Combining task and motion planning for mobile manipulators

Abstract

This thesis addresses the combination of task and motion planning which deals with different types of robotic manipulation problems. Manipulation problems are referred to as mobile manipulation, collaborative multiple mobile robots tasks, and even higher dimensional tasks (like bi-manual robots or mobile manipulators). Task and motion planning problems needs to obtain a geometrically feasible manipulation plan through symbolic and geometric search space. The combination of task and motion planning levels has emerged as a challenging issue as the failure leads robots to dead-end tasks due to geometric constraints.

In addition, task planning is combined with physics-based motion planning and information to cope with manipulation tasks in which interactions between robots and objects are required, or also a low-cost feasible plan in terms of power is looked for. Moreover, combining task and motion planning frameworks is enriched by introducing manipulation knowledge. It facilitates the planning process and aids to provide the way of executing symbolic actions.

Combining task and motion planning can be considered under uncertain information and with human-interaction. Uncertainty can be viewed in the initial state of the robot world or the result of symbolic actions. To deal with such issues, contingent-based task and motion planning is proposed using a perception system and human knowledge. Also, robots can ask human for those tasks which are difficult or infeasible for the purpose of collaboration.

An implementation framework to combine different types of task and motion planning is presented. All the required modules and tools are also illustrated. As some task planning algorithms are implemented in Prolog or C++ languages and our geometric reasoner is developed in C++, the flow of information between different languages is explained.

Aquesta tesis es centra en les eines de planificació combinada a nivell de tasca i a nivell de moviments per abordar diferents problemes de manipulació robòtica. Els problemes considerats són de navegació de robots mòbil enmig de obstacles no fixes, tasques de manipulació cooperativa entre varis robots mòbils, i tasques de manipulació de dimensió més elevada com les portades a terme amb robots bi-braç o manipuladors mòbils. La planificació combinada de tasques i de moviments ha de cercar un pla de manipulació que sigui geomètricament realitzable, a través de d'un espai de cerca simbòlic i geomètric. La combinació dels nivells de planificació de tasca i de moviments ha sorgit com un repte ja que les fallades degudes a les restriccions geomètriques poden portar a tasques sense solució. Addicionalment, la planificació a nivell de tasca es combina amb informació de la física de l'entorn i amb mètodes de planificació basats en la física, per abordar tasques de manipulació en les que la interacció entre el robot i els objectes és necessària, o també si es busca un pla realitzable i amb un baix cost en termes de potència. A més, el marc proposat per al combinació de la planificació a nivell de tasca i a nivell de moviments es millora mitjançant l'ús de coneixement, que facilita el procés de planificació i ajuda a trobar la forma d'executar accions simbòliques. La combinació de nivells de planificació també es pot considerar en casos d'informació incompleta i en la interacció humà-robot. La incertesa es considera en l'estat inicial i en el resultat de les accions simbòliques. Per abordar aquest problema, es proposa la planificació basada en contingències usant un sistema de percepció i el coneixement de l'operari humà. Igualment, els robots poden demanar col·laboració a l'operari humà per a que realitzi aquelles accions que són difícils o no realitzables pel robot. Es presenta també un marc d'implementació per a la combinació de nivells de planificació usant diferents mètodes, incloent tots els mòduls i eines necessàries. Com que alguns algorismes estan implementats en Prolog i d'altres en C++, i el mòdul de raonament geomètric proposat està desenvolupat en C++, es detalla el flux d'informació entre diferents llenguatges.