A Novel Method of Motion Planning for an Anthropomorphic Arm Based on Movement Primitives

2013 ◽  
Vol 18 (2) ◽  
pp. 624-636 ◽  
Author(s):  
Xilun Ding ◽  
Cheng Fang
Keyword(s):  
Motion Planning ◽  
Movement Primitives ◽  
Novel Method

scholarly journals Reactive motion planning for robotic manipulators and interaction control with deformable environment

2021 ◽  
Author(s):  
Αθανάσιος Δομέτιος
Keyword(s):  
Motion Planning ◽  
Robotic Manipulators ◽  
Movement Primitives ◽  
Interaction Control ◽  
Dynamic Movement ◽  
Dynamic Movement Primitives

Η φυσική διεπαφή και αλληλεπίδραση ανθρώπου-ρομπότ διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην αποδοχή ρομποτικών εφαρμογών στην καθημερινή ζωή. Ειδικότερα στην περίπτωση εφαρμογών περίθαλψης και υποβοήθησης ανθρώπων με κινητικές ή άλλες δυσκολίες, η λειτουργική απαίτηση φυσικής επαφής ανθρώπου-ρομπότ αποτελεί και έναν από τους βασικούς παράγοντες που καθορίζουν την ασφάλεια του ρομποτικού συστήματος. Σε τέτοιες εφαρμογές αλληλεπίδρασης ανθρώπου-ρομπότ, απαιτείται ένα σύστημα διαδραστικού σχεδιασμού κίνησης βασιζόμενο σε μία διαρκή παρακολούθηση της κατάστασης του ανθρώπου, για να επιτευχθεί ένας πλήρως ασφαλής και συνεχώς προσαρμοζόμενος σχεδιασμός ρομποτικών κινήσεων και εργασιών.Με βάση αυτήν τη γενική στόχευση, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη διαδραστική παραγαγωγή και προσαρμογή ρομποτικών κινήσεων, οι οποίες έχουν προκύψει μέσω καταγραφής δεδομένων ανθρώπινης επίδειξης, κατάλληλες για εργασίες αλληλεπίδρασης με παραμορφώσιμες επιφάνειες, όπως μέρη του ανθρώπινου σώματος. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της διατριβής, και στο πλαίσιο μιας ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας που αποσκοπούσε στην κατασκευή ενός εύκαμπτου ρομποτικού μηχανισμού μπάνιου, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος σχεδιασμού ρομποτικής κίνησης, ο οποίος χρησιμοποιεί την οπτική πληροφορία μιας κάμερας βάθους και την αντίστοιχη πληροφορία αντίληψης της σκηνής ρομποτικής δράσης, για να προσαρμόσει προκαθορισμένες και χωροχρονικά κλιμακούμενες τροχιές πάνω σε καμπύλες και παραμορφώσιμες επιφάνειες, όπως μέρη του ανθρώπινου σώματος, με ταυτόχρονη αποφυγή εμποδίων ή συγκεκριμένων υποπεριοχών της επιφάνειας αλληλεπίδρασης (για παράδειγμα, λόγω ύπαρξης τοπικών τραυματισμών, κ.α.). Η προσαρμογή επιτυχγάνεται με τη δημιουργία χωρικών μετασχηματισμών, με τις ιδιότητες του αμφιμονοσήμαντου και επί (bijection), οι οποίοι επιτυγχάνουν την έκφραση του προβλήματος παρακολούθησης σε ένα διδιάστατο κανονικοποιημένο χώρο. Η ακριβής παρακολούθηση τροχιάς πραγματοποιείται στη συνέχεια με έναν ελεγκτή συναρτήσεων πλοήγησης με αποδεδειγμένη καθολικά ομοιόμορφη ασυμπτωτική σύγκλιση στην επιθυμητή τροχιά. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου ελέγχθηκε τόσο σε συνθήκες εργαστηρίου όσο και σε πραγματικό κλινικό περιβάλλον με ηλικιωμένους χρήστες σε ξηρές συνθήκες και σε συνθήκες με χρήση νερού. Συμπληρωματικά πραγματοποιήθηκε μια κλινική μελέτη, η οποία αποσκοπούσε στην αξιολόγηση της αποδοχής και των δυνατοτήτων χρήσης ενός τέτοιου πολύπλοκου συστήματος από ηλικιωμένους χρήστες.