[論文レビュー] Viko: An Adaptive Gecko Gripper with Vision-based Tactile Sensor

Chohei Pang, Kinwing Mak+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2021

Adhesion, Friction, and Surface Interactions参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

Vikoは、接触面積とせん断力のリアルタイムで高分解能なモニタリングを可能にする、ビジョンベースのタクトイルセンサーを統合した、適応性のあるガラスヘビに着想を得たロボットグリッパーです。マーカーを埋め込んだ変形可能なエラストマー膜に直接ガラスヘビの接着剤を接着することで、高い適応性を実現し、強力な接着を維持します。30°のフィンガータイプピッチ角で最大8 Nの荷重を発揮し、センサー駆動のポーズ調整により多様な日常用品の把持に成功しました。

ABSTRACT

Monitoring the state of contact is essential for robotic devices, especially grippers that implement gecko-inspired adhesives where intimate contact is crucial for a firm attachment. However, due to the lack of deformable sensors, few have demonstrated tactile sensing for gecko grippers. We present Viko, an adaptive gecko gripper that utilizes vision-based tactile sensors to monitor contact state. The sensor provides high-resolution real-time measurements of contact area and shear force. Moreover, the sensor is adaptive, low-cost, and compact. We integrated gecko-inspired adhesives into the sensor surface without impeding its adaptiveness and performance. Using a robotic arm, we evaluate the performance of the gripper by a series of grasping test. The gripper has a maximum payload of 8N even at a low fingertip pitch angle of 30 degrees. We also showcase the gripper's ability to adjust fingertip pose for better contact using sensor feedback. Further, everyday object picking is presented as a demonstration of the gripper's adaptiveness.

研究の動機と目的

• ロボットグリッパーにおけるガラスヘビに着想を得た接着剤のリアルタイムで高分解能なタクトイルセンシングの不足を解消すること。
• グリッパーの適応性や性能を損なう大型または剛性の高いタクトイルセンサーの制限を克服すること。
• 接触状態のフィードバックを活用したフィンガータイプポーズの調整による接触品質と荷重耐性の向上を実現すること。
• 制限された幾何学的条件下でも、大型、曲面、柔らかい表面の物体を含む多様な物体に対する強固な把持を実証すること。
• センサーの柔軟性やセンシング性能を損なわずに、ガラスヘビ接着剤をビジョンベースのタクトイルセンサーに直接統合すること。

提案手法

• エラストマー膜に高密度のマーカーを埋め込んだ独自開発のビジョンベースタクトイルセンサーが、接触時の変形を捉えます。
• カメラ画像を処理するオプティカルフロー法アルゴリズムにより、リアルタイムで接触面積とせん断力の測定値を抽出します。
• 二面テープまたはキャスティングを用いて、ガラスヘビに着想を得た接着剤をセンサー表面に直接接着し、膜の変形性を保持します。
• サーボモーターを搭載したFranka Emika Pandaロボットアームによりグリッパーを駆動し、動的フィンガータイプポーズの調整を実現します。
• センサーからの接触状態フィードバックが、グリップの整合性と力の適用をリアルタイムで最適化する閉ループ制御を駆動します。
• 測定精度を保証するため、せん断力はF/Tセンサー、接触面積はFTIRイメージングを用いて性能を検証しました。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビジョンベースのタクトイルセンサーは、ロボットグリッパーにおけるガラスヘビに着想を得た接着剤の接触面積およびせん断力のリアルタイムで高分解能なモニタリングを可能にできるか？
• RQ2 ビジョンベースのタクトイルセンサーにガラスヘビ接着剤を直接統合することは、グリッパーの適応性および荷重容量にどのような影響を与えるか？
• RQ3 センサーのフィードバックによって、接触品質と荷重容量の向上を実現するためのフィンガータイプポーズの動的調整は、どの程度可能か？
• RQ4 フィンガータイプピッチ角や物体の幾何学的形状が変化する状況、特に曲面や大型の物体において、グリッパーの性能はいかがなものか？
• RQ5 多様な形状、質感、サイズの日常用品を、安定的かつ高力で把持できるか？

主な発見

• 30°のフィンガータイプピッチ角で最大8 Nの荷重を発揮し、低接着状態でも優れた性能を示しました。
• 60°、45°、30°のフィンガータイプピッチ角では、平均最大荷重がそれぞれ18 N、11 N、8 Nであり、垂直成分の減少に伴い性能が低下することが確認されました。
• ビジョンベースのセンサーにより、接触面積のリアルタイムモニタリングが可能であり、20 cmの直径を持つボトルを把持する際、接触面積が最大値の40–50％に達しました。
• ボトル上でのピックアンドプレース動作中、せん断力は10–12 Nの安定した高値を維持し、しっかりとした安定した把持を示しました。
• センサーのフィードバックに基づく動的フィンガータイプポーズ調整により、柔らかい、硬い、曲面、大型の物体を含む多様な日常用品を成功裏に把持できました。
• ガラスヘビ接着剤をセンサー膜に直接統合することで、センサーの適応性が保持され、センシング性能や荷重容量に悪影響を及げませんでした。