Motion planning using synergies : application to anthropomorphic dual-arm robots

Abstract

Motion planning is a traditional field in robotics, but new problems are nevertheless incessantly appearing, due to continuous advances in the robot developments. In order to solve these new problems, as well as to improve the existing solutions to classical problems, new approaches are being proposed. A paradigmatic case is the humanoid robotics, since the advances done in this field require motion planners not only to look efficiently for an optimal solution in the classic way, i.e. optimizing consumed energy or time in the plan execution, but also looking for human-like solutions, i.e. requiring the robot movements to be similar to those of the human beings. This anthropomorphism in the robot motion is desired not only for aesthetical reasons, but it is also needed to allow a better and safer human-robot collaboration: humans can predict more easily anthropomorphic robot motions thus avoiding collisions and enhancing the collaboration with the robot. Nevertheless, obtaining a satisfactory performance of these anthropomorphic robotic systems requires the automatic planning of the movements, which is still an arduous and non-evident task since the complexity of the planning problem increases exponentially with the number of degrees of freedom of the robotic system. This doctoral thesis tackles the problem of planning the motions of dual-arm anthropomorphic robots (optionally with mobile base). The main objective is twofold: obtaining robot motions both in an efficient and in a human-like fashion at the same time. Trying to mimic the human movements while reducing the complexity of the search space for planning purposes leads to the concept of synergies, which could be conceptually defined as correlations (in the joint configuration space as well as in the joint velocity space) between the degrees of freedom of the system. This work proposes new sampling-based motion-planning procedures that exploit the concept of synergies, both in the configuration and velocity space, coordinating the movements of the arms, the hands and the mobile base of mobile anthropomorphic dual-arm robots.

La planificación de movimientos es un campo tradicional de la robótica, sin embargo aparecen incesantemente nuevos problemas debido a los continuos avances en el desarrollo de los robots. Para resolver esos nuevos problemas, así como para mejorar las soluciones existentes a los problemas clásicos, se están proponiendo nuevos enfoques. Un caso paradigmático es la robótica humanoide, ya que los avances realizados en este campo requieren que los algoritmos planificadores de movimientos no sólo encuentren eficientemente una solución óptima en el sentido clásico, es decir, optimizar el consumo de energía o el tiempo de ejecución de la trayectoria; sino que también busquen soluciones con apariencia humana, es decir, que el movimiento del robot sea similar al del ser humano. Este antropomorfismo en el movimiento del robot se busca no sólo por razones estéticas, sino porque también es necesario para permitir una colaboración mejor y más segura entre el robot y el operario: el ser humano puede predecir con mayor facilidad los movimientos del robot si éstos son antropomórficos, evitando así las colisiones y mejorando la colaboración humano robot. Sin embargo, para obtener un desempeño satisfactorio de estos sistemas robóticos antropomórficos se requiere una planificación automática de sus movimientos, lo que sigue siendo una tarea ardua y poco evidente, ya que la complejidad del problema aumenta exponencialmente con el número de grados de libertad del sistema robótico. Esta tesis doctoral aborda el problema de la planificación de movimientos en robots antropomorfos bibrazo (opcionalmente con base móvil). El objetivo aquí es doble: obtener movimientos robóticos de forma eficiente y, a la vez, que tengan apariencia humana. Intentar imitar los movimientos humanos mientras a la vez se reduce la complejidad del espacio de búsqueda conduce al concepto de sinergias, que podrían definirse conceptualmente como correlaciones (tanto en el espacio de configuraciones como en el espacio de velocidades de las articulaciones) entre los distintos grados de libertad del sistema. Este trabajo propone nuevos procedimientos de planificación de movimientos que explotan el concepto de sinergias, tanto en el espacio de configuraciones como en el espacio de velocidades, coordinando así los movimientos de los brazos, las manos y la base móvil de robots móviles, bibrazo y antropomórficos.