Les robots commencent à gérer la manipulation d'objets arbitraires.

En tant que nouvelle génération de poignées avec une perception tridimensionnelle améliorée et des sensations tactiles, apprend à manipuler des objets à partir d'un large éventail

La capture créée par Robotic Materials Inc., fondée par l'auteur de l'article, remplit la tâche de manipuler un concours d'assemblage industriel au Tokyo World Robotics Summit

Bien que les robots puissent préparer le petit-déjeuner depuis 1961, la manipulation à usage général (MES) dans le monde réel peut être un problème plus complexe que la conduite automobile automatique. Cependant, il est assez difficile de décrire exactement pourquoi il en est ainsi. Si vous regardez attentivement la vidéo de 1961, vous pouvez voir que la capture parallèle à deux doigts convient à un assez grand nombre de tâches, et seul le manque de sensations et de bon sens intégré au robot l'empêche d'effectuer des tâches similaires dans le monde réel. Un article récent dans la revue Science nous a rappelé que même une tâche aussi riche en touches que l' assemblage de meubles est à la portée des robots industriels existants. Le vrai problème est le nombre énorme de mouvements et de manipulations possibles, et les mouvements qui sont nécessaires pour faire un sandwich au beurre, ne coïncident pas nécessairement avec les mouvements nécessaires pour assembler la chaise.

D'un point de vue industriel, le MES n'est peut-être pas un problème à résoudre. Après tout, nous pouvons créer une machine pour tout - faire de l'espresso, laver la vaisselle, assembler le blé, produire en masse des chaussures de sport. C'est ainsi que la plupart de la robotique est utilisée dans l'industrie moderne. Même les robots qui sont promus en tant que «machines de collaboration» deviennent essentiellement des éléments d'une machine plus complexe sur une chaîne de montage (et il n'a tout simplement pas besoin d'un protecteur pour fonctionner en toute sécurité). Les tentatives de développement d'un MES scientifiquement intéressant sont mesurées par rapport à de tels cas d'utilisation. De ce fait, les avantages d'une solution généralisée à un problème deviennent moins évidents et courent le risque d'être coincés dans une «ruelle d'inefficacité» lorsque les investisseurs et l'industrie perdent tout intérêt pour eux. Cependant, les processus de production et de livraison comprennent un grand nombre d'étapes de manipulation différentes. Même si la valeur de chaque étape tend vers zéro, leur valeur totale est économiquement significative.

Comment savons-nous que la solution au problème de manipulation sera suffisamment généralisée pour révéler cette valeur? La communauté du développement de la robotique a proposé plusieurs options de compétition dans lesquelles il est nécessaire soit de résoudre divers problèmes soit de manipuler divers objets. Il s'agit, par exemple, de compétitions telles que RoboCup @ Home , IROS et Amazon Picking Challenge . Bien que ces concours fassent campagne pour des solutions généralisées, il est toujours difficile de trouver des tâches que les solutions spécialisées ne feraient pas mieux. Par exemple, l'équipe gagnante coréenne IROS a utilisé le robot Baxter et un système de blocs de mousse autocollants pour manipuler des articles tels que des assiettes et des cuillères. De même, la plupart des tâches de l'Amazon Picking Challenge peuvent être accomplies avec une seule pompe à vide. En fait, nous avons besoin d'une solution unique pour les manipulations qui s'adapte bien à toutes ces tâches.

Un point de vue différent a été proposé lors d'un concours industriel au Sommet mondial de la robotique à Tokyo, où ils ont offert un prix de 130000 $ à une équipe qui serait en mesure de fournir une solution généralisée pour plusieurs tâches industrielles de chargement d'un conteneur et d'assemblage d'articles pouvant être échangés en une journée. Les équipes devaient d'abord obtenir des objets de tailles très différentes à partir de paniers (des écrous M3 aux moteurs électriques et aux courroies d'entraînement flexibles), les placer dans un conteneur, puis assembler des structures complexes à partir d'eux. Pour une telle compétition, une solution de manipulation est nécessaire qui peut non seulement capturer et manipuler des objets, mais peut également être facilement reprogrammée pendant la journée de la compétition. Dans le cas de la création réussie de tels robots, ils pourraient être utilisés comme assistants dans l'assemblage de meubles, l'assistance au déplacement ou d'autres tâches de manipulation que les gens peuvent facilement comprendre, mais pas les robots modernes.

