Control y reconocimiento táctil aplicado en tareas de manipulación de objetos deformables

Resumen

MOTIVACIÓN: La manipulación de objetos deformables es aún un reto abierto en el campo de la manipulación robótica. En la manipulación robótica de objetos rígidos, el modelado y cálculo de fuerzas y velocidades de interacción entre objeto y elemento prensor normalmente resultan viables. Sin embargo, cuando se trata de objetos deformables con múltiples grados de deformación, la complejidad de los modelados y cálculos aumenta considerablemente. Muchos han sido los trabajos presentados en los que se estudia el control de la manipulación de objetos deformables usando técnicas de control basadas en el modelado de los objetos y el cálculo de las fuerzas de interacción. Dichos trabajos usan versiones adaptadas de las leyes dinámicas que rigen la interacción entre dos objetos rígidos, incluyendo conceptos como el rango limitado de fuerzas aplicadas. Estas técnicas son muy precisas cuando se utilizan en entornos estructurados, pero no resultan viables cuando se intentan aplicar en entornos no estructurados o con múltiples tipos de objetos a tratar, para los que no se dispone de un modelo físico. Como respuesta al principal problema que ofrecen los sistemas de manipulación basados en utilización de modelos dinámicos, su falta de adaptabilidad, en esta Tesis se ofrece una visión alternativa para afrontar el reto de manipular objetos deformables, en la que el sistema no depende de tener previamente un modelo del objeto que va a usar. De esta manera se consigue un sistema ágil y adaptable que puede operar con una gran diversidad de objetos aun cuando el modelado no existe o es inapropiado. Esto se consigue controlando el sistema usando únicamente información interna de posicionamiento articular de los dedos y el brazo, e información de sensores táctiles colocados en las manos robóticas. El sistema se ha basado en el comportamiento humano para manipular objetos. El ser humano utiliza principalmente información táctil combinada con el propio conocimiento del posicionamiento y movimientos de los dedos de las manos para conocer cómo se deforma un objeto y si este se agarra con estabilidad o se producen deslizamientos entre mano y objeto. DESARROLLO: En esta Tesis se presenta una arquitectura innovadora para el control de tareas de manipulación de objetos deformables, usando sistemas robóticos compuestos por brazos articulados y manos humanoides. Esta arquitectura se basa principalmente en información sensorial obtenida desde sensores táctiles con los que se ha equipado a las manos robóticas. El principal objetivo del desarrollo de las técnicas que se describirán en esta memoria es obtener un sistema fiable, aplicable, y adaptable. Para que el sistema sea fiable, éste ha de ofrecer una respuesta correcta en ejecución continua durante su aplicación. La aplicabilidad del sistema se plantea también como un objetivo principal, ya que se desea que los algoritmos desarrollados puedan ser utilizados en usos reales de aplicación de manipulación robótica de objetos deformables. Por último, se plantea como objetivo principal del sistema la adaptabilidad, es decir, que el sistema desarrollado pueda aplicarse tanto con distintos tipos de elementos (robots, manos robóticas y sensores táctiles), como con distintos tipos de objetos deformables. La arquitectura propuesta se ha organizado en tres niveles: agarre y exploración táctil, control táctil y planificación de tareas. El primer nivel se corresponde a la primera interacción entre mano y objeto, donde se establecen los puntos de contacto idóneos para realizar el agarre en función de la forma del objeto, y se incorpora además un procedimiento de exploración del objeto para analizar su rigidez combinando información táctil con información de desplazamiento de los dedos. De esta manera, se obtiene en la propia tarea de manipulación una descripción simplificada del objeto, sin tener que recurrir a un estudio dinámico previo del mismo. El segundo nivel se corresponde con el control de los dedos en función de la información táctil obtenida durante toda la tarea de manipulación, que permite tanto evitar deslizamientos y pérdida de contacto con el objeto, como producir deformaciones locales en él. En este nivel se presenta el concepto innovador de control táctil aplicado a los dedos de manos humanoides. Se describe también el concepto de imágenes táctiles, usadas para encapsular información táctil proveniente de distintos tipos de sensores en una misma representación escalada. Esta representación permite identificar el estado de las configuraciones de contacto, y por lo tanto utilizar el control táctil en función de las variaciones que se vayan produciendo en ellas. Por último, al nivel más alto, se presenta el método de planificación de tareas propuesto. Este método se basa en los niveles anteriores, que dan información descriptiva del objeto usado y de la configuración de contactos. Se divide en dos partes, un planificador global que establece movimientos de brazo y mano para realizar las trayectorias deseadas para llevar a cabo una tarea, y un planificador local que se encarga de controlar la interacción entre cada uno de los dedos y el objeto, previniendo la pérdida de contacto y aplicando deformaciones locales cuando la