StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand
作者: Carolyn Matl, Josephine Koe, Ruzena Bajcsy · ICRA 2021
授權條款
- 開放取用
- 論文: CC BY 4.0
以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。
一句話摘要
由平行夾爪拉伸、由深度攝影機成像的 EcoFlex 薄膜，構成一種剛性可調的軟性觸覺末端執行器，用於感測與塑形可變形物體。
為何重要
此設計沿用標準的平行夾爪與現成的深度攝影機，唯一的客製零件是一片澆鑄的矽膠片與 3D 列印的手指支架。同一個末端執行器可在用於量測幾何的柔軟、貼合模式，與用於按壓和塑形物體的較硬模式之間切換，麵團塑形示範就依序使用了這兩種模式。
問題
操作麵團等固態可變形物體，同時需要接觸幾何與物體的順應性，但傳統觸覺感測器通常只能量測其中之一。GelSight 等軟性光學感測器能以高解析度對接觸成像，但其薄膜剛性固定，因此在自己讓物體變形之前，只能感測很窄範圍的物體硬度。
提出的方法
StRETcH 將一片 100 × 90 × 2 mm 的平整 EcoFlex 50 矽膠薄膜懸掛在 UR5 機器手臂上 Robotiq 2 指夾爪的手指之間，並由一台 Intel RealSense SR305 深度攝影機從背面對薄膜成像。張開夾爪會單軸拉伸薄膜並提高其剛性；接觸區域依局部曲率從深度影像中分割出來。薄膜的響應以 Hertz 接觸理論建模為等效彈性半空間，其有效模數 E* 針對拉伸程度校正，讓這隻手能從接觸幾何與拉伸狀態估計接觸力。
關鍵見解
- 以夾爪單軸拉伸薄膜來控制剛性，比作者先前 SOFTcell 指尖所用的氣壓加壓更容易。
- 低拉伸狀態提供最高的幾何靈敏度，而較高的拉伸狀態允許較大的接觸力，因此這隻手可作為多模態的感測器-致動器。
- 薄膜越硬，達到次毫米幾何精度所需的壓入就越深；對所有測試圓柱而言，小於 2 mm 的壓入表現都很差。
- 將薄膜視為等效彈性半空間在物理上並不精確，但在壓入超過約 3 mm 後與力資料吻合良好，且速度足以即時使用。
- 先量測接觸半徑，再在按壓時提高拉伸直到物體產生變形，可得到一個能區分不同順應性材料的剛性代理指標。
主要結果
- 透過拉伸薄膜，有效模數可在約 4 kPa 到 9 kPa 之間控制，5 次試驗的變異數很低。
- 在合適的壓入深度與拉伸下，接觸幾何估計達到次毫米精度；木製物體的重建與實際尺寸相差在 2 mm 以內，紙製物體的高度在 3 mm 以內。
- 留一法負載力估計誤差平均為 0.023 ± 0.011 N，低於操作範圍的 1%（Section V-C）；結論中所述的平均誤差為小於 ±0.025 N。
- 氣球的剛性代理值：空氣 0.387 ± 0.081、水 0.726 ± 0.085、奇亞籽布丁 1.112 ± 0.178、奇亞籽 1.431 ± 0.182 N/mm。
- Play-Doh 方塊被滾成球體並壓成餅乾形狀，平均圓度為 0.888（正方形為 0.785，圓形為 1）。
限制
- 剛性以及因此所施加的力，其上限受限於薄膜厚度與夾爪所允許的最大拉伸。
- Hertz 半空間模型只是近似；薄膜在力學上與彈性半空間不同，也更為複雜。
- 接觸分割假設物體是平的或凸的，且大於薄膜的單一表面元素。
- 把麵團滾成球體平均約需十分鐘，最長達二十分鐘；滾動時的切向牽引力並未建模。
- 氣球剛性值是來自單自由度近似的代理值，深度感測器的雜訊約為 ±1 mm。
對領域的影響
此論文獲得 IEEE ICRA 2021 機器人操作最佳論文獎，被引用 5 次。論文描述了完整的製作過程（薄膜澆鑄、支架、感測器），但未說明是否釋出程式碼、資料或設計檔案。
摘要
軟性光學觸覺感測器能擷取高解析度接觸幾何與物體順應性估計等重要特徵，讓機器人能夠操作可變形物體。本研究提出一種名為 StRETcH（Soft to Resistive Elastic Tactile Hand，由軟到抗的彈性觸覺手）的可變剛性軟性觸覺末端執行器，它容易製造，並能與機器手臂整合。一片彈性薄膜懸掛在兩根機器人手指之間，而一個擷取彈性薄膜變形的深度感測器，能對接觸幾何給出次毫米精度的估計。平行夾爪藉由單軸拉伸薄膜來改變其剛性，從而可控地將 StRETcH 的有效模數從約 4kPa 調整到 9kPa。本研究使用 StRETcH 重建剛性與可變形物體的接觸幾何、估計四顆裝有不同物質之氣球的剛性，並將麵團操作成所需的形狀。
連結
- 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