Grasping capability analysis: evaluating robotic grasp quality considering relevant constraints

Abstract

Métodos convencionais para a avaliação da qualidade de pegas robóticas apresentam duas falhas fundamentais que impactam tanto as abordagens de síntese analítica quanto as baseadas em dados (empíricas). Primeiramente, a avaliação da qualidade de pega é frequentemente centrada no objeto, ignorando restrições críticas da garra, do ambiente e da tarefa, podendo levar a pegas inviáveis na prática. Em segundo lugar, muitos critérios de qualidade são inconsistentes fisicamente, somando componentes com diferentes grandezas físicas (ex.: forças e momentos) em um índice adimensional, obscurecendo o significado físico da avaliação. Esta tese aborda essas limitações ao propor a análise da capacidade de pega (grasping capability analysis), um método inovador para avaliar as forças ou momentos estáticos máximos que uma pega pode suportar ou exercer, considerando restrições do objeto, da garra, do ambiente e da tarefa. A formulação e os benefícios da análise proposta são primeiramente demonstrados por meio de um estudo de caso comparativo envolvendo a pega de um rolo de papel. Os resultados são contrastados com o tradicional grasp wrench space. A análise proposta fornece uma avaliação mais realista por considerar restrições como limites dos atuadores (±100 kN), forças de contato máximas (50 kN) e o modelo de atrito (µ=0,24). O grasp wrench space, por negligenciar essas restrições, produziu uma representação otimista e equivocada da capacidade da pega. Um segundo estudo de caso, envolvendo a pega de uma chapa durante uma operação de solda de filete, demonstra a capacidade da análise proposta de incorporar interações com o ambiente, como o contato direto entre o objeto e uma superfície de apoio. Variando-se o coeficiente de atrito nesse contato (µ=0.74 e µ=0.37), é possível avaliar como o atrito afeta a capacidade da pega de resistir a forças externas durante a tarefa. Uma restrição de força de ±10 kN também é considerada para o atuador nessa análise. A utilidade prática da análise da capacidade de pega é então demonstrada ao aplicá-la como uma função objetivo para a síntese dimensional orientada à tarefa de uma garra para um sistema antiqueda em um robô de inspeção de linhas de distribuição de energia. O objetivo foi encontrar parâmetros geométricos ótimos que maximizam a capacidade de pega da garra dentro de uma faixa de força relevante para a tarefa (270º a 360º), considerando restrições como limites de reação nas juntas (força de reação máxima de ±2.500 N nas juntas de revolução e força de cisalhamento máxima de ±600 N na junta prismática), limites do espaço de trabalho (0 = x = 60 mm e ?140 mm = y = 60 mm), e abertura mínima da garra (50 mm com 30 mm de deslocamento da junta prismática). A otimização resultou em uma garra que suporta forças 5,6 vezes maiores que sua versão inicial, validando a eficácia da análise da capacidade de pega para o projeto de engenharia. As principais contribuições desta tese são a formulação da análise da capacidade de pega como um método de avaliação fisicamente consistente e que considera restrições relevantes à aplicação e a demonstração de sua utilização para o projeto de garras robóticas orientadas à tarefa. A tese conclui que a análise proposta oferece uma abordagem mais robusta e confiável para a avaliação de pegas robóticas, levando a resultados mais alinhados com as condições de aplicação do mundo real.

Abstract: Conventional methods for robotic grasp quality evaluation often suffer from two fundamental flaws that impact both analytical and data-driven (empirical) grasp synthesis. First, they are often object-centered, ignoring critical constraints from the gripper, environment, and task, which may lead to practically infeasible grasps. Second, many quality criteria are physically inconsistent, summing components with different physical units (e.g., forces and moments) into a unitless score, obscuring the evaluation's physical meaning. This thesis addresses these limitations by proposing the grasping capability analysis, a novel method for evaluating the maximum static forces or moments a grasp can withstand or exert while considering constraints from the object, gripper, environment, and task. The formulation and benefits of the proposed analysis are first demonstrated through a comparative case study involving the grasping of a paper roll. The results are contrasted with the traditional grasp wrench space. The proposed analysis provides a more realistic evaluation by considering constraints such as actuator limits (±100 kN), maximum contact forces (50 kN), and friction model (µ=0.24). The grasp wrench space, by neglecting these constraints, produced an optimistic and misleading representation of the grasp's capacity. A second case study, involving the grasping of a plate during a fillet-welding operation, demonstrates the ability of the proposed analysis to incorporate environmental interactions, such as direct contact between the object and a supporting surface. By varying the friction coefficient at this contact (µ=0.74 and µ=0.37), it is possible to evaluate how friction affects the grasp's ability to resist external forces during the task. A force constraint of ±10kN is also considered for the actuator in this analysis. The practical utility of the grasping capability analysis is then further demonstrated by applying it as an objective function for the task-oriented dimensional synthesis of a gripper for an anti-fall system on a distribution power line inspection robot. The goal was to find optimal geometric parameters that maximized the gripper's grasping capability within a task-relevant force range (270º to 360º), subject to constraints including joint reaction limits (±2,500 N reaction force at the revolute joints and ±600 N shear force at the prismatic joint), workspace boundaries (0 = x = 60 mm and ?140 mm = y = 60 mm), and minimum opening (50 mm at 30 mm prismatic displacement). The optimization yielded a gripper that withstands forces 5.6 times greater than its initial version, validating the method's effectiveness for engineering design. The main contributions of this thesis are the formulation of the grasping capability analysis as a physically consistent and constraint-aware evaluation method, and the demonstration of its application for the task-oriented design of robotic grippers. The thesis concludes that the proposed analysis offers a more robust and reliable approach for grasp evaluation, leading to results better aligned with real-world application conditions.