tarea lo requiere. La Tesis se ha organizado acordemente a la estructura descrita anteriormente. El primer Capítulo incluye una introducción de los objetivos, ámbito y motivación de la Tesis. En el segundo Capítulo se describe el mecanismo de agarre y exploración propuesto. Se hace además en este Capítulo un repaso sobre el estado del arte en técnicas de agarre y modelado, y una descripción de los principales conceptos relacionados con el agarre (matriz de agarre, modelado y medidas de calidad). En el tercer Capítulo se describe el sistema de control táctil propuesto y el uso de imágenes táctiles. Se añade además un repaso histórico sobre técnicas de control en la manipulación de objetos y tecnologías relacionadas con los sensores táctiles. El Capítulo cuarto describe el planificador propuesto, tanto a nivel local como a nivel global. En este Capítulo se presenta también un repaso histórico sobre técnicas de planificación en la manipulación de objetos, tanto usando un sistema uni-manual como un sistema bi-manual. Se incluye además un análisis sobre el comportamiento dinámico de objetos deformables, que se usa como base en la planificación de las tareas para provocar deformación. Los tres Capítulos que forman el núcleo de la Tesis, contienen una sección de pruebas en las que se justifica la utilización de los métodos propuestos en casos reales de aplicación y se demuestra la viabilidad del sistema. La Tesis se completa con un Capítulo final de conclusiones, resumen y enumeración de las publicaciones relacionadas con las aportaciones comentadas anteriormente. CONCLUSIONES El trabajo de investigación realizado y documentado en esta Tesis ha afrontado el problema de la manipulación de objetos deformables, pasando por todas las etapas que intervienen en la definición de un sistema completo: el agarre y selección de puntos, el modelado, el control de movimientos en-mano, la planificación local de movimientos, la planificación global de movimientos y la exploración y aprendizaje de características de los objetos. En su conjunto, las aportaciones realizadas forman a un sistema robótico más completo, además de ser aplicables a distintos tipos de brazos y manos robóticas. Uno de los objetivos principales de la investigación era obtener un conjunto de algoritmos y técnicas que, aunque parte de su desarrollo se ajustase en simulación, se ejecutasen directamente en robots y sistemas sensoriales reales. La plataforma desarrollada puede utilizarse tanto con objetos con propiedades deformables constantes (objetos con isotropía), como con objetos con distribuciones de masa y densidad variables (objetos no isotrópicos). La principal contribución es la versatilidad de la que se dota al sistema. En esta Tesis se ha defendido la idea del sistema adaptable y autónomo que pueda aplicarse de manera útil a distintos objetos y tareas a realizar, y para ello es necesaria la utilización de información sensorial en lugar de información dinámica dada por un modelo. El estudio y desarrollo de nuevas técnicas de control basadas en información táctil resultan indispensables para los sistemas de manipulación, ya que es el sistema sensorial que más información puede ofrecer acerca del contacto con el objeto. En esta Tesis se ha presentado una plataforma para la manipulación basada principalmente en información táctil, y se ha demostrado su viabilidad para realizar tanto movimientos de extracción de características del objeto como para adaptar los movimientos en mano de manera que se controle la deformación causada en el objeto y se eviten pérdidas de contacto. La hipótesis se basa en el sistema sensorial humano, donde se ha demostrado que la información táctil es usada como principal fuente de información cuando se manipula un objeto, por delante del otro elemento sensorial principal, la visión. El sistema propuesto ha sido probado en diversos laboratorios, con una variedad de objetos que el robot ha tenido que explorar y manipular. A partir de los experimentos mostrados se puede demostrar la fiabilidad que aporta el sistema, tanto para estimar la rigidez de un objeto ejecutando el algoritmo de extracción de características propuesto, como para mantener la configuración de contactos en un estado deseado mediante el uso del control táctil definido. La cantidad de deformación que se puede determinar en un objeto especifica las fuerzas de contacto que una mano robótica puede llegar a aplicar sin dañar dicho objeto. El control de los puntos de contacto resulta indispensable para llevar a cabo tareas de manipulación. Ambos condicionantes se pueden afrontar con la estrategia de manipulación propuesta. El algoritmo propuesto para la creación de imágenes táctiles a partir de información dada por distintos tipos de sensores táctiles ha sido otra de las contribuciones de la Tesis. Este método, basado en una combinación de representaciones Gaussianas de cada uno de los valores leídos físicamente, aporta una manera novedosa y fiable de representar información táctil de manera genérica para distintos tipos de sensores. Este método podrá usarse con cualquier tipo de sensor para el que las propiedades físicas y su rango de respuestas sean conocidos. De esta manera, y como se ha mencionado anteriormente, el sistema es adaptable a distintas tecnologías tanto de robots como de sensores.