Golpear un objeto en vuelo, como una pelota o un cuadrado, a una ubicación de destino es una maniobra hábil que requiere mucha práctica para que un ser humano aprenda. Para un robot, esta tarea desafía su detección, planificación y control en la medida en que se requiere una coordinación total en tan solo una fracción de segundo. La tarea consiste en lanzar un objeto contra un brazo robótico de dos eslabones con un bate adjunto y planear el movimiento del brazo para golpear el objeto a lo largo de una trayectoria, hacia el objetivo.
La dinámica de impacto modela el cambio en el movimiento del bate y el objeto, que produce un estado posterior al impacto del objeto que se puede evaluar sujeto a la restricción de volar al objetivo. En este trabajo, se considera el impacto bidimensional, en el que las trayectorias del brazo y el objeto del robot se limitan a un plano vertical. Luego se desarrolla una solución al problema del impacto inverso, en el que una trayectoria deseada del objeto después del impacto a través del objetivo conduce a un cambio deseado en su movimiento durante el impacto, y finalmente al movimiento de bateo necesario para producir el cambio. El siguiente video muestra los resultados de varias instancias de bateo.
El sistema de bateo
Para ejecutar con éxito la tarea de bateo, se deben realizar varios componentes adicionales del bateo, como la cinemática del manipulador, la mecánica de vuelo y la estimación del movimiento del objeto. La siguiente figura ilustra cómo estos componentes trabajan juntos en nuestro sistema de bateo:
Se considera la mecánica de proyectil de cada objeto, donde los efectos aerodinámicos de arrastre y Magnus se aproximan de la estimación de estado y se usan para predecir la trayectoria del objeto antes y después del impacto. Además, la cinemática del brazo robótico junto con Impact Dynamics contribuye con restricciones al algoritmo de planificación de movimiento, que continuamente genera una trayectoria conjunta deseada al brazo robótico.
Estimación de movimiento
La visión por computadora es un componente esencial de la tarea de bateo que es necesaria para que el robot perciba la posición y orientación del objeto mediante el procesamiento de imágenes desde una cámara, mientras que la estimación del movimiento es necesaria para rastrear las velocidades del objeto. Un estimador de movimiento híbrido se implementa empleando el ajuste de mínimos cuadrados de la orientación del objeto, y un filtro de Kalman extendido que considera las fuerzas aerodinámicas de arrastre y Magnus. La aerodinámica involucrada permite una predicción precisa de la trayectoria de la posición del objeto antes y después del impacto, lo cual es crucial para que el robot ejecute la tarea con una tasa de éxito respetable. Mientras tanto, el ajuste de mínimos cuadrados de la orientación del objeto proporciona una estimación de la velocidad angular una vez diferenciada. Esto compensa la falta de un modelo de velocidad angular,
Impacto de la fricción en 2D
El impacto entre el bate y el objeto se modela con impulso mientras se considera la ley de fricción de Coulomb. Se utiliza la restitución basada en la energía, de modo que durante el corto período de impacto, la energía cinética se transfiere parcialmente entre el bate y el objeto, y se pierde parcialmente por el calor, la luz, el sonido y otras formas de energía. Además, con la fricción considerada de acuerdo con la ley de Coulomb, el estado de contacto entre los dos objetos cambia dependiendo de sus velocidades y parámetros físicos, lo que da como resultado una combinación de objetos que se deslizan, se pegan y se invierten. La siguiente figura muestra un momento de impacto, así como dos casos diferentes de impacto en términos de sus curvas de impulso. Los objetos inicialmente se están deslizando, donde en el primer caso, se convierten en adherencia, y en el segundo caso, se desplazan hacia el deslizamiento inverso.
Planificación de impacto
La planificación del movimiento del brazo del robot consiste en determinar la posición y la velocidad del murciélago para satisfacer el impacto deseado, trasladarlos a posiciones y velocidades conjuntas a través de la cinemática inversa, y repetir este proceso para mantener el movimiento del robot actualizado y preciso. Además, durante el movimiento del brazo se debe garantizar que el robot no exceda los límites de posición, velocidad y aceleración de sus articulaciones. Estas restricciones combinadas con otras suman un total de dieciséis restricciones en el espacio de estados de brazo que pueden completar la tarea. Muchas de estas restricciones se propagan a lo largo de múltiples ciclos del algoritmo a medida que las trayectorias de la articulación del brazo se juntan para formar una spline de polinomios quárticos.
Para más información, nos remitimos a los siguientes artículos:
- Yan-Bin Jia, Matthew Gardner y Xiaoqian Mu. Bateando un objeto en vuelo al objetivo . Aceptado en International Journal of Robotics Research , 2017.
- Matthew Gardner, Yan-Bin Jia y Huan Lin. Bateando objetos voladores al objetivo en 2D . En Actas de la Conferencia Internacional IEEE / RSJ sobre Robots y Sistemas Inteligentes , pp. 3225-3232, Daejeon, Corea, 9-14 de octubre de 2016.
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