From construction materials, such as sand or asphalt, to kitchen ingredients, like rice, sugar, or salt; the world is full of granular materials. Despite impressive progress in robotic manipulation, manipulating and interacting with granular material remains a challenge due to difficulties in perceiving, representing, modelling, and planning for these variable materials that have complex internal dynamics. While some prior work has looked into estimating or learning accurate dynamics models for granular materials, the literature is still missing a more abstract planning method that can be used for planning manipulation actions for granular materials with unknown material properties. In this work, we leverage tools from optimal transport and connect them to robot motion planning. We propose a heuristics-based sweep planner that does not require knowledge of the material's properties and directly uses a height map representation to generate promising sweeps. These sweeps transform granular material from arbitrary start shapes into arbitrary target shapes. We apply the sweep planner in a fast and reactive feedback loop and avoid the need for model-based planning over multiple time steps. We validate our approach with a large set of simulation and hardware experiments where we show that our method is capable of efficiently solving several complex tasks, including gathering, separating, and shaping of several types of granular materials into different target shapes.


翻译:从建筑材料,如沙子或沥青,到厨房食材,如米饭、糖或盐,世界上到处都是颗粒物料。虽然在机器人操作方面取得了令人瞩目的进展,但由于难以感知、表征、建模和规划这些具有复杂内部动态的可变材料,因此与颗粒物料的操作和互动仍然是个挑战。虽然一些先前的工作已经研究了颗粒物料的准确动态模型的估计或学习,但该领域仍缺乏一种更抽象的规划方法,适用于规划具有未知材料特性的颗粒物料的操作动作。在这项工作中,我们利用最优输运的工具,并将其与机器人运动规划相连接。我们提出了一种基于启发式的扫描规划器,无需知道材料的特性,并直接使用高度图表示以生成有希望的扫描。这些扫描将颗粒物料从任意起始形状变换成任意目标形状。我们在快速和反应迅速的反馈循环中应用扫描规划器,并避免了需要在多个时间步骤上进行基于模型的规划。我们在大量的仿真和硬件实验中验证了我们的方法,其中我们展示了我们的方法能够高效地解决多个复杂任务,包括将几种类型的颗粒物料聚集、分离和塑造成不同的目标形状。

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