Force Closure

Também chamado: force-closure grasp
Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
Tags: grasping, contact, statics, manipulation, grasp-quality

Uma propriedade da preensão: os contatos, usando o atrito, podem aplicar juntos um wrench que resista a qualquer força e torque externos sobre o objeto segurado.

Definição

Uma preensão tem fechamento de força (force closure) quando as forças que seus contatos podem aplicar conseguem equilibrar qualquer wrench externo sobre o objeto, isto é, qualquer combinação de força e torque. Cada contato só pode empurrar, não puxar, e com atrito de Coulomb pode aplicar forças em qualquer direção dentro do seu cone de atrito. Levar essas forças do cone para o espaço de wrenches do objeto dá um conjunto de wrenches de contato; a preensão tem fechamento de força quando as combinações não negativas deles geram todo o espaço (três dimensões para um objeto plano, seis para um espacial). Um teste equivalente é que a origem do espaço de wrenches esteja estritamente dentro da envoltória convexa dos wrenches de contato.

O fechamento de força difere do fechamento de forma (form closure), no qual o objeto é imobilizado apenas pela geometria de contatos sem atrito. O fechamento de forma precisa de mais contatos (pelo menos quatro para um objeto plano e sete para um espacial), mas não depende do atrito. O fechamento de força normalmente precisa de menos contatos porque o atrito acrescenta força tangencial, mas depende de a mão apertar ativamente: forças internas entre os dedos pressionam os contatos para dentro de seus cones de atrito. Um resultado clássico para preensões planas, devido a Nguyen (1988), é que dois contatos com atrito dão fechamento de força quando a linha que os une está dentro de ambos os cones de atrito. Em 3D, dois contatos pontuais com atrito não conseguem resistir a torque em torno dessa linha, então são necessários contatos de dedo macio, que acrescentam atrito torcional, ou um terceiro contato.

O fechamento de força é uma propriedade de sim ou não, por isso os planejadores de preensão costumam combiná-lo com uma medida de qualidade. A mais conhecida, de Ferrari e Canny (1992), é o raio da maior bola em torno da origem que cabe dentro da envoltória convexa dos wrenches de contato: um raio maior significa que a perturbação de pior caso que a preensão consegue resistir, por unidade de força dos dedos, é maior. Planejadores de preensão analíticos e muitos pipelines de preensão aprendidos usam o fechamento de força ou essas métricas para rotular dados de treinamento, mesmo quando o sistema implantado nunca as calcula online.

Por que importa

O fechamento de força é a resposta formal padrão à pergunta de se uma preensão vai segurar. Ele explica por que o posicionamento dos dedos, o atrito e a força de aperto importam, e fundamenta as métricas de qualidade de preensão, os rótulos de preensão simulados e a análise de mãos com vários dedos.

Principais aplicações

Rotulagem de preensões para treinar detectores de preensão aprendidos
Planejamento analítico de preensão para garras de mandíbulas paralelas e mãos com vários dedos
Métricas de qualidade de preensão no espaço de wrenches
Projeto de dispositivos de fixação e fixação de peças
Verificação da estabilidade de repreensões na mão e de sequências de movimento dos dedos

Na prática

Uma equipe que monta um conjunto de dados para um detector de preensão aprendido amostra milhares de preensões candidatas de mandíbulas paralelas sobre malhas de objetos. Para cada candidata, encontra os dois pontos de contato e suas normais de superfície, aproxima cada cone de atrito com oito arestas usando um coeficiente de atrito suposto de cerca de 0,5 e monta os wrenches de contato resultantes com termos torcionais de dedo macio. Um programa linear ou um teste de envoltória convexa verifica se a origem está estritamente dentro do conjunto de wrenches, e a métrica de Ferrari-Canny ordena as preensões aprovadas. Como o coeficiente de atrito é incerto, a equipe repete o teste com um coeficiente menor e mantém apenas as preensões que continuam com fechamento de força, o que elimina candidatas perto da borda do cone de atrito.

Equívocos comuns

Fechamento de força significa que a preensão não pode falhar — ele diz que os contatos poderiam resistir a qualquer wrench com força de aperto suficiente; limites dos atuadores, deslizamento e deformação do objeto continuam importando
Fechamento de força e fechamento de forma são a mesma coisa — o fechamento de forma vem apenas da geometria, sem atrito, enquanto o fechamento de força depende do atrito e do aperto ativo
Dois dedos opostos sempre dão fechamento de força em 3D — dois contatos pontuais não conseguem resistir à rotação em torno da linha entre eles, a menos que as áreas de contato forneçam atrito torcional
Uma preensão com fechamento de força é uma boa preensão — o fechamento de força é binário; métricas de qualidade são necessárias para distinguir uma preensão marginal de uma robusta

Quem deve saber

Pesquisadores de planejamento de preensão e manipulação
Engenheiros que projetam garras e mãos robóticas
Desenvolvedores que geram conjuntos de dados de preensão em simulação
Estudantes de robótica que estudam mecânica de contato

Tecnologias relacionadas

Espaço de wrenches da preensão (Grasp Wrench Space)
Métrica de Ferrari-Canny (Ferrari-Canny Metric)
Linearização do cone de atrito (Friction Cone Linearization)
Dex-Net
GraspIt!

Termos relacionados

Projetos relacionados

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Vídeos

Modern Robotics, Chapter 12.2.3: Force Closure: Northwestern Robotics