This article investigates the challenge of achieving functional tool-use grasping with high-DoF anthropomorphic hands, with the aim of enabling anthropomorphic hands to perform tasks that require human-like manipulation and tool-use. However, accomplishing human-like grasping in real robots present many challenges, including obtaining diverse functional grasps for a wide variety of objects, handling generalization ability for kinematically diverse robot hands and precisely completing object shapes from a single-view perception. To tackle these challenges, we propose a six-step grasp synthesis algorithm based on fine-grained contact modeling that generates physically plausible and human-like functional grasps for category-level objects with minimal human demonstrations. With the contact-based optimization and learned dense shape correspondence, the proposed algorithm is adaptable to various objects in same category and a board range of robot hand models. To further demonstrate the robustness of the framework, over 10K functional grasps are synthesized to train our neural network, named DexFG-Net, which generates diverse sets of human-like functional grasps based on the reconstructed object model produced by a shape completion module. The proposed framework is extensively validated in simulation and on a real robot platform. Simulation experiments demonstrate that our method outperforms baseline methods by a large margin in terms of grasp functionality and success rate. Real robot experiments show that our method achieved an overall success rate of 79\% and 68\% for tool-use grasp on 3-D printed and real test objects, respectively, using a 5-Finger Schunk Hand. The experimental results indicate a step towards human-like grasping with anthropomorphic hands.


翻译:本文探讨了实现高自由度人形手的功能工具使用抓取的挑战,旨在使人形手能够执行需要类人操作和工具使用的任务。然而,在实际机器人中实现类人抓握存在许多挑战,包括获得广泛的针对各种物体的不同功能抓握、处理运动学多样的机器人手的概括能力以及从单视角感知精确地完成物体形状。为了应对这些挑战,我们提出了一种基于精细接触建模的六步抓握合成算法,该算法生成了对基于类别的物体进行物理合理和类人的功能抓握,并最小化了人类演示的次数。通过接触优化和学习稠密形状对应关系,所提出的算法适用于同一类别的各种物体和广泛的机器人手模型。为了进一步展示框架的稳健性,使用超过10K个功能抓握来训练我们的神经网络 DexFG-Net。该网络基于由形状完成模块产生的重建物体模型,生成多样化的类人功能抓握。提出的框架在模拟和真实机器人平台上得到了广泛的验证。模拟实验表明,我们的方法在功能性和成功率方面均优于基线方法。真实机器人实验表明,我们的方法在使用五指Schunk手工具抓握三维打印和真实测试物体时,总体成功率分别为79%和68%。实验结果表明了迈向人类类似抓握与人形手的一步。

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