StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand
作者: Carolyn Matl, Josephine Koe, Ruzena Bajcsy · ICRA 2021
许可协议
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- 论文: CC BY 4.0
以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。
一句话总结
由平行夹爪拉伸、由深度相机成像的 EcoFlex 薄膜，构成一种刚度可调的柔性触觉末端执行器，用于感知和塑形可变形物体。
为何重要
该设计沿用标准的平行夹爪和现成的深度相机，唯一的定制部件是一张浇铸的硅胶片和 3D 打印的手指支架。同一个末端执行器可以在用于测量几何形状的柔软、贴合模式与用于按压和塑形物体的较硬模式之间切换，面团塑形演示就依次使用了这两种模式。
问题
操作面团等固态可变形物体既需要接触几何形状，也需要物体的柔顺度，但传统触觉传感器通常只能测量其中之一。GelSight 等柔性光学传感器能以高分辨率对接触成像，但其薄膜刚度固定，因此在自身使物体变形之前，只能感知很窄范围的物体硬度。
提出的方法
StRETcH 将一张 100 × 90 × 2 mm 的平整 EcoFlex 50 硅胶薄膜悬挂在 UR5 机械臂上 Robotiq 2 指夹爪的手指之间，并由一台 Intel RealSense SR305 深度相机从背面对薄膜成像。张开夹爪会单轴拉伸薄膜并提高其刚度；接触区域根据局部曲率从深度图像中分割出来。薄膜的响应用 Hertz 接触理论建模为等效弹性半空间，其有效模量 E* 针对拉伸程度进行标定，使这只手能够根据接触几何形状和拉伸状态估计接触力。
关键见解
- 用夹爪单轴拉伸薄膜来控制刚度，比作者早期 SOFTcell 指尖所用的气动加压更容易。
- 低拉伸状态给出最高的几何灵敏度，而较高的拉伸状态允许更大的接触力，因此这只手可作为多模态的传感器-执行器使用。
- 薄膜越硬，达到亚毫米几何精度所需的压入深度就越深；对所有测试圆柱体而言，小于 2 mm 的压入效果都很差。
- 把薄膜视为等效弹性半空间在物理上并不精确，但在压入深度超过约 3 mm 后与力数据拟合良好，并且速度足以实时使用。
- 先测量接触半径，再在按压时提高拉伸直到物体发生变形，可得到一个能区分不同柔顺度材料的刚度代理指标。
主要结果
- 通过拉伸薄膜，有效模量可在约 4 kPa 到 9 kPa 之间控制，5 次试验的方差很低。
- 在合适的压入深度和拉伸下，接触几何估计达到亚毫米精度；木质物体的重建与真实尺寸相差在 2 mm 以内，纸质物体的高度在 3 mm 以内。
- 留一法载荷力估计误差平均为 0.023 ± 0.011 N，低于工作范围的 1%（Section V-C）；结论部分给出的平均误差为小于 ±0.025 N。
- 气球的刚度代理值：空气 0.387 ± 0.081，水 0.726 ± 0.085，奇亚籽布丁 1.112 ± 0.178，奇亚籽 1.431 ± 0.182 N/mm。
- Play-Doh 立方体被滚成球体并压成饼干形状，平均圆度为 0.888（正方形为 0.785，圆为 1）。
局限
- 刚度以及由此施加的力，其上限受薄膜厚度和夹爪所允许的最大拉伸限制。
- Hertz 半空间模型只是近似；薄膜在力学上与弹性半空间不同，也更复杂。
- 接触分割假定物体是平的或凸的，并且大于薄膜的单个表面单元。
- 把面团滚成球体平均需要约十分钟，最长达二十分钟；滚动过程中的切向牵引力未被建模。
- 气球刚度值是来自单自由度近似的代理值，深度传感器噪声约为 ±1 mm。
对领域的影响
该论文获得 IEEE ICRA 2021 机器人操作最佳论文奖，被引用 5 次。论文描述了完整的制作过程（薄膜浇铸、支架、传感器），但未说明是否发布代码、数据或设计文件。
摘要
柔性光学触觉传感器能够捕获高分辨率接触几何形状和物体柔顺度估计等重要特征，从而使机器人能够操作可变形物体。本工作提出一种名为 StRETcH（Soft to Resistive Elastic Tactile Hand，由软到抗的弹性触觉手）的变刚度柔性触觉末端执行器，它易于制造，并能与机械臂集成。一张弹性薄膜悬挂在两根机器人手指之间，一个捕获弹性薄膜形变的深度传感器可以对接触几何形状给出亚毫米精度的估计。平行夹爪通过单轴拉伸薄膜来改变其刚度，从而可控地将 StRETcH 的有效模量从约 4kPa 调节到 9kPa。本工作使用 StRETcH 重建刚性和可变形物体的接触几何形状，估计四个装有不同物质的气球的刚度，并将面团操作成所需的形状。
链接
- 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