A randomized kinodynamic planner for closed-chain robotic systems

Kinodynamic RRT planners are effective tools for finding feasible trajectories in many classes of robotic systems. However, they are hard to apply to systems with closed-kinematic chains, like parallel robots, cooperating arms manipulating an object, or legged robots keeping their feet in contact with the environ- ment. The state space of such systems is an implicitly-defined manifold, which complicates the design of the sampling and steering procedures, and leads to trajectories that drift away from the manifold when standard integration methods are used. To address these issues, this report presents a kinodynamic RRT planner that constructs an atlas of the state space incrementally, and uses this atlas to both generate ran- dom states, and to dynamically steer the system towards such states. The steering method is based on computing linear quadratic regulators from the atlas charts, which greatly increases the planner efficiency in comparison to the standard method that simulates random actions. The atlas also allows the integration of the equations of motion as a differential equation on the state space manifold, which eliminates any drift from such manifold and thus results in accurate trajectories. To the best of our knowledge, this is the first kinodynamic planner that explicitly takes closed kinematic chains into account. We illustrate the performance of the approach in significantly complex tasks, including planar and spatial robots that have to lift or throw a load at a given velocity using torque-limited actuators.Peer ReviewedPreprin

Motion Planning : from Digital Actors to Humanoid Robots

Le but de ce travail est de développer des algorithmes de planification de mouvement pour des figures anthropomorphes en tenant compte de la géométrie, de la cinématique et de la dynamique du mécanisme et de son environnement. Par planification de mouvement, on entend la capacité de donner des directives à un niveau élevé et de les transformer en instructions de bas niveau qui produiront une séquence de valeurs articulaires qui reproduissent les mouvements humains. Ces instructions doivent considérer l'évitement des obstacles dans un environnement qui peut être plus au moins contraint. Ceci a comme consequence que l'on peut exprimer des directives comme “porte ce plat de la table jusqu'ac'estu coin du piano”, qui seront ensuite traduites en une série de buts intermédiaires et de contraintes qui produiront les mouvements appropriés des articulations du robot, de façon a effectuer l'action demandée tout en evitant les obstacles dans la chambre. Nos algorithmes se basent sur l'observation que les humains ne planifient pas des mouvements précis pour aller à un endroit donné. On planifie grossièrement la direction de marche et, tout en avançant, on exécute les mouvements nécessaires des articulations afin de nous mener à l'endroit voulu. Nous avons donc cherché à concevoir des algorithmes au sein d'un tel paradigme, algorithmes qui: 1. Produisent un chemin sans collision avec une version réduite du mécanisme et qui le mènent au but spécifié. 2. Utilisent les contrôleurs disponibles pour générer un mouvement qui assigne des valeurs à chacune des articulations du mécanisme pour suivre le chemin trouvé précédemment. 3. Modifient itérativement ces trajectoires jusqu'à ce que toutes les contraintes géométriques, cinématiques et dynamiques soient satisfaites. Dans ce travail nous appliquons cette approche à trois étages au problème de la planification de mouvements pour des figures anthropomorphes qui manipulent des objets encombrants tout en marchant. Dans le processus, plusieurs problèmes intéressants, ainsi que des propositions pour les résoudre, sont présentés. Ces problèmes sont principalement l'évitement tri-dimensionnel des obstacles, la manipulation des objets à deux mains, la manipulation coopérative des objets et la combinaison de comportements hétérogènes. La contribution principale de ce travail est la modélisation du problème de la génération automatique des mouvements de manipulation et de locomotion. Ce modèle considère les difficultés exprimées ci dessus, dans les contexte de mécanismes bipèdes. Trois principes fondent notre modèle: une décomposition fonctionnelle des membres du mécanisme, un modèle de manipulation coopérative et, un modéle simplifié des facultés de déplacement du mécanisme dans son environnement.Ce travail est principalement et surtout, un travail de synthèse. Nous nous servons des techniques disponibles pour commander la locomotion des mécanismes bipèdes (contrôleurs) provenant soit de l'animation par ordinateur, soit de la robotique humanoïde, et nous les relions dans un planificateur des mouvements original. Ce planificateur de mouvements est agnostique vis-à-vis du contrôleur utilisé, c'est-à-dire qu'il est capable de produire des mouvements libres de collision avec n'importe quel contrôleur tandis que les entrées et sorties restent compatibles. Naturellement, l'exécution de notre planificateur dépend en grand partie de la qualité du contrôleur utilisé. Dans cette thèse, le planificateur de mouvement est relié à différents contrôleurs et ses bonnes performances sont validées avec des mécanismes différents, tant virtuels que physiques. Ce travail à été fait dans le cadre des projets de recherche communs entre la France, la Russie et le Japon, où nous avons fourni le cadre de planification de mouvement à ses différents contrôleurs. Plusieurs publications issues de ces collaborations ont été présentées dans des conférences internationales. Ces résultats sont compilés et présentés dans cette thèse, et le choix des techniques ainsi que les avantages et inconvénients de notre approche sont discutés. ABSTRACT : The goal of this work is to develop motion planning algorithms for human-like figures taking into account the geometry, kinematics and dynamics of the mechanism and its environment. By motion planning it is understood the ability to specify high-level directives and transform them into low-level instructions for the articulations of the human-like figure. This is usually done while considering obstacle avoidance within the environment. This results in one being able to express directives as “carry this plate from the table to the piano corner” and have them translate into a series of goals and constraints that result in the pertinent motions from the robot's articulations in such a way as to carry out the action while avoiding collisions with the obstacles in the room. Our algorithms are based on the observation that humans do not plan their exact motions when getting to a location. We roughly plan our direction and, as we advance, we execute the motions needed to get to the desired place. This has led us to design algorithms that: 1. Produce a rough collision free path that takes a simplified model of the mechanism to the desired location. 2. Use available controllers to generate a trajectory that assigns values to each of the mechanism's articulations to follow the path. 3. Modify iteratively these trajectories until all the geometric, kinematic and dynamic constraints of the problem are satisfied.Throughout this work, we apply this three-stage approach with the problem of generating motions for human-like figures that manipulate bulky objects while walking. In the process, several interesting problems and their solution are brought into focus. These problems are, three- imensional collision avoidance, two-hand object manipulation, cooperative manipulation among several characters or robots and the combination of different behaviors. The main contribution of this work is the modeling of the automatic generation of cooperative manipulation motions. This model considers the above difficulties, all in the context of bipedal walking mechanisms. Three principles inform the model: a functional decomposition of the mechanism's limbs, a model for cooperative manipulation and, a simplified model to represent the mechanism when generating the rough path. This work is mainly and above all, one of synthesis. We make use of available techniques for controlling locomotion of bipedal mechanisms (controllers), from the fields of computer graphics and robotics, and connect them to a novel motion planner. This motion planner is controller-agnostic, that is, it is able to produce collision-free motions with any controller, despite whatever errors introduced by the controller itself. Of course, the performance of our motion planner depends on the quality of the used controller. In this thesis, the motion planner, connected to different controllers, is used and tested in different mechanisms, both virtual and physical. This in the context of different research projects in France, Russia and Japan, where we have provided the motion planning framework to their controllers. Several papers in peer-reviewed international conferences have resulted from these collaborations. The present work compiles these results and provides a more comprehensive and detailed depiction of the system and its benefits, both when applied to different mechanisms and compared to alternative approache

