[论文解读] Dual-Arm In-Hand Manipulation and Regrasping Using Dexterous Manipulation Graphs
本文提出灵活操作图（Dexterous Manipulation Graphs, DMG），通过并行夹爪实现双臂机器人的指间操作与重抓取规划。通过将手指在物体表面的运动建模为图结构，该方法能够实现协调的推压与重抓取序列，已在ABB Yumi机器人上成功验证，相较于单臂方法在任务成功率方面有所提升。
This work focuses on the problem of in-hand manipulation and regrasping of objects with parallel grippers. We propose Dexterous Manipulation Graph (DMG) as a representation on which we define planning for in-hand manipulation and regrasping. The DMG is a disconnected undirected graph that represents the possible motions of a finger along the object's surface. We formulate the in-hand manipulation and regrasping problem as a graph search problem from the initial to the final configuration. The resulting plan is a sequence of coordinated in-hand pushing and regrasping movements. We propose a dual-arm system for the execution of the sequence where both hands are used interchangeably. We demonstrate our approach on an ABB Yumi robot tasked with different grasp reconfigurations.
研究动机与目标
- 为解决并行夹爪因缺乏内在灵巧性而带来的指间操作与重抓取挑战。
- 开发一种基于图的表示方法，以捕捉物体表面可行的指端运动，用于规划。
- 实现双臂协调，使两臂交替利用外部灵巧性对物体进行操作。
- 通过引入重抓取动作，将规划扩展至纯指间操作之外，以解决先前无法实现的构型问题。
- 在真实双臂机器人（ABB Yumi）上验证该方法，实现复杂抓取重构任务。
提出的方法
- 从物体的3D形状构建灵活操作图（DMG），将物体表面可能的指端运动表示为一个不连通的无向图。
- 定义运动原语（平移、旋转与重抓取）以生成DMG，每个组件代表一组可达构型。
- 使用图搜索算法从初始抓取构型找到目标构型的路径，组合指间操作与重抓取动作。
- 双臂系统通过两夹爪之间的相对运动执行规划，协调机制基于ECTS（末端执行器控制策略）框架。
- 将环境接触点（如桌面）建模为固定推点，以在缺少第二只机械臂时实现指间推压。
- 扩展DMG以包含连接不连通分量的重抓取动作，实现纯指间操作无法达成的解决方案。
实验结果
研究问题
- RQ1如何通过基于图的表示方法，建模并行夹爪在自由度有限条件下的可行指间操作运动？
- RQ2重抓取在解决纯指间操作无法解决的抓取重构问题中起到何种作用？
- RQ3如何建模与执行双臂协调，以利用外部灵巧性实现复杂操作？
- RQ4如何将环境接触点整合到规划过程中，以替代第二台机器人臂的功能？
- RQ5DMG如何实现对不同物体形状与抓取构型的鲁棒且可泛化的规划？
主要发现
- DMG在ABB Yumi机器人上成功实现了指间操作任务，包括在圆柱面表面进行90°旋转与平移，且无需释放物体。
- 引入重抓取动作后，系统能够解决仅靠指间操作无法实现的抓取重构问题。
- 实验表明，利用桌面作为固定推点，可在单臂配置下实现有效的指间推压，成功达到目标抓取构型。
- 该方法在多次实物实验中可靠地执行了包含协调推压与重抓取的复杂操作序列。
- 基于DMG的规划方法对不同物体几何形状与抓取构型表现出良好的适应性，在真实环境中展现出鲁棒性。
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