Quasi-Static Manipulation

• Detto anche: quasistatic manipulation
• Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
• Tag: manipulation, contact, friction, statics, pushing

Manipolazione abbastanza lenta da poter ignorare le forze d'inerzia, così che il robot e l'oggetto sono trattati come se attraversassero una successione di stati in equilibrio di forze.

Definizione

Manipolazione quasi-statica (quasi-static manipulation) è la manipolazione analizzata nell'ipotesi che il moto sia abbastanza lento da rendere trascurabili le forze d'inerzia. In ogni istante si suppone che le forze e i momenti sull'oggetto, dovuti alla gravità, ai contatti del robot, alla superficie d'appoggio e all'attrito, si bilancino, così che il sistema attraversa una successione di stati di equilibrio. A differenza di un'analisi puramente statica, i modelli quasi-statici ammettono comunque lo strisciamento: l'attrito coulombiano nei contatti in moto è incluso, mentre i termini massa per accelerazione vengono scartati.

Questa ipotesi copre gran parte della manipolazione pratica: pick-and-place, spinte lente su un tavolo, inserimento di un perno in un foro (peg-in-hole), far strisciare un oggetto contro una parete per riorientarlo e la maggior parte dell'analisi della presa. Semplifica molto la meccanica. Il moto dell'oggetto dipende dalla direzione del moto del robot e dalla geometria e dall'attrito dei contatti, ma non dalla sua velocità, quindi i pianificatori possono ragionare su percorsi invece che su traiettorie complete. Tra i risultati classici costruiti su questa ipotesi ci sono l'analisi della spinta di Mason, la superficie limite (limit surface) che lega la forza e il momento d'attrito di un oggetto che striscia su un piano, e i diagrammi di inceppamento e incuneamento (jamming e wedging) per i compiti di inserimento.

L'ipotesi cade quando gli oggetti strisciano o si ribaltano a lungo dopo la fine del contatto, quando ci sono urti o quando il robot si muove velocemente rispetto alla massa e all'attrito dell'oggetto. Una verifica comune consiste nel confrontare le forze d'inerzia implicate dalle accelerazioni pianificate con le forze d'attrito e di contatto; se sono di entità simile, serve un modello dinamico. I modelli intermedi, a volte detti quasi-dinamici, mantengono la struttura a passi temporali di un simulatore pur trascurando la maggior parte degli effetti inerziali, e sono usati in alcuni pianificatori ricchi di contatti.

Perché è importante

La maggior parte degli algoritmi di presa, spinta e assemblaggio presuppone condizioni quasi-statiche, spesso in modo implicito. Conoscere l'ipotesi, e quando fallisce, spiega perché un pianificatore funziona a bassa velocità ma non quando il robot viene accelerato, e quando serve un modello dinamico o una strategia diversa.

Applicazioni principali

• Spinta e strisciamento planare di oggetti su una superficie
• Pick-and-place e analisi della stabilità della presa
• Inserimento di perni in fori (peg-in-hole) e pianificazione dell'assemblaggio
• Uso di pareti e attrezzature di fissaggio per riorientare oggetti
• Pianificazione ricca di contatti con robot lenti e cedevoli

In pratica

Un team di magazzino pianifica movimenti di spinta per far strisciare le scatole fino ad allinearle contro una battuta prima di prelevarle. Il loro pianificatore usa un modello di spinta quasi-statico con una superficie limite calcolata dall'impronta di base della scatola e da un coefficiente d'attrito stimato, così prevede come ogni scatola ruota e trasla per un dato percorso dello spintore, indipendentemente dalla velocità. Sul sistema reale limitano la velocità dello spintore in modo che le scatole si fermino quando lo spintore si ferma; quando un responsabile chiede cicli più rapidi, misurano prima quanto le scatole continuano a strisciare dopo la fine del contatto, e aumentano la velocità solo finché questo oltrecorsa resta entro la tolleranza di allineamento.

Idee sbagliate comuni

• Quasi-statico significa che nulla si muove — gli oggetti possono strisciare e ruotare; solo i termini inerziali sono trascurati
• I modelli quasi-statici ignorano l'attrito — l'attrito nei contatti in strisciamento e in aderenza è centrale per essi
• Qualsiasi robot lento è quasi-statico — il criterio è se le forze d'inerzia sono piccole rispetto alle forze di contatto e d'attrito, il che dipende dalla massa e dall'attrito dell'oggetto oltre che dalla velocità
• I risultati quasi-statici valgono a qualsiasi velocità perché la velocità non compare nel modello — questa indipendenza è una conseguenza dell'ipotesi e viene meno appena l'inerzia conta

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri di manipolazione e di pianificazione della presa
• Progettisti di assemblaggi e attrezzature di fissaggio
• Ricercatori che lavorano sulla spinta e sulla manipolazione non prensile
• Studenti di robotica che studiano la meccanica del contatto

Tecnologie correlate

• Superficie limite (Limit Surface)
• Modelli di spinta planare (Planar Pushing Models)
• Analisi della presa (Grasp Analysis)
• Modelli di contatto a complementarità (Complementarity Contact Models)
• Assemblaggio cedevole (Compliant Assembly)

Termini correlati

• Dynamic Manipulation
• Coulomb Friction
• Friction Cone
• Wrench
• Contact mode
• Extrinsic dexterity

Progetti correlati

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