[論文レビュー] In-Hand Manipulation via Motion Cones

Nikhil Chavan-Dafle, Rachel Holladay+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2018

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 29被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、摩擦による押しだす操作における可能な運動の幾何的抽象化であるモーションコーンを、重力および把持的接触を伴う平面的タスクに一般化する。モーションコーンを低曲率の表面としてモデル化し、多面体コーンによる近似を施すことで、イン・ハンド・マニピュレーションの高速でサンプリングベースの計画が可能となり、2000回の運動追跡実験による検証で精度を保ちながら、従来手法比5–1000倍の高速化を達成した。

ABSTRACT

In this paper, we present the mechanics and algorithms to compute the set of feasible motions of an object pushed in a plane. This set is known as the motion cone and was previously described for non-prehensile manipulation tasks in the horizontal plane. We generalize its geometric construction to a broader set of planar tasks, where external forces such as gravity influence the dynamics of pushing, and prehensile tasks, where there are complex interactions between the gripper, object, and pusher. We show that the motion cone is defined by a set of low-curvature surfaces and provide a polyhedral cone approximation to it. We verify its validity with 2000 pushing experiments recorded with motion tracking system. Motion cones abstract the algebra involved in simulating frictional pushing by providing bounds on the set of feasible motions and by characterizing which pushes will stick or slip. We demonstrate their use for the dynamic propagation step in a sampling-based planning algorithm for in-hand manipulation. The planner generates trajectories that involve sequences of continuous pushes with 5-1000x speed improvements to equivalent algorithms. Video Summary -- https://youtu.be/tVDO8QMuYhc

研究の動機と目的

• 水平で非把持的押しだすにとどまらない、重力および複雑な接触相互作用を伴う垂直平面タスクへのモーションコーンの拡張。
• モーションコーンを一点で交差する低曲率表面の集合としてモデル化し、幾何学的および計算的取り扱いやすさを実現。
• ロボットマニピュレーションにおけるリアルタイム計画のための効率的実装を可能とする、モーションコーンの多面体近似の開発。
• Viconモーショントラッキングシステムを用いて、スティック/スリップ挙動およびモーションコーンの予測を実験的に検証。
• イン・ハンド・マニピュレーションのためのサンプリングベース計画法（T-RRT*）にモーションコーンを統合し、計画速度と解の質を顕著に向上。

提案手法

• 平面剛体力学におけるニュートンの第二法則、クーロンの摩擦法則、および最大散逸の原理を用いて、モーションコーンの幾何的構造を導出。
• 摩擦コーンと重力などの外力によって制限される、摩擦による押しだす操作下での物体のねじれ運動（速度および角速度）の全集合としてモーションコーンを構築。
• 曲がったモーションコーン表面を多面体コーンに近似することで、高速な計算およびサンプリングベースの計画法への統合を可能に。
• T-RRT*計画法を実装し、モーションコーンを動的伝播ステップとして用いることで、接触が豊富なマニピュレーション戦略の効率的探索を実現。
• 2000回の押しだす実験をViconモーショントラッキングシステムで記録し、予測されたモーションコーン挙動と観測された物体の軌道を比較。
• 摩擦条件の変化に応じた、把持的マニピュレーションタスク（再グリップおよび非凸形状のマニピュレーション）に本フレームワークを適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水平で非把持的押しだすにとどまらない、重力および把持的接触を伴う平面的押しだすタスクに、モーションコーンをどのように一般化できるか？
• RQ2 運動面内に重力などの外力が作用する状況下で、モーションコーンを特徴づける幾何的性質は何か？
• RQ3 モーションコーンの多面体近似は、複雑なマニピュレーションタスクにおけるリアルタイム計画を可能にしつつ、精度を保持できるか？
• RQ4 イン・ハンド・マニピュレーションにおいて、モーションコーンベースの計画は従来手法と比べて、速度および解の質の点でどの程度優れているか？
• RQ5 摩擦条件を変化させた実世界の押しだす実験において、モーションコーンはスティック/スリップ挙動をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 重力作用下の平面的押しだすタスクにおけるモーションコーンは、一点で交差する低曲率表面から構成され、対になる交線を形成することで幾何的モデル化が可能である。
• モーションコーンの多面体近似は、顕著な精度損失なしに、高速な計算およびサンプリングベースの計画法への統合を可能にする。
• モーションコーンベースの計画は、同等の従来アルゴリズム比5–1000倍の高速化を達成し、複数の再グリップタスクにおいて中央値の計画時間が1秒未塔であった。
• Viconシステムを用いた実験的検証により、モーションコーンが把持的押しだすタスクにおけるスティックおよびスリップ挙動を正確に予測していることが確認された。
• 計画法は、T字型の物体の再グリップや長方形ブロックの3次元的再グリップといった複雑なタスクに対しても、安定的かつ連続的な押しだす戦略を効果的に生成し、解の質と効率の点で従来手法を上回った。
• 高摩擦のプッシュャーでは、目的の運動がモーションコーン内にある場合、直接的な押しだす戦略が可能であるが、低摩擦の場合は垂直および横方向のプッシュを組み合わせた多段階戦略が必要となる。