StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

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

Licenze

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• Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Una membrana di EcoFlex tesa da una pinza parallela e ripresa da una telecamera di profondità fornisce un end effector tattile morbido a rigidezza regolabile per percepire e modellare oggetti deformabili.

Perché è importante

Il progetto riutilizza una pinza parallela standard e una telecamera di profondità commerciale, con un foglio di silicone colato e supporti per le dita stampati in 3D come uniche parti su misura. Un unico end effector può passare da una modalità morbida e conformabile per misurare la geometria a una modalità più rigida per premere e modellare oggetti, che la dimostrazione di modellatura dell'impasto usa in sequenza.

Problema

Manipolare oggetti deformabili solidi come un impasto richiede sia la geometria di contatto sia la cedevolezza dell'oggetto, ma i sensori tattili convenzionali di solito misurano l'una o l'altra. I sensori ottici morbidi come GelSight riprendono il contatto ad alta risoluzione ma hanno una rigidezza della membrana fissa, per cui percepiscono solo un intervallo ristretto di durezza degli oggetti prima di deformare essi stessi l'oggetto.

Soluzione proposta

StRETcH sospende una membrana piana in silicone EcoFlex 50 di 100 × 90 × 2 mm tra le dita di una pinza Robotiq a 2 dita su un braccio UR5, con una telecamera di profondità Intel RealSense SR305 che riprende la membrana da dietro. Aprire la pinza tende la membrana in modo uniassiale e ne aumenta la rigidezza; le regioni di contatto sono segmentate dall'immagine di profondità in base alla curvatura locale. La risposta della membrana è modellata con la teoria del contatto di Hertz come un semispazio elastico equivalente il cui modulo efficace E* è calibrato rispetto alla tensione, il che permette alla mano di stimare la forza di contatto dalla geometria di contatto e dallo stato di tensione.

Idee chiave

• Tendere la membrana in modo uniassiale con la pinza è un modo più semplice di controllare la rigidezza rispetto alla pressurizzazione pneumatica usata nel precedente polpastrello SOFTcell degli autori.
• Gli stati di bassa tensione danno la massima sensibilità geometrica, mentre quelli di tensione maggiore consentono forze di contatto più elevate, per cui la mano funziona come un sensore-attuatore multimodale.
• Più la membrana è rigida, più profonda deve essere l'indentazione per ottenere un'accuratezza geometrica submillimetrica; le indentazioni inferiori a 2 mm hanno dato risultati scarsi per tutti i cilindri di prova.
• Trattare la membrana come un semispazio elastico equivalente non è fisicamente esatto, ma si adatta bene ai dati di forza oltre circa 3 mm di indentazione ed è abbastanza veloce per l'uso in tempo reale.
• Misurare prima il raggio di contatto e poi aumentare la tensione premendo finché l'oggetto non cede fornisce un indicatore di rigidezza che distingue materiali di cedevolezza diversa.

Risultati principali

• Il modulo efficace è controllabile da circa 4 kPa a 9 kPa tendendo la membrana, con bassa varianza su 5 prove.
• Le stime della geometria di contatto raggiungono un'accuratezza submillimetrica con profondità di indentazione e tensione adeguate; le ricostruzioni di oggetti in legno erano entro 2 mm dalle dimensioni reali e le altezze di oggetti di carta entro 3 mm.
• L'errore di stima della forza di carico con validazione leave-one-out è stato in media 0,023 ± 0,011 N, meno dell'1% dell'intervallo operativo (Sezione V-C); la conclusione indica l'errore medio come inferiore a ±0,025 N.
• Indicatori di rigidezza per i palloncini: aria 0,387 ± 0,081, acqua 0,726 ± 0,085, budino di chia 1,112 ± 0,178 e semi di chia 1,431 ± 0,182 N/mm.
• Cubi di Play-Doh sono stati arrotolati in sfere e pressati in biscotti con circolarità media di 0,888 (0,785 è un quadrato, 1 un cerchio).

Limiti

• La rigidezza, e quindi la forza esercitata, è limitata superiormente dallo spessore della membrana e dalla tensione massima consentita dalla pinza.
• Il modello a semispazio di Hertz è un'approssimazione; una membrana è meccanicamente diversa e più complessa di un semispazio elastico.
• La segmentazione del contatto presuppone che gli oggetti siano piani o convessi e più grandi di un singolo elemento di superficie della membrana.
• Arrotolare l'impasto in una sfera ha richiesto in media circa dieci minuti e fino a venti; la trazione tangenziale durante l'arrotolamento non è modellata.
• I valori di rigidezza dei palloncini sono indicatori ottenuti da un'approssimazione a un grado di libertà, e il rumore del sensore di profondità era di circa ±1 mm.

Impatto sul settore

L'articolo ha vinto l'IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation e ha 5 citazioni. Descrive la costruzione completa (colata della membrana, supporti, sensore), ma non indica un rilascio di codice, dati o file di progetto.

Abstract

I sensori tattili ottici morbidi consentono ai robot di manipolare oggetti deformabili acquisendo caratteristiche importanti come la geometria di contatto ad alta risoluzione e stime della cedevolezza dell'oggetto. Questo lavoro presenta un end effector tattile morbido a rigidezza variabile chiamato StRETcH, una Soft to Resistive Elastic Tactile Hand, facile da fabbricare e da integrare con un braccio robotico. Una membrana elastica è sospesa tra due dita robotiche, e un sensore di profondità che acquisisce le deformazioni della membrana elastica consente stime delle geometrie di contatto con accuratezza submillimetrica. La pinza parallela varia la rigidezza della membrana tendendola in modo uniassiale, il che modula in modo controllabile il modulo efficace di StRETcH da circa 4kPa a 9kPa. Questo lavoro usa StRETcH per ricostruire la geometria di contatto di oggetti rigidi e deformabili, stimare la rigidezza di quattro palloncini riempiti di sostanze diverse e manipolare un impasto fino a una forma desiderata.

Link

• 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