Στο επόμενο στάδιο της διατριβής, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο, βασιζόμενο στην μέθοδο των Δυναμικών Πρωτογενών Κινήσεων (Dynamic Movement Primitives– DMPs), μπορεί να μάθει και να κωδικοποιήσει δράσεις χειρισμού και επαναληπτικές κινήσεις οι οποίες έχουν προκύψει κατόπιν επίδειξης από ειδικούς (εν προκειμένω, νοσηλευτικό προσωπικό) και να μιμηθεί τη συμπεριφορά τους. Οι συγκεκριμένενες δράσεις καταγράφηκαν με χρήση συστημάτων οπτικής καταγραφής κίνησης, και ακολούθως αναλύθηκαν και αποσυντέθηκαν σε δυναμικές πρωτογενείς κινήσεις κατάλληλες για εκτέλεση από ρομποτικό σύστημα. Οι κωδικοποιημένες αυτές κινήσεις μπορούν στη συνέχεια να προσαρμοστούν στην επιφάνεια του σώματος του χρήστη, αντισταθμίζοντας την κίνηση ή την παραμόρφωσή του, καθώς και να μεταβληθούν ως προς συγκεκριμένες παραμέτρους της κίνησης κατά την εκτέλεση της εργασίας, για να ικανοποιηθούν δεδομένες ανάγκες του χρήστη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ρομποτικής υποβοήθησης. Το προτεινόμενο σύστημα αξιολογήθηκε πειραματικά με τη χρήση ενός ανθρωποειδούς ρομπότ, το οποίο εκτέλεσε ένα σενάριο καθαρισμού επιφάνειας, καταδεικνύοντας την εφαρμοσιμότητα της μεθόδου σε πραγματικά σενάρια ρομποτικής υποβοήθησης. Επιπλέον της μεθόδου αυτής, προτείνεται και μία εναλλακτική μέθοδος εκμάθησης και αναπαραγωγής σύνθετων κινήσεων από δεδομένα επίδειξης μέσω της διαμόρφωσης ενός απωστικού δυναμικού πεδίου συναρτήσεων πλοήγησης.Στο τελευταίο στάδιο της παρούσας διατριβής, προτείνεται ένα πρωτότυπο σύστημα διαδραστικού σχεδιασμού κίνησης, με στόχο τον αποδοτικό και ακριβή έλεγχο ενός ρομποτικού χειριστή, ο οποίος εκτελεί διαδραστικές εργασίες στην επιφάνεια ενος παραμορφώσιμου αντικειμένου. Το προτεινόμενο σύστημα βασίζεται σε μία αναπαράσταση πλέγματος του αντικειμένου και ενσωματώνει τρία αποδοτικά στάδια προ-επεξεργασίας δεδομένων, τα οποία περιλαμβάνουν την οπτική κατάτμηση του αντικειμένου, την παρακολούθηση της παραμόρφωσης του αντικειμένου και την τοπική παραμετροποίηση του πλέγματος. Η χρήση βαρυκεντρικών συντεταγμένων, που ορίζονται στα τριγωνικά στοιχεία του πλέγματος, επιτρέπει τον ορισμό αμφιμονοσήμαντων μετασχηματισμών μεταξύ του εξεταζόμενου μέρους της επιφανείας του αντικειμένου και της επίπεδης παραμετροποιημένης απεικόνισής του. Ο συνδυασμός αυτών των μετασχηματισμών με τα αρχικά στάδια επεξεργασίας και με ένα σχήμα ελέγχου ενεργούς ακαμψίας για τον ρομποτικό χειριστή, επιτρέπει τον ακριβή σχεδιασμό διαδραστικών τροχιών ακόμη και υπό συνθήκες οπτικής απόκρυψης μεγάλων τμημάτων της επιφανείας. Παρουσιάζεται μία εκτενής πειραματική αξιολόγηση της μεθόδου, η οποία περιλαμβάνει ένα ρομποτικό χειριστή σε διάδραση με ένα ημισφαιρικό μοντέλο το οποίο υπόκειται σε ελέγξιμη παραμόρφωση. Σε αυτό το πλαίσιο, αξιολογείται η ακρίβεια του σχεδιασμού της κίνησης τόσο κατά την εκτέλεση διαδραστικών τροχιών όσο και κατά την συνεχή παρακολούθηση ενός σημείου στην επιφάνεια του αντικειμένου. Ελέγχθηκε επίσης η ικανότητα χρήσης της μεθόδου για προγραμματισμό κινήσεων από ανθρώπινη επίδειξη και για ρύθμιση των δυνάμεων επαφής με το αντικείμενο.

scholarly journals Minimally actuated hyper-redundant robots: Motion planning methods based on fractals and self-organizing systems

