[论文解读] Extrinsic Contact Sensing with Relative-Motion Tracking from Distributed Tactile Measurements

Daolin Ma, Siyuan Dong+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Robot Manipulation and Learning参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于约束的估计框架，利用分布式触觉传感来定位外部接触——即抓取物体与其环境之间的接触——通过跟踪触觉测量中的相对运动实现。通过利用GelSlim 3.0等高分辨率传感器获取的局部应变和位移场，该方法在无需事先了解物体几何形状的情况下，估计接触位置和类型（例如点接触或线接触），在仿真和真实实验中均实现了与真实值亚毫米级对齐的精确位姿跟踪。

ABSTRACT

This paper addresses the localization of contacts of an unknown grasped rigid object with its environment, i.e., extrinsic to the robot. We explore the key role that distributed tactile sensing plays in localizing contacts external to the robot, in contrast to the role that aggregated force/torque measurements play in localizing contacts on the robot. When in contact with the environment, an object will move in accordance with the kinematic and possibly frictional constraints imposed by that contact. Small motions of the object, which are observable with tactile sensors, indirectly encode those constraints and the geometry that defines them. We formulate the extrinsic contact sensing problem as a constraint-based estimation. The estimation is subject to the kinematic constraints imposed by the tactile measurements of object motion, as well as the kinematic (e.g., non-penetration) and possibly frictional (e.g., sticking) constraints imposed by rigid-body mechanics. We validate the approach in simulation and with real experiments on the case studies of fixed point and line contacts. This paper discusses the theoretical basis for the value of distributed tactile sensing in contrast to aggregated force/torque measurements. It also provides an estimation framework for localizing environmental contacts with potential impact in contact-rich manipulation scenarios such as assembling or packing.

研究动机与目标

• 解决在物体几何形状未知的情况下，定位抓取物体与环境之间外部接触的挑战。
• 从传统的集成式力/扭矩（F/T）传感转向分布式触觉传感，以提升在接触丰富的操作任务中对接触的定位能力。
• 开发一种基于约束的估计框架，利用触觉观测的相对运动推断接触位置和类型。
• 在仿真和真实世界实验中验证该方法在固定点接触和线接触下的性能。
• 通过在传感器附着坐标系中估计接触，实现以夹爪为中心的控制，而无需世界坐标系标定。

提出的方法

• 将外部接触感知建模为基于约束的估计问题，利用刚体力学中的运动学和摩擦约束。
• 使用高空间分辨率的触觉传感器（如GelSlim 3.0）捕获三维应变场和滑移场，实现局部相对运动的追踪。
• 通过最小二乘优化方法，从触觉位移场中估计物体的有限刚体运动（旋转与平移）。
• 施加非穿透和粘着约束以建模物理相互作用，接触类型（点接触/线接触）作为先验假设。
• 通过最小化在假设约束下观测到的运动与预测运动之间的误差，求解接触位置和方向。
• 通过利用多个接触点之间的运动一致性，将方法推广至稀疏触觉传感配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式触觉传感是否能够在未知刚体物体上实现无先验几何知识的外部接触精确定位？
• RQ2 通过触觉传感器观测到的相对运动如何编码来自环境接触的运动学和摩擦约束？
• RQ3 基于约束的估计框架在利用触觉反馈定位点接触和线接触方面的性能如何？
• RQ4 基于触觉的相对运动追踪与传统F/T传感在接触定位精度方面相比如何？
• RQ5 主动探索策略是否能提升接触类型识别能力并减少运动空间约束中的模糊性？

主要发现

• 在仿真中，所提方法在估计接触位置与真实值之间实现了高度对齐，如图8所示，估计的边缘位姿与红色实线（真实值）高度吻合。
• 真实实验表明，当在被动探索过程中保持接触时，对固定线接触的估计具有良好的定性效果。
• 该方法即使在缺乏物体几何形状知识的情况下，也能成功从触觉观测的相对运动中估计出接触位置和方向。
• 该框架在从分布式触觉数据中追踪有限刚体运动方面表现出鲁棒性，支持精确的基于约束的推断。
• 当线接触因接触维持不足而退化为点接触时，性能显著下降，凸显了主动控制的必要性。
• 该方法通过在传感器坐标系中估计接触，实现了以夹爪为中心的控制，适用于闭环触觉操作。