Pompes à vide, poignées et robots souples

Quelles options avons-nous pour réaliser le MES? Dans l'automatisation industrielle, trois paradigmes concurrents dominent: les pompes, les poignées et les bras mécaniques et, plus récemment, les robots souples. Les pompes sont au premier plan car les ventouses sont déformées et prennent la forme d'un objet, même lorsque son emplacement n'est pas connu avec précision. Après cela, vous pouvez aspirer de l'air, ce qui rend le bol solide et crée une restriction annulaire sur le mouvement de l'objet. Il s'agit d'une option intéressante, car une seule ventouse est capable de capturer un grand nombre d'objets différents. Cependant, la ventouse ne résout pas tous les problèmes - par exemple, lorsque l'objet est trop lourd, trop poreux, lorsque pour d'autres manipulations, il est nécessaire de déplacer précisément l'objet ou de lui appliquer certains effets.


Les objets avec des trous sont difficiles à saisir avec juste une ventouse

L'application exacte des forces peut être utilisée lors de l'utilisation de pinces mécaniques, qui sont le plus souvent mises en œuvre sous la forme de poignées parallèles ou de deux mécanismes à quatre maillons . Les solutions à trois doigts sont utilisées beaucoup moins souvent, et se révèlent bien si nécessaire, des captures d'objets cylindriques d'en haut. Le problème avec les prises serrées est que la vitesse de prise doit être nulle au contact de l'objet afin d'éviter de transmettre des impulsions inutiles. Dans le cas de contacts élastiques, l'impulsion est maintenue, ce qui fait que de petits objets rebondissent sur la capture à grande vitesse. Le rebond peut être réduit en appliquant une poignée déformable pour une plus grande plasticité de contact, en augmentant la précision de la perception afin que la poignée puisse se fermer à temps ou en limitant le mouvement possible de l'objet.

Dans les cas extrêmes, ces mesures conduisent à l'utilisation de poignées complètement douces, dont la déformabilité empêche l'objet de rebondir, et la douceur réduit la précision de perception nécessaire. Le succès de la capture réside dans la grande zone de contact pour maximiser le frottement et réduire les degrés de liberté de rotation de l'objet. Lorsque vous saisissez une tige carrée à l'aide d'une pince à deux doigts, nous devons la positionner de sorte que les doigts soient parallèles aux deux plans de la tige. Une poignée souple n'a pas besoin de déterminer l'orientation de la tige et de planifier la poignée, car elle enveloppe simplement l'objet. Mais la déformabilité des poignées, réduisant les exigences de perception et de planification, complique l'application maîtrisée de l'effort. La position de l'objet dans la main douce est inconnue et sa déformabilité ne permet pas d'appliquer les efforts de manière contrôlée. Lors de la capture, puis de la chute de l'objet, cela peut ne pas être un problème, mais cela complique grandement la manipulation dans laquelle vous devez soulever l'objet et le placer correctement.

De bons résultats pratiques peuvent être obtenus en combinant un contrôle de position simple et en limitant le couple maximal des moteurs. Comme les bras robotiques mous déformables, une pince avec contrôle de la résistance peut s'adapter à l'objet, compensant les imprécisions de perception.

Ainsi, une prise idéale devrait devenir dure ou douce selon les besoins, vous permettant de capturer des objets avec une perception et une planification minimales, éliminant les incertitudes dans l'emplacement de l'objet et permettant une manipulation rigoureuse. Dans le même temps, la surface de capture doit maintenir un contact continu avec l'objet. Ceci peut être réalisé en combinant les techniques ci-dessus. Par exemple, une poignée souple peut devenir rigide avec un bourrage granulaire, ou le mécanisme d'aspiration peut être complété par une poignée pour fournir des restrictions supplémentaires. La poignée mécanique peut être complétée par une ventouse ou des électrodes pour une adhérence cassable. La main humaine fait un travail incroyable en combinant ces propriétés: la combinaison d'os durs et de tissus mous vous permet de varier la rigidité, elle peut couvrir des objets, tout en conservant la capacité de contrôler avec précision. Ces opportunités sont réalisées grâce aux coussinets souples, à la friction de la peau et à la capacité de coller - comme un petit morceau de papier qui colle au doigt.

