Quasi-Static Manipulation

Também chamado: quasistatic manipulation
Categoria: Planning & manipulation › Manipulation
Tags: manipulation, contact, friction, statics, pushing

Manipulação lenta o bastante para que as forças de inércia possam ser ignoradas, de modo que o robô e o objeto são tratados como se passassem por uma sequência de estados com as forças em equilíbrio.

Definição

Manipulação quase estática (quasi-static manipulation) é a manipulação analisada sob a hipótese de que o movimento é lento o bastante para que as forças de inércia sejam desprezíveis. A cada instante, supõe-se que as forças e os momentos sobre o objeto, vindos da gravidade, dos contatos do robô, da superfície de apoio e do atrito, estão em equilíbrio, de modo que o sistema passa por uma sequência de estados de equilíbrio. Ao contrário de uma análise puramente estática, os modelos quase estáticos ainda permitem deslizamento: o atrito de Coulomb nos contatos em movimento é incluído, enquanto os termos de massa vezes aceleração são descartados.

Essa hipótese cobre grande parte da manipulação prática: pick-and-place, empurrões lentos sobre uma mesa, inserção de pino em furo (peg-in-hole), deslizar um objeto contra uma parede para reorientá-lo e a maior parte da análise de preensão. Ela simplifica muito a mecânica. O movimento do objeto depende da direção do movimento do robô e da geometria e do atrito dos contatos, mas não da sua velocidade, de modo que os planejadores podem raciocinar sobre caminhos em vez de trajetórias completas. Entre os resultados clássicos construídos sobre essa hipótese estão a análise de empurrão de Mason, a superfície limite (limit surface), que relaciona a força e o momento de atrito de um objeto deslizando sobre um plano, e os diagramas de emperramento e encunhamento (jamming e wedging) para tarefas de inserção.

A hipótese deixa de valer quando os objetos deslizam ou tombam muito depois que o contato termina, quando ocorrem impactos ou quando o robô se move rápido em relação à massa e ao atrito do objeto. Uma verificação comum é comparar as forças de inércia implicadas pelas acelerações planejadas com as forças de atrito e de contato; se forem de tamanho semelhante, é preciso um modelo dinâmico. Modelos intermediários, às vezes chamados de quase dinâmicos, mantêm a estrutura de passos de tempo de um simulador e ainda desprezam a maior parte dos efeitos de inércia, e são usados em alguns planejadores com muitos contatos.

Por que importa

A maioria dos algoritmos de preensão, empurrão e montagem pressupõe condições quase estáticas, muitas vezes de forma implícita. Conhecer a hipótese, e quando ela falha, explica por que um planejador funciona em baixa velocidade mas não quando o robô é acelerado, e quando é preciso um modelo dinâmico ou uma estratégia diferente.

Principais aplicações

Empurrão e deslizamento planar de objetos sobre uma superfície
Pick-and-place e análise da estabilidade da preensão
Inserção de pino em furo (peg-in-hole) e planejamento de montagem
Uso de paredes e dispositivos de fixação para reorientar objetos
Planejamento com muitos contatos com robôs lentos e complacentes

Na prática

Uma equipe de armazém planeja movimentos de empurrão para deslizar caixas até alinhá-las contra uma cerca antes de pegá-las. Seu planejador usa um modelo de empurrão quase estático com uma superfície limite calculada a partir da área de apoio da caixa e de um coeficiente de atrito estimado, de modo que prevê como cada caixa gira e se desloca para um dado caminho do empurrador, independentemente da velocidade. No sistema real, eles limitam a velocidade do empurrador para que as caixas parem quando o empurrador para; quando um gerente pede ciclos mais rápidos, eles primeiro medem o quanto as caixas continuam deslizando depois que o contato termina e só aumentam a velocidade enquanto esse excesso de deslocamento ficar dentro da tolerância de alinhamento.

Equívocos comuns

Quase estático significa que nada se move — os objetos podem deslizar e girar; apenas os termos de inércia são desprezados
Modelos quase estáticos ignoram o atrito — o atrito nos contatos que deslizam e nos que aderem é central para eles
Qualquer robô lento é quase estático — o teste é se as forças de inércia são pequenas em relação às forças de contato e de atrito, o que depende da massa e do atrito do objeto além da velocidade
Os resultados quase estáticos valem em qualquer velocidade porque a velocidade não aparece no modelo — essa independência é uma consequência da hipótese e falha assim que a inércia passa a importar

Quem deve saber

Engenheiros de manipulação e de planejamento de preensão
Projetistas de montagem e de dispositivos de fixação
Pesquisadores que trabalham com empurrão e manipulação não prênsil
Estudantes de robótica que estudam mecânica do contato

Tecnologias relacionadas

Superfície limite (Limit Surface)
Modelos de empurrão planar (Planar Pushing Models)
Análise de preensão (Grasp Analysis)
Modelos de contato de complementaridade (Complementarity Contact Models)
Montagem complacente (Compliant Assembly)

Termos relacionados

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