Shape sensing of deformable objects for robot manipulation

par Jose Manuel Sanchez Loza

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Youcef Mezouar.

Soutenue le 24-05-2019

à Clermont Auvergne , dans le cadre de École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Mesure et suivi de la forme d'objets déformables pour la manipulation robotisée


  • Résumé

    Les objets déformables sont omniprésents dans notre vie quotidienne. Chaque jour, nous manipulons des vêtements dans des configurations innombrables pour nous habiller, nouons les lacets de nos chaussures, cueillons des fruits et des légumes sans les endommager pour notre consommation et plions les reçus dans nos portefeuilles. Toutes ces tâches impliquent de manipuler des objets déformables et peuvent être exécutées sans problème par une personne. Toutefois, les robots n'ont pas encore atteint le même niveau de dextérité. Contrairement aux objets rigides, que les robots sont maintenant capables de manipuler avec des performances proches de celles des humains; les objets déformables doivent être contrôlés non seulement pour les positionner, mais aussi pour définir leur forme. Cette contrainte supplémentaire, relative au contrôle de la forme d’un objet, rend les techniques utilisées pour les objets rigides inapplicables aux objets déformables. En outre, le comportement des objets déformables diffère largement entre eux, par exemple: la forme d’un câble et des vêtements est considérablement affectée par la gravité, alors que celle-ci n’affecte pas la configuration d’autres objets déformables tels que des produits alimentaires. Ainsi, différentes approches ont été proposées pour des classes spécifiques d’objets déformables.Dans cette thèse, nous cherchons à remédier à ces lacunes en proposant une approche modulaire pour détecter la forme d'un objet pendant qu'il est manipulé par un robot. La modularité de cette approche s’inspire d’un paradigme de programmation qui s’applique de plus en plus au développement de logiciels en robotique et vise à apporter des solutions plus générales en séparant les fonctionnalités en composants. Ces composants peuvent ensuite être interchangés en fonction de la tâche ou de l'objet concerné. Cette stratégie est un moyen modulaire de suivre la forme d'objets déformables.Pour valider la stratégie proposée, nous avons implémenté trois applications différentes. Deux applications portaient exclusivement sur l'estimation de la déformation de l'objet à l'aide de données tactiles ou de données issues d’un capteur d’effort. La troisième application consistait à contrôler la déformation d'un objet. Une évaluation de la stratégie proposée, réalisée sur un ensemble d'objets élastiques pour les trois applications, montre des résultats prometteurs pour une approche qui n'utilise pas d'informations visuelles et qui pourrait donc être améliorée de manière significative par l'ajout de cette modalité.


  • Résumé

    Deformable objects are ubiquitous in our daily lives. On a given day, we manipulate clothes into uncountable configurations to dress ourselves, tie the shoelaces on our shoes, pick up fruits and vegetables without damaging them for our consumption and fold receipts into our wallets. All these tasks involve manipulating deformable objects and can be performed by an able person without any trouble, however robots have yet to reach the same level of dexterity. Unlike rigid objects, where robots are now capable of handling objects with close to human performance in some tasks; deformable objects must be controlled not only to account for their pose but also their shape. This extra constraint, to control an object's shape, renders techniques used for rigid objects mainly inapplicable to deformable objects. Furthermore, the behavior of deformable objects widely differs among them, e.g. the shape of a cable and clothes are significantly affected by gravity while it might not affect the configuration of other deformable objects such as food products. Thus, different approaches have been designed for specific classes of deformable objects.In this thesis we seek to address these shortcomings by proposing a modular approach to sense the shape of an object while it is manipulated by a robot. The modularity of the approach is inspired by a programming paradigm that has been increasingly been applied to software development in robotics and aims to achieve more general solutions by separating functionalities into components. These components can then be interchanged based on the specific task or object at hand. This provides a modular way to sense the shape of deformable objects.To validate the proposed pipeline, we implemented three different applications. Two applications focused exclusively on estimating the object's deformation using either tactile or force data, and the third application consisted in controlling the deformation of an object. An evaluation of the pipeline, performed on a set of elastic objects for all three applications, shows promising results for an approach that makes no use of visual information and hence, it could greatly be improved by the addition of this modality.


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