Randomized planning of dynamic motions avoiding forward singularities

The final publication is available at link.springer.comForward singularities, also known as direct, or actuator singularities, cause many problems to the planning and control of robot motions. They yield position errors and rigidity losses of the robot, and generate unbounded actions in typical control laws. To circumvent these issues, this paper proposes a randomized kinodynamic planner for computing trajectories avoiding such singularities. Given initial and final states for the robot, the planner attempts to connect them by means of a dynamically-feasible, singularity-free trajectory that also respects the force limits of the actuators. The performance of the strategy is illustrated in simulation by means of a parallel robot performing a highly- dynamic task.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Path planning with loop closure constraints using an atlas-based RRT

In many relevant path planning problems, loop closure constraints reduce the configuration space to a manifold embedded in the higher-dimensional joint ambient space. Whereas many progresses have been done to solve path planning problems in the presence of obstacles, only few work consider loop closure constraints. In this paper we present the AtlasRRT algorithm, a planner specially tailored for such constrained systems that builds on recently developed tools for higher-dimensional continuation. These tools provide procedures to define charts that locally parametrize manifolds and to coordinate them forming an atlas. AtlasRRT simultaneously builds an atlas and a Rapidly-Exploring Random Tree (RRT), using the atlas to sample relevant configurations for the RRT, and the RRT to devise directions of expansion for the atlas. The new planner is advantageous since samples obtained from the atlas allow a more efficient extension of the RRT than state of the art approaches, where samples are generated in the joint ambient space.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Randomized kinodynamic planning for constrained systems

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Grasp planning for object manipulation by an autonomous robot

