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Greifplanung

Darstellung eines Clown-Objektes durch einbeschriebene Kugeln. Die Kugeln sind abhängig von ihrem Durchmesser gefärbt, von blau für die größten über grün bis hin zu rot für die kleinsten Kugeln.
Ein Präzisionsgriff für das Clown-Objekt. Die orangefarbene, leicht vergrößert eingezeichnete Kugel wird von Daumen, Zeige- und Mittelfinger gegriffen.

Greifen mit Humanoiden Robotern

Beim Agieren in komplexen alltäglichen Haushaltsumgebungen werden unsere Humanoiden Roboter ARMAR-IIIa und ARMAR-IIIb  mit einer Vielzahl von Problemen konfrontiert. Hierbei liegt eine große Herausforderung im Greifen und Manipulieren von Objekten. Um stabiles und kollisionsfreies Greifen solcher Objekte zu gewährleisten, ist eine ausgefeilte Greifplanungs-Strategie erforderlich. Greifplanung findet üblicherweise in einer Simulationsumgebung statt, in der verschiedene Griffe einer Roboterhand für ein Objekt simuliert und auf Stabilität getestet werden.

Greifplanung im Simulator

Das Finden stabiler Griffe für dreidimensionale Objekte gilt als eines der schwierigsten Probleme in der Robotik, da hierbei viele Parameter berücksichtigt werden müssen: die Kinematik der Hand, die Objektgeometrie, Materialeigenschaften, Kräfte und Momente.
Dies führt zu einem hochdimensionalen Raum möglicher Griffe, der nicht erschöpfend abgesucht werden kann.
Eine mögliche Lösung bietet die Greifplanung im Simulator. Hierbei werden Modelle der Roboterhand und des zu greifenden Objektes in eine Simulationsumgebung geladen, um verschiedene Griffe der Hand für das Objekt zu testen. Dies geschieht, indem die Hand an verschiedenen Startpositionen und mit verschiedenen Orientierungen relativ zum Objekt platziert und dann auf das Objekt zu bewegt wird. Wenn eine Kollision zwischen Hand und Objekt detektiert wird, schließt man die Finger der Hand, bis alle Fingerglieder in Kontakt zum Objekt stehen und/oder sich nicht mehr bewegen können. Anschließend werden die Koordinaten der Kontaktpunkte ermittelt und ein Gütemaß für die Stabilität von Griffen ausgewertet. So können viele verschiedene Griffkandidaten automatisch getestet und bewertet werden. Dennoch verursachen Kollisionsdetektion und Stabilitätsberechnungen einen hohen Rechenaufwand. Bei den Bemühungen, die Komplexität des Greifplanungsproblems zu reduzieren, kommt daher eine Schlüsselrolle der Heuristik zu, welche zur Erzeugung von Griffkandidaten benutzt wird, das heißt von Startpositionen und -orientierungen der Hand relativ zum Objekt. Gesucht werden Heuristiken, welche zu einem möglichst hohen Anteil an stabilen Griffen unter den erzeugten Griffkandidaten führen.

Reduktion des Suchraumes durch Analyse von Objektsymmetrieeigenschaften

Am Lehrstuhl für Hochperformante Humanoide Technologien wird ein Ansatz zur Greifplanung basierend auf Objektsymmetrieeigenschaften verfolgt.
Dieser verwendet eine Objektrepräsentation basierend auf der Mediale-Achse-Transformation. Hierbei wird ein Objekt dargestellt durch Einbeschreiben beliebig vieler Kugeln maximalen Durchmessers, die sich gegenseitig durchdringen können. Eine Kugel hat genau dann maximalen Durchmesser, wenn sie die Oberfläche des Objektes an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen berührt. Die Vereinigung der Mittelpunkte aller einbeschriebenen Kugeln bildet dann die sogenannte Mediale Achse (1967 von H. Blum eingeführt), welche zusammen mit den Kugelradien die sogenannte Mediale-Achse-Transformation ergibt. Die Mediale-Achse-Transformation ist ein vollständiger Shape Descriptor, d.h. es ist hiermit eine beliebig genaue Approximation beliebiger dreidimensionaler Formen möglich. Aus den Kugelmittelpunkten der Medialen Achse können mittels Hauptkomponenentenanalyse auf einfache Weise Griffkandidaten extrahiert werden, welche aus einem Anrückpunkt, einer Anrückrichtung der Hand und einer Handorientierung bestehen.

Die Grundidee besteht nun darin, das Oppositionsprinzip aus Thea Iberalls Grifftaxonomie (1986) auszunutzen und Objekte gemäß ihrer lokalenSymmetrieeigenschaften zu greifen, welche in der Medialen Achse enthalten sind. Wenn ein Objekt an einer Stelle eine lokale Symmetrieebene besitzt, soll es dort so gegriffen werden, dass der Daumen auf der einen Seite und die anderen Finger auf der anderen Seite der Symmetrieebene das Objekt berühren und somit das Objekt zwischen diesen beiden opponierenden Fingern eingeklemmt wird. Wenn ein Objekt an einer Stelle eine lokale Symmetrieachse besitzt, soll es dort so gegriffen werden, dass Daumen und Finger der Hand beim Griff diese Symmetrieachse umschließen. Zusätzlich erlaubt der Kugeldurchmesser eine Aussage über die lokale Dicke des Objektes an beliebigen Stellen. Hierdurch kann von vornherein vermieden werden, dass der Greifplaner versucht, an solchen Stellen Griffe für das Objekt zu finden, an denen das Objekt zu dick ist, um es mit einer gegebenen Hand zu greifen.

Insgesamt erlaubt dieser Ansatz eine beliebig genaue Approximation der Objektform und hierdurch das Generieren von besser an die Objektform angepassten Griffen bei gleichzeitiger Einschränkung des Suchraumes, ohne durch eine nur grobe Approximation der Geometrie (wie bei vielen bisherigen Verfahren üblich) viele geometrisch sinnvolle Griffkandidaten frühzeitig aus dem Suchraum zu eliminieren. Durch diese Vorgehensweise sind oftmals höhere Ausbeuten an kraftschlüssigen Griffen möglich als bei Planungsverfahren, die auf einfacheren Heuristiken basieren. Der Ansatz widerlegt außerdem die in der letzten Dekade weit verbreitete Meinung, dass die geometrische Form von Objekten zu kompliziert sei, um sie für die Greifplanung auszunutzen, und dass zeitaufwendiges schlichtes Durchprobieren nahezu zufällig generierter Griffkandidaten ein besserer Ansatz sei, um Griffe zu planen. Stattdessen zeigt der Ansatz, dass, ausgehend von einer geeigneten Objektrepräsentation, einfache geometrische Überlegungen ausreichen, um auf effiziente Weise kraftschlüssige Griffe zu generieren.

Für weitere Details sei der interessierte Leser auf unsere Veröffentlichungen auf den Konferenzen IROS 2010, IROS 2011 und Humanoids 2012 verwiesen, die auf den Publikationsseiten des Autors und unserer Forschungsgruppe aufgelistet sind.

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