Nonprehensile Manipulation

Também chamado: non-prehensile manipulation, graspless manipulation
Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
Tags: manipulation, pushing, contact, friction, mechanics

Mover ou reorientar objetos sem agarrá-los, por exemplo empurrando, deslizando, inclinando, rolando, girando sobre um apoio ou arremessando, contando com o atrito, a gravidade e a dinâmica em vez de uma pegada firme.

Definição

Manipulação não preênsil (nonprehensile manipulation) é a manipulação em que o robô muda o estado de um objeto sem segurá-lo com uma preensão. Exemplos incluem empurrar uma caixa sobre uma mesa, deslizar um livro fino até a borda da mesa para que possa ser pego, inclinar um objeto pesado sobre a sua aresta, rolar um cilindro, girar um objeto apoiado em uma parede, rebater ou arremessar. Em uma preensão preênsil, a mão restringe totalmente o objeto, então ele se move com a mão; na manipulação não preênsil, o objeto é restringido apenas em parte, e seu movimento depende do atrito, da gravidade, da inércia e do contato com o ambiente.

Como o objeto não está seguro, o robô precisa prever como o objeto vai responder ao contato, o que torna a mecânica central. O trabalho de Matthew Mason sobre a mecânica do empurrão nos anos 1980 estabeleceu as bases: em um empurrão lento, o sentido em que um objeto gira depende do centro de atrito e do cone de atrito no contato do empurrador, e um contato de empurrão pode ser projetado para ser estável, de modo que o objeto se mova com o empurrador sem deslizar. A superfície limite descreve a relação entre o wrench de atrito e o movimento de deslizamento de um objeto sobre uma superfície. Esses modelos analíticos dependem de coeficientes de atrito e de distribuições de pressão difíceis de conhecer de antemão, e é por isso que muitos sistemas recentes aprendem a partir de dados modelos de empurrão ou correções residuais dos modelos analíticos.

A manipulação não preênsil se sobrepõe a dois termos vizinhos, mas é diferente deles. A manipulação quase estática (quasi-static manipulation) é uma suposição sobre a velocidade, a de que as forças inerciais podem ser ignoradas, e o empurrão lento é ao mesmo tempo quase estático e não preênsil. A manipulação dinâmica (dynamic manipulation) depende das forças inerciais, e arremessar ou rebater são ao mesmo tempo dinâmicos e não preênseis. A própria preensão pode ser quase estática ou dinâmica, então esses são eixos separados. Ações não preênseis também são usadas como uma etapa antes da preensão, para levar um objeto a uma pose em que a preensão se torna possível, o que está intimamente relacionado à destreza extrínseca.

Por que importa

Muitos objetos são grandes demais, planos demais, pesados demais ou estão amontoados demais para serem agarrados diretamente, e uma garra simples ou até uma simples pá pode fazer trabalho útil empurrando e deslizando. As habilidades não preênseis ampliam o que um hardware simples consegue fazer, mas exigem bons modelos de contato ou dinâmicas aprendidas, porque o objeto nunca está totalmente sob o controle do robô.

Principais aplicações

Empurrar objetos até poses objetivo em espaços de trabalho desorganizados
Manipulação pré-preensão, como deslizar objetos até a borda de uma mesa ou afastá-los de paredes
Tombar, inclinar e girar sobre um apoio itens pesados ou grandes
Separação e singulação em caixas e esteiras transportadoras
Arremesso, rebatida e outras tarefas dinâmicas
Manipulação com efetuadores finais simples, como pás e guias

Na prática

Um robô de logística precisa pegar um pacote plano encostado rente à parede de uma caixa, onde a garra não consegue chegar por baixo dele. O planejador primeiro empurra o pacote para longe da parede com a garra fechada, usando um modelo de empurrão para escolher um ponto de contato e uma direção que transladem o pacote sem girá-lo muito. Uma câmera rastreia o pacote após cada empurrão, e o controlador ajusta o próximo empurrão se o pacote girou mais do que o previsto. Quando se abre um espaço, a garra desliza um dedo sob a borda e agarra. A equipe registra as poses previstas e observadas do pacote para refinar os parâmetros de atrito do modelo de empurrão.

Equívocos comuns

Não preênsil significa dinâmico — o empurrão lento é não preênsil e quase estático, enquanto o arremesso é não preênsil e dinâmico
Empurrar é simples porque não precisa de preensão — o resultado depende do atrito e da distribuição de pressão, que normalmente são incertos, então a previsão é mais difícil do que para um objeto agarrado
A manipulação não preênsil é só um paliativo para garras ruins — muitas vezes é a forma mais eficiente de LiDAR com objetos grandes, planos ou amontoados, mesmo com mãos capazes

Quem deve saber

Pesquisadores e engenheiros de manipulação
Engenheiros de automação de armazéns e logística
Engenheiros de planejamento de movimento que trabalham com contato
Pesquisadores de aprendizado robótico que treinam políticas de empurrar e deslizar

Tecnologias relacionadas

Modelos de superfície limite (Limit Surface Models)
Planejamento de empurrões (Push Planning)
Otimização de trajetória com contato implícito (Contact-Implicit Trajectory Optimization)
Modelos de dinâmica aprendidos (Learned Dynamics Models)
Simuladores de física (Physics Simulators)

Termos relacionados

Projetos relacionados

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Vídeos

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