Poignées de contrôle de couple

Certaines des fonctionnalités faciles à atteindre nous permettent de combiner les avantages des robots souples et conventionnels pour créer des solutions MON commercialement attractives. L'un d'eux est le contrôle de la résistance appliqué aux poignées traditionnelles à deux doigts. En contrôlant la résistance, nous contrôlons la résistance aux mouvements externes imposés par l'environnement. De bons résultats pratiques peuvent être obtenus en combinant une commande de localisation simple avec une limitation du couple maximal des moteurs. En limitant le couple, une poignée rigide peut devenir arbitrairement déformable (avec la précision des capteurs de couple). Comme son équivalent entièrement déformable, une poignée avec contrôle de résistance peut s'adapter à l'objet, compensant une perception inexacte. Dans le même temps, un tel schéma peut devenir difficile à manipuler avec précision. Le contrôle de la résistance ainsi que la perception de la position des doigts est une forme de sensation tactile. La capture sera en mesure de déterminer la présence d'objets dans l'environnement, la position de suivi et le couple. Les mouvements seront doux, compensant l'inexactitude de la perception.


Ci-dessus: saisir des fraises en utilisant le contrôle de la résistance. La réduction du couple maximal autorisé permet aux doigts de s'arrêter lorsqu'ils sont en contact avec un obstacle et de ne pas écraser la baie.

Ci-dessous: capturez un objet solide avec un contrôle de résistance. Le contrôle du couple permet aux doigts de bouger jusqu'à ce qu'il y ait contact. Connaissant la position de chaque doigt, vous pouvez contrôler la position au niveau de tout le bras.

Les poignées à couple contrôlé peuvent servir de plate-forme pour incarner les résultats des recherches récentes sur les manipulateurs souples: en complétant le bout des doigts et la paume avec une ventouse, nous combinons les avantages d'un contrôle précis de la position et de l'effort avec la fiabilité des ventouses. Le capteur de couple dans les articulations des doigts peut être complété par des capteurs tactiles qui mesurent la pression, stratégiquement situés sur la poignée. Les capteurs tactiles de la paume et des pointes peuvent aider à distinguer si un obstacle extérieur empêche le mouvement des doigts ou si la main touche l'objet souhaité. Les capteurs tactiles ajoutent également directement des capteurs visuels, déterminant le moment du contact et améliorant l'évaluation de l'orientation de l'objet et de l'endroit où la main l'a saisi.

Les réalisations modernes de la perception tridimensionnelle font que l'objectif du MES se rapproche comme jamais auparavant. Des capteurs tridimensionnels tels qu'Intel RealSense sont capables de détecter la présence d'objets à 11 cm de la caméra avec une précision qui vous permet de capturer même de petits objets tels que des écrous M3 , et des solutions complexes sont déjà disponibles sur le marché - par exemple, Robotic Materials Inc., basé sur des recherches de mon laboratoire, vient de sortir une bêta de sa main. Le travail conjoint de perception tridimensionnelle précise, de contrôle de la résistance pour une interaction douce avec l'environnement et de diverses méthodes de sensation tactile qui vous permettent d'évaluer le succès de la capture, vous permettent de mettre en œuvre une manipulation fiable des objets dans un environnement inexact.

Par exemple, nous avons récemment démontré le remplissage mobile de conteneurs, dans lequel le robot doit récupérer des objets de trois types différents (écrous M3, partie du mécanisme et sangle en caoutchouc) dans des paniers, dont l'emplacement sur la table n'est connu qu'approximativement. Malgré l'erreur de 10 cm introduite par le transport autonome se déplaçant le long de divers points limites de l'entrepôt, le robot a pu détecter des paniers et des objets individuels en utilisant une perception tridimensionnelle intégrée à la main. La limitation de couple est utilisée pour interagir avec précision avec le contenu des paniers et minimise l'impact des collisions possibles. La perception tactile à l'aide de la mesure du couple est utilisée pour mesurer le succès d'une prise.


Malgré les succès impressionnants de la perception tridimensionnelle, du contrôle de la résistance et de la perception tactile dans le boîtier MES, ces technologies contredisent le paradigme industriel dominant des solutions spécialisées pour les manipulateurs. Toute forme de perception prend du temps et impose des restrictions sur la vitesse de capture nécessaire pour limiter l'énergie des impacts inattendus. Par conséquent, à la pointe du MES seront les petites et moyennes entreprises travaillant avec un large assortiment et un petit nombre de produits, ainsi que les grands acteurs qui souhaitent différencier leurs produits, en réduisant le cycle de production et en augmentant les possibilités de personnalisation. Dans le même temps, les robots mobiles se retrouvent de plus en plus dans les entrepôts, les hôtels et les hôpitaux. Dans de telles situations, certaines manipulations telles que le chargement, le déchargement et la maintenance peuvent augmenter considérablement la valeur de ces robots, créant les conditions économiques nécessaires pour résoudre la tâche de manipulation à usage général.