L'évolution autonome d'un robot dans un environnement évolutif nécessite qu'il soit doté de capacités de perception, d'action et de décision suffisantes pour réaliser la tâche assignée. Une tâche essentielle en robotique est la manipulation d'objets et d'outils. Elle intervient non seulement pour un robot seul mais également dans des situations d'interaction avec un humain ou un autre robot quand il s’agit d’échanger des objets ou de les manipuler conjointement.\ud Cette thèse porte sur la planification de tâches de manipulation d'objets pour un robot autonome dans un environnement humain. Une architecture logicielle susceptible de résoudre ce type de problèmes au niveau géométrique est proposée. Généralement, une tâche de manipulation commence par une opération de saisie dont la qualité conditionne fortement la réussite de la tâche et pour laquelle nous proposons un planificateur basé sur les propriétés inertielles de l'objet et une décomposition en éléments quasi-convexes tout en prenant en compte les contraintes imposées par le système mobile complet dans un environnement donné.\ud Les résultats sont validés en simulation et sur le robot sur la base d’une extension des outils de planification développés au LAAS-CNRS. Le modèle géométrique 3D de l’objet peut être connu a priori ou bien acquis en ligne. Des expérimentations menées sur un robot manipulateur mobile équipé d'une pince à trois points de contacts, de capteurs de force et d'une paire de caméras stéréoscopiques ont montré la validité de l'approche.\ud The autonomous robot performance in a dynamic environment requires advanced perception, action and decision capabilities. Interaction with the environment plays a key role for a robot and it is well illustrated in object and/or tool manipulation. Interaction with humans or others robots can consist in object exchanges.\ud This thesis deals with object manipulation planning by an autonomous robot in human environments. A software architecture is proposed that is capable to solve such problems at the geometrical level. In general, a manipulation task starts by a grasp operation which quality influences strongly the success of the overall task. We propose a planner based on object inertial properties and an approximate convex decomposition. The whole mobile system taken into account in the planning process.\ud The planner has been completely implemented as an extension of the planning tools developed at LAAS-CNRS. Its results have been tested in simulation and on a robotic platform. Object models may be known a priori or acquired on-line. Experiments have been carried out with a mobile manipulator equipped with a three fingers gripper, a wrist force sensor and a stereo camera system in order to validate the approach.\ud \ud \u

Robotics-Inspired Methods for the Simulation of Conformational Changes in Proteins

Cette thèse présente une approche de modélisation inspirée par la robotique pour l'étude des changements conformationnels des protéines. Cette approche est basée sur une représentation mécanistique des protéines permettant l'application de méthodes efficaces provenant du domaine de la robotique. Elle fournit également une méthode appropriée pour le traitement gros-grains des protéines sans perte de détail au niveau atomique. L'approche présentée dans cette thèse est appliquée à deux types de problèmes de simulation moléculaire. Dans le premier, cette approche est utilisée pour améliorer l'échantillonnage de l'espace conformationnel des protéines. Plus précisément, cette approche de modélisation est utilisée pour implémenter des classes de mouvements pour l'échantillonnage, aussi bien connues que nouvelles, ainsi qu'une stratégie d'échantillonnage mixte, dans le contexte de la méthode de Monte Carlo. Les résultats des simulations effectuées sur des protéines ayant des topologies différentes montrent que cette stratégie améliore l'échantillonnage, sans toutefois nécessiter de ressources de calcul supplémentaires. Dans le deuxième type de problèmes abordés ici, l'approche de modélisation mécanistique est utilisée pour implémenter une méthode inspirée par la robotique et appliquée à la simulation de mouvements de grande amplitude dans les protéines. Cette méthode est basée sur la combinaison de l'algorithme RRT (Rapidly-exploring Random Tree) avec l'analyse en modes normaux, qui permet une exploration efficace des espaces de dimension élevée tels les espaces conformationnels des protéines. Les résultats de simulations effectuées sur un ensemble de protéines montrent l'efficacité de la méthode proposée pour l'étude des transitions conformationnellesProteins are biological macromolecules that play essential roles in living organisms. Un- derstanding the relationship between protein structure, dynamics and function is indis- pensable for advances in fields such as biology, pharmacology and biotechnology. Study- ing this relationship requires a combination of experimental and computational methods, whose development is the object of very active interdisciplinary research. In such a context, this thesis presents a robotics-inspired modeling approach for studying confor- mational changes in proteins. This approach is based on a mechanistic representation of proteins that enables the application of efficient methods originating from the field of robotics. It also provides an accurate method for coarse-grained treatment of proteins without loosing full-atom details.The presented approach is applied in this thesis to two different molecular simulation problems. First, the approach is used to enhance sampling of the conformational space of proteins using the Monte Carlo method. The modeling approach is used to implement new and known Monte Carlo trial move classes as well as a mixed sampling strategy. Results of simulations performed on proteins with different topologies show that this strategy enhances sampling without demanding higher computational resources. In the second problem tackled in this thesis, the mechanistic modeling approach is used to implement a robotics-inspired method for simulating large amplitude motions in proteins. This method is based on the combination of the Rapidly-exploring Random Tree (RRT) algorithm with Normal Mode Analysis (NMA), which allows efficient exploration of the high dimensional conformational spaces of proteins. Results of simulations performed on ten different proteins of different sizes and topologies show the effectiveness of the proposed method for studying conformational transitionsTOULOUSE-INSA-Bib. electronique (315559905) / SudocSudocFranceF