StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

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

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Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

Uma membrana de EcoFlex esticada por uma garra de mordentes paralelos e captada por uma câmera de profundidade dá um efetuador final tátil macio com rigidez ajustável para sentir e moldar objetos deformáveis.

Por que importa

O projeto reaproveita uma garra de mordentes paralelos padrão e uma câmera de profundidade comercial, com uma folha de silicone moldada e suportes de dedos impressos em 3D como únicas peças personalizadas. Um mesmo efetuador final pode alternar entre um modo macio e conformável para medir a geometria e um modo mais rígido para pressionar e moldar objetos, que a demonstração de modelagem de massa usa em sequência.

Problema

Manipular objetos deformáveis sólidos como massa exige tanto a geometria de contato quanto a complacência do objeto, mas sensores táteis convencionais costumam medir uma ou outra. Sensores ópticos macios como o GelSight captam o contato em alta resolução, mas têm uma rigidez de membrana fixa, de modo que só percebem uma faixa estreita de dureza de objetos antes de eles próprios deformarem o objeto.

Solução proposta

O StRETcH suspende uma membrana plana de silicone EcoFlex 50 de 100 × 90 × 2 mm entre os dedos de uma garra Robotiq de 2 dedos em um braço UR5, com uma câmera de profundidade Intel RealSense SR305 captando a membrana por trás. Abrir a garra estica a membrana uniaxialmente e aumenta sua rigidez; as regiões de contato são segmentadas a partir da imagem de profundidade pela curvatura local. A resposta da membrana é modelada pela teoria de contato de Hertz como um semiespaço elástico equivalente cujo módulo efetivo E* é calibrado em função do estiramento, o que permite à mão estimar a força de contato a partir da geometria de contato e do estado de estiramento.

Principais ideias

Esticar uniaxialmente a membrana com a garra é uma forma mais fácil de controlar a rigidez do que a pressurização pneumática usada na ponta de dedo SOFTcell anterior dos autores.
Estados de pouco estiramento dão a maior sensibilidade geométrica, enquanto estados de maior estiramento permitem forças de contato maiores, de modo que a mão funciona como um sensor-atuador multimodal.
Quanto mais rígida a membrana, mais profunda precisa ser a indentação para obter precisão geométrica submilimétrica; indentações abaixo de 2 mm tiveram desempenho ruim para todos os cilindros de teste.
Tratar a membrana como um semiespaço elástico equivalente não é fisicamente exato, mas se ajusta bem aos dados de força a partir de cerca de 3 mm de indentação e é rápido o bastante para uso em tempo real.
Medir primeiro o raio de contato e depois aumentar o estiramento enquanto se pressiona até o objeto ceder dá um indicador de rigidez que separa materiais de complacências diferentes.

Principais resultados

O módulo efetivo é controlável de cerca de 4 kPa a 9 kPa esticando a membrana, com baixa variância em 5 ensaios.
As estimativas da geometria de contato atingem precisão submilimétrica com profundidade de indentação e estiramento adequados; as reconstruções de objetos de madeira ficaram a menos de 2 mm das dimensões reais e as alturas de objetos de papel, a menos de 3 mm.
O erro de estimação da força de carga com validação deixando um de fora foi em média 0,023 ± 0,011 N, menos de 1% da faixa de operação (Seção V-C); a conclusão informa o erro médio como menor que ±0,025 N.
Indicadores de rigidez dos balões: ar 0,387 ± 0,081, água 0,726 ± 0,085, pudim de chia 1,112 ± 0,178 e sementes de chia 1,431 ± 0,182 N/mm.
Cubos de Play-Doh foram enrolados em esferas e prensados em biscoitos com circularidade média de 0,888 (0,785 é um quadrado, 1 um círculo).

Limitações

A rigidez e, portanto, a força exercida são limitadas superiormente pela espessura da membrana e pelo estiramento máximo que a garra permite.
O modelo de semiespaço de Hertz é uma aproximação; uma membrana é mecanicamente diferente e mais complexa que um semiespaço elástico.
A segmentação do contato supõe que os objetos sejam planos ou convexos e maiores que um único elemento de superfície da membrana.
Enrolar a massa em uma esfera levou em média cerca de dez minutos e até vinte; a tração tangencial durante o enrolamento não é modelada.
Os valores de rigidez dos balões são indicadores obtidos de uma aproximação de um grau de liberdade, e o ruído do sensor de profundidade foi de cerca de ±1 mm.

Impacto na área

O artigo ganhou o IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation e tem 5 citações. Ele descreve a construção completa (moldagem da membrana, suportes, sensor), mas não informa a publicação de código, dados ou arquivos de projeto.

Resumo

Sensores táteis ópticos macios permitem que robôs manipulem objetos deformáveis ao capturar características importantes, como a geometria de contato em alta resolução e estimativas da complacência do objeto. Este trabalho apresenta um efetuador final tátil macio de rigidez variável chamado StRETcH, uma Soft to Resistive Elastic Tactile Hand, que é facilmente fabricado e integrado a um braço robótico. Uma membrana elástica fica suspensa entre dois dedos robóticos, e um sensor de profundidade que captura as deformações da membrana elástica permite estimativas das geometrias de contato com precisão submilimétrica. A garra de mordentes paralelos varia a rigidez da membrana esticando-a uniaxialmente, o que modula de forma controlável o módulo efetivo do StRETcH de aproximadamente 4kPa a 9kPa. Este trabalho usa o StRETcH para reconstruir a geometria de contato de objetos rígidos e deformáveis, estimar a rigidez de quatro balões cheios de substâncias diferentes e manipular massa até uma forma desejada.

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