Kinodynamic planning and control of closed-chain robotic systems

Abstract

This work proposes a methodology for kinodynamic planning and trajectory control in robots with closed kinematic chains. The ability to plan trajectories is key in a robotic system, as it provides a means to convert high-level task commands¾like “move to that location'', or “throw the object at such a speed''¾into low-level controls to be followed by the actuators. In contrast to purely kinematic planners, which only generate collision-free paths in configuration space, kinodynamic planners compute state-space trajectories that also account for the dynamics and force limits of the robot. In doing so, the resulting motions are more realistic and exploit gravity, inertia, and centripetal forces to the benefit of the task. Existing kinodynamic planners are fairly general and can deal with complex problems, but they require the state coordinates to be independent. Therefore, they are hard to apply to robots with loop-closure constraints whose state space is not globally parameterizable. These constraints define a nonlinear manifold on which the trajectories must be confined, and they appear in many systems, like parallel robots, cooperative arms manipulating an object, or systems that keep multiple contacts with the environment. In this work, we propose three steps to generate optimal trajectories for such systems. In a first step, we determine a trajectory that avoids the collisions with obstacles and satisfies all kinodynamic constraints of the robot, including loop-closure constraints, the equations of motion, or any limits on the velocities or on the motor and constraint forces. This is achieved with a sampling-based planner that constructs local charts of the state space numerically, and with an efficient steering method based on linear quadratic regulators. In a second step, the trajectory is optimized according to a cost function of interest. To this end we introduce two new collocation methods for trajectory optimization. While current methods easily violate the kinematic constraints, those we propose satisfy these constraints along the obtained trajectories. During the execution of a task, however, the trajectory may be affected by unforeseen disturbances or model errors. That is why, in a third step, we propose two trajectory control methods for closed-chain robots. The first method enjoys global stability, but it can only control trajectories that avoid forward singularities. The second method, in contrast, has local stability, but allows these singularities to be traversed robustly. The combination of these three steps expands the range of systems in which motion planning can be successfully applied.

Aquest treball proposa una metodologia per a la planificació cinetodinàmica i el control de trajectòries en robots amb cadenes cinemàtiques tancades. La capacitat de planificar trajectòries és clau en un robot, ja que permet traduir instruccions d'alt nivell com ara ¿mou-te cap aquella posició'' o ¿llença l'objecte amb aquesta velocitat'' en senyals de referència que puguin ser seguits pels actuadors. En comparació amb els planificadors purament cinemàtics, que només generen camins lliures de col·lisions a l'espai de configuracions, els planificadors cinetodinàmics obtenen trajectòries a l'espai d'estats que són compatibles amb les restriccions dinàmiques i els límits de força del robot. Els moviments que en resulten són més realistes i aprofiten la gravetat, la inèrcia i les forces centrípetes en benefici de la tasca que es vol realitzar. Els planificadors cinetodinàmics actuals són força generals i poden resoldre problemes complexos, però assumeixen que les coordenades d'estat són independents. Per tant, no es poden aplicar a robots amb restriccions de clausura cinemàtica en els quals l'espai d'estats no admeti una parametrització global. Aquestes restriccions defineixen una varietat diferencial sobre la qual cal mantenir les trajectòries, i apareixen en sistemes com ara els robots paral·lels, els braços que manipulen objectes coordinadament o els sistemes amb extremitats en contacte amb l'entorn. En aquest treball, proposem tres passos per generar trajectòries òptimes per a aquests sistemes. En un primer pas, determinem una trajectòria que evita les col·lisions amb els obstacles i satisfà totes les restriccions cinetodinàmiques, incloses les de clausura cinemàtica, les equacions del moviment o els límits en les velocitats i en les forces d'actuació o d'enllaç. Això s'aconsegueix mitjançant un planificador basat en mostratge aleatori que utilitza cartes locals construïdes numèricament, i amb un mètode eficient de navegació local basat en reguladors quadràtics lineals. En un segon pas, la trajectòria s'optimitza segons una funció de cost donada. A tal efecte, introduïm dos nous mètodes de col·locació per a l'optimització de trajectòries. Mentre els mètodes existents violen fàcilment les restriccions cinemàtiques, els que proposem satisfan aquestes restriccions al llarg de les trajectòries obtingudes. Durant l'execució de la tasca, tanmateix, la trajectòria pot veure's afectada per pertorbacions imprevistes o per errors deguts a incerteses en el model dinàmic. És per això que, en un tercer pas, proposem dos mètodes de control de trajectòries per robots amb cadenes tancades. El primer mètode gaudeix d'estabilitat global, però només permet controlar trajectòries que no travessin singularitats directes del robot. El segon mètode, en canvi, té estabilitat local, però permet travessar aquestes singularitats de manera robusta. La combinació d'aquests tres passos amplia el ventall de sistemes en els quals es pot aplicar amb èxit la planificació cinetodinàmica.