto di spinta può essere progettato in modo da essere stabile, così che l'oggetto si muova con lo spintore senza scivolare. La superficie limite descrive la relazione tra il wrench di attrito e il moto di strisciamento di un oggetto su una superficie. Questi modelli analitici dipendono da coefficienti di attrito e distribuzioni di pressione difficili da conoscere in anticipo, ed è per questo che molti sistemi recenti apprendono dai dati modelli di spinta o correzioni residue di quelli analitici.

La manipolazione non prensile si sovrappone a due termini vicini, ma se ne distingue. La manipolazione quasi-statica (quasi-static manipulation) è un'ipotesi sulla velocità, cioè che le forze inerziali possano essere trascurate, e la spinta lenta è sia quasi-statica sia non prensile. La manipolazione dinamica (dynamic manipulation) si basa sulle forze inerziali, e lanciare o colpire sono sia dinamici sia non prensili. La presa stessa può essere quasi-statica o dinamica, quindi si tratta di assi separati. Le azioni non prensili vengono anche usate come passaggio prima della presa, per portare un oggetto in una posa in cui la presa diventa possibile, il che è strettamente legato alla destrezza estrinseca.

Perché è importante

Molti oggetti sono troppo grandi, troppo piatti, troppo pesanti o troppo ammassati per essere afferrati direttamente, e una pinza semplice o persino una semplice paletta può svolgere un lavoro utile spingendo e facendo scivolare. Le abilità non prensili ampliano ciò che un hardware semplice può fare, ma richiedono buoni modelli di contatto o dinamiche apprese, perché l'oggetto non è mai completamente sotto il controllo del robot.

Applicazioni principali

Spinta di oggetti verso pose obiettivo in spazi di lavoro ingombri
Manipolazione prima della presa, come far scivolare oggetti fino al bordo di un tavolo o allontanarli dalle pareti
Ribaltare, inclinare e far ruotare attorno a un perno oggetti pesanti o grandi
Smistamento e separazione (singulation) in contenitori e su nastri trasportatori
Lanci, colpi e altri compiti dinamici
Manipolazione con end effector semplici come palette e sponde

In pratica

Un robot logistico deve prelevare un pacco piatto appoggiato a filo contro la parete di un contenitore, dove la pinza non riesce ad arrivare sotto di esso. Il pianificatore prima spinge il pacco lontano dalla parete con la pinza chiusa, usando un modello di spinta per scegliere un punto di contatto e una direzione che traslino il pacco senza ruotarlo troppo. Una telecamera traccia il pacco dopo ogni spinta, e il controllore corregge la spinta successiva se il pacco ha ruotato più del previsto. Appena si apre uno spazio, la pinza fa scivolare un dito sotto il bordo e afferra. Il team registra le pose previste e osservate del pacco per affinare i parametri di attrito del modello di spinta.

Idee sbagliate comuni

Non prensile significa dinamico — la spinta lenta è non prensile e quasi-statica, mentre il lancio è non prensile e dinamico
Spingere è semplice perché non serve una presa — il risultato dipende dall'attrito e dalla distribuzione della pressione, di solito incerti, quindi la previsione è più difficile che per un oggetto afferrato
La manipolazione non prensile è solo un ripiego per pinze scadenti — spesso è il modo più efficiente di gestire oggetti grandi, piatti o ammassati anche con mani capaci

Chi dovrebbe saperlo

Ricercatori e ingegneri di manipolazione
Ingegneri di automazione per magazzini e logistica
Ingegneri di pianificazione del movimento che lavorano con il contatto
Ricercatori di apprendimento robotico che addestrano policy di spinta e scivolamento

Tecnologie correlate

Modelli a superficie limite (Limit Surface Models)
Pianificazione delle spinte (Push Planning)
Ottimizzazione di traiettorie con contatto implicito (Contact-Implicit Trajectory Optimization)
Modelli di dinamica appresi (Learned Dynamics Models)
Simulatori fisici (Physics Simulators)

Termini correlati

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