2019 ◽  
Vol 16 (2) ◽  
pp. 172988141983158
Author(s):  
Moshe P Mann ◽  
Lior Damti ◽  
David Zarrouk
Keyword(s):  
Motion Planning ◽  
Redundant Robot ◽  
Redundant Robots ◽  
Confined Spaces ◽  
Wide Range ◽  
Planning Methods ◽  
Novel Method ◽  
Self Similar ◽  
Number Of Bends ◽  
Self Organizing

This article presents a motion planning method for a novel hyper-redundant robot with minimal actuation based on the principles of fractals and self-organizing systems. The robot consists of multiple links connected by passive joints and a movable actuator. The actuator travels over the links to a given joint and adjusts the relative angle between the two adjacent links allowing the robot to undergo the same wide range of motions of hyper-redundant robot but with only one actuator. A suitable objective of the motion planner is to minimize the number of actuator traversals, which translates into minimizing the number of bends in the c-space trajectory. To this end, we propose a novel method for motion planning using fractals and self-organizing systems. A self-similar pattern for the path is implemented to map a path from start to finish. Each iteration of path segments is of smaller dimension than the previous one and is appended to it, just as in classical fractals. This process continues until a feasible trajectory is calculated. Self-organizing systems are then applied to this trajectory post-processing to optimize it by eliminating bends in the path. Examples of the robot maneuvering around obstacles and through confined spaces are shown to demonstrate the efficacy of the motion planner.

An inchworm-inspired motion strategy for robotic swarms

Robotica ◽  
2021 ◽  
pp. 1-23
Author(s):  
Kasra Eshaghi ◽  
Zendai Kashino ◽  
Hyun Joong Yoon ◽  
Goldie Nejat ◽  
Beno Benhabib
Keyword(s):  
Motion Planning ◽  
Robotic Systems ◽  
Robotic Swarms ◽  
Physical Experiments ◽  
Novel Method ◽  
Localization Performance ◽  
Motion Strategy

Abstract Effective motion planning and localization are necessary tasks for swarm robotic systems to maintain a desired formation while maneuvering. Herein, we present an inchworm-inspired strategy that addresses both these tasks concurrently using anchor robots. The proposed strategy is novel as, by dynamically and optimally selecting the anchor robots, it allows the swarm to maximize its localization performance while also considering secondary objectives, such as the swarm’s speed. A complementary novel method for swarm localization, that fuses inter-robot proximity measurements and motion commands, is also presented. Numerous simulated and physical experiments are included to illustrate our contributions.

scholarly journals An Aerodynamic Extension for Motion Planning with Dynamics Awareness in Aerial Long-Reach Manipulators

2020 ◽  
Vol 2020 ◽  
pp. 1-17
Author(s):  
Alvaro Caballero ◽  
Pedro J. Sanchez-Cuevas ◽  
Manuel Bejar ◽  
Guillermo Heredia ◽  
Miguel A. Trujillo ◽  
...  
Keyword(s):  
Motion Planning ◽  
Planning Process ◽  
Trajectory Generation ◽  
Generation Process ◽  
Safe Operation ◽  
Simulated Environment ◽  
Manipulation System ◽  
Novel Method ◽  
Joint Consideration ◽  
System Controller

This paper presents a novel method for motion planning of aerial long-reach manipulators that considers the aerodynamic effects generated by close surfaces in the trajectory generation process. The aerial manipulation system consists of a multirotor equipped with a robotic long-reach arm that enables multidirectional inspection and also increases considerably the safety distance between the rotors and the inspected elements. Since these systems operate in the proximity of elements that can modify significantly the rotors’ airflow, the inclusion of Aerodynamics Awareness within the motion planning process is required to ensure robust obstacle avoidance. To this end, a proper characterisation of the aerodynamic effects based on both theoretical and experimental considerations has been derived. This characterisation is taken into account in the trajectory generation process to discard states whose associated aerodynamic phenomena are not well compensated by the system controller and to explore alternatives that lead to the most efficient trajectories within the area of safe operation. Moreover, the motion planner also stands out for three other relevant features: the joint consideration of the multirotor and the robotic long-reach arm, the generation of efficient trajectories in terms of energy consumption, and the Dynamics Awareness of the strong coupling between the aerial platform and the robotic arm. The resulting motion planner has been successfully tested in a simulated environment that faithfully reflects an application scenario strongly affected by aerodynamic effects: the inspection of bridges to find potential cracks in the surface of pillars.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document