[논문 리뷰] In-Hand Manipulation via Motion Cones

Nikhil Chavan-Dafle, Rachel Holladay외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 29.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 29인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 마찰성 밀기 하에서의 가능 운동의 기하학적 추상화인 운동 원뿔을 중력과 기민한 만지음 조건이 있는 평면 작업으로 일반화한다. 운동 원뿔을 낮은 곡률 표면으로 모델링하고 다면체 원뿔로 근사화함으로써, 수동적이고 샘플 기반의 계획 수단을 통해 손안에서의 운동 제어를 빠르게 수행할 수 있게 되었으며, 2000회의 운동 추적 실험을 통해 검증된 정확도를 유지하면서도 이전 방법 대비 5–1000배 빠른 성능 향상을 달성하였다.

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

연구 동기 및 목표

• 수평적이고 비기민한 밀기 외에 수직 평면 작업에서 중력과 복잡한 접촉 상호작용을 고려한 운동 원뿔의 개념을 확장한다.
• 운동 원뿔을 한 점에서 만나는 낮은 곡률 표면의 집합으로 모델링하여 기하학적 및 계산적 취급 가능성을 확보한다.
• 로봇 운동 제어에서 실시간 계획 수단을 효율적으로 구현하기 위해 운동 원뿔의 다면체 근사를 개발한다.
• Vicon 운동 추적 시스템을 사용하여 스틱/슬립 거동과 운동 원뿔 예측의 실험적 검증을 수행한다.
• 샘플 기반 계획기(T-RRT*)에 운동 원뿔을 통합하여 손안에서의 운동 제어에서 계획 속도와 해의 품질을 크게 향상시킨다.

제안 방법

• 뉴턴의 제2법칙, 쿠론의 마찰 법칙, 평면 강체 역학에서의 최대 소산 원리를 사용하여 운동 원뿔 기하학을 유도한다.
• 마찰 원뿔과 외부 힘(중력 포함)에 의해 제한되는, 마찰성 밀기에 의해 가능한 물체의 투습(속도 및 각속도)의 집합으로서 운동 원뿔을 구성한다.
• 곡면 운동 원뿔 표면을 다면체 원뿔로 근사화하여 빠른 계산과 샘플 기반 계획기 내통합을 가능하게 한다.
• 운동 원뿔을 동역학 전파 단계로 사용하는 T-RRT* 계획기를 구현하여 접촉이 풍부한 운동 제어 전략의 효율적 탐색을 가능하게 한다.
• 2000회의 밀기 실험 기록을 위해 Vicon 운동 추적 시스템을 사용하여 예측된 운동 원뿔 거동과 관측된 물체 궤적을 비교한다.
• 다양한 마찰 조건에서 기민한 만지음 작업, 예를 들어 재그립 및 볼록하지 않은 물체의 운동 제어에 이 프레임워크를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 원뿔은 어떻게 중력과 기민한 접촉 조건이 있는 평면 밀기 작업으로 일반화될 수 있는가? (단지 수평적 비기민 밀기 외로 확장하여)
• RQ2 운동 평면 내 외부 힘(예: 중력)이 존재할 경우 운동 원뿔의 기하적 특성은 무엇인가?
• RQ3 운동 원뿔의 다면체 근사는 복잡한 운동 제어 작업에서 실시간 계획 수단을 가능하게 하면서도 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 운동 원뿔 기반 계획 수단은 손안에서의 운동 제어에서 이전 방법과 비교해 속도와 해의 품질 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 다양한 마찰 조건에서 실세계의 밀기 실험에서 운동 원뿔은 스틱/슬립 거동을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 중력 작용 하에서의 평면 밀기 운동 원뿔은 한 점에서 만날 수 있는 낮은 곡률 표면으로 정의되며, 이들의 두 개씩의 교차선이 선으로 형성되어 기하학적 모델링이 가능하다.
• 운동 원뿔의 다면체 근사는 정확도 손실 없이도 빠른 계산과 샘플 기반 계획기 내통합을 가능하게 한다.
• 운동 원뿔 기반 계획 수단은 이전 알고리즘 대비 5–1000배 빠른 성능 향상을 달성하였으며, 여러 재그립 작업에서 중앙 계획 시간이 1초 이하로 유지되었다.
• Vicon 시스템을 사용한 실험적 검증 결과, 운동 원뿔은 기민한 밀기 작업에서 스틱 및 슬립 거동을 정확하게 예측함을 확인하였다.
• 계획기는 복잡한 작업, 예를 들어 T자형 물체의 재그립 및 직육면체의 3차원 재그립에 대해 안정적이고 연속적인 밀기 전략을 성공적으로 생성하였으며, 이전 방법에 비해 해의 품질과 효율성에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 고마찰 밀이자일 경우 목표 운동이 운동 원뿔 내에 존재하면 직접적인 밀기 전략을 사용할 수 있으나, 저마찰 조건에서는 수직 및 횡방향 밀기 전략을 포함한 다단계 전략이 필요하다.