Numerical approach of collision avoidance and optimal control on robotic manipulators

Collision-free optimal motion and trajectory planning for robotic manipulators are solved by a method of sequential gradient restoration algorithm. Numerical examples of a two degree-of-freedom (DOF) robotic manipulator are demonstrated to show the excellence of the optimization technique and obstacle avoidance scheme. The obstacle is put on the midway, or even further inward on purpose, of the previous no-obstacle optimal trajectory. For the minimum-time purpose, the trajectory grazes by the obstacle and the minimum-time motion successfully avoids the obstacle. The minimum-time is longer for the obstacle avoidance cases than the one without obstacle. The obstacle avoidance scheme can deal with multiple obstacles in any ellipsoid forms by using artificial potential fields as penalty functions via distance functions. The method is promising in solving collision-free optimal control problems for robotics and can be applied to any DOF robotic manipulators with any performance indices and mobile robots as well. Since this method generates optimum solution based on Pontryagin Extremum Principle, rather than based on assumptions, the results provide a benchmark against which any optimization techniques can be measured

Fast Manipulability Maximization Using Continuous-Time Trajectory Optimization

A significant challenge in manipulation motion planning is to ensure agility in the face of unpredictable changes during task execution. This requires the identification and possible modification of suitable joint-space trajectories, since the joint velocities required to achieve a specific endeffector motion vary with manipulator configuration. For a given manipulator configuration, the joint space-to-task space velocity mapping is characterized by a quantity known as the manipulability index. In contrast to previous control-based approaches, we examine the maximization of manipulability during planning as a way of achieving adaptable and safe joint space-to-task space motion mappings in various scenarios. By representing the manipulator trajectory as a continuous-time Gaussian process (GP), we are able to leverage recent advances in trajectory optimization to maximize the manipulability index during trajectory generation. Moreover, the sparsity of our chosen representation reduces the typically large computational cost associated with maximizing manipulability when additional constraints exist. Results from simulation studies and experiments with a real manipulator demonstrate increases in manipulability, while maintaining smooth trajectories with more dexterous (and therefore more agile) arm configurations.Comment: In Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS'19), Macau, China, Nov. 4-8, 201

The Ariadne's Clew Algorithm

We present a new approach to path planning, called the "Ariadne's clew algorithm". It is designed to find paths in high-dimensional continuous spaces and applies to robots with many degrees of freedom in static, as well as dynamic environments - ones where obstacles may move. The Ariadne's clew algorithm comprises two sub-algorithms, called Search and Explore, applied in an interleaved manner. Explore builds a representation of the accessible space while Search looks for the target. Both are posed as optimization problems. We describe a real implementation of the algorithm to plan paths for a six degrees of freedom arm in a dynamic environment where another six degrees of freedom arm is used as a moving obstacle. Experimental results show that a path is found in about one second without any pre-processing

Trajectory planning for industrial robot using genetic algorithms

En las últimas décadas, debido la importancia de sus aplicaciones, se han propuesto muchas investigaciones sobre la planificación de caminos y trayectorias para los manipuladores, algunos de los ámbitos en los que pueden encontrarse ejemplos de aplicación son; la robótica industrial, sistemas autónomos, creación de prototipos virtuales y diseño de fármacos asistido por ordenador. Por otro lado, los algoritmos evolutivos se han aplicado en muchos campos, lo que motiva el interés del autor por investigar sobre su aplicación a la planificación de caminos y trayectorias en robots industriales. En este trabajo se ha llevado a cabo una búsqueda exhaustiva de la literatura existente relacionada con la tesis, que ha servido para crear una completa base de datos utilizada para realizar un examen detallado de la evolución histórica desde sus orígenes al estado actual de la técnica y las últimas tendencias. Esta tesis presenta una nueva metodología que utiliza algoritmos genéticos para desarrollar y evaluar técnicas para la planificación de caminos y trayectorias. El conocimiento de problemas específicos y el conocimiento heurístico se incorporan a la codificación, la evaluación y los operadores genéticos del algoritmo. Esta metodología introduce nuevos enfoques con el objetivo de resolver el problema de la planificación de caminos y la planificación de trayectorias para sistemas robóticos industriales que operan en entornos 3D con obstáculos estáticos, y que ha llevado a la creación de dos algoritmos (de alguna manera similares, con algunas variaciones), que son capaces de resolver los problemas de planificación mencionados. El modelado de los obstáculos se ha realizado mediante el uso de combinaciones de objetos geométricos simples (esferas, cilindros, y los planos), de modo que se obtiene un algoritmo eficiente para la prevención de colisiones. El algoritmo de planificación de caminos se basa en técnicas de optimización globales, usando algoritmos genéticos para minimizar una función objetivo considerando restricciones para evitar las colisiones con los obstáculos. El camino está compuesto de configuraciones adyacentes obtenidas mediante una técnica de optimización construida con algoritmos genéticos, buscando minimizar una función multiobjetivo donde intervienen la distancia entre los puntos significativos de las dos configuraciones adyacentes, así como la distancia desde los puntos de la configuración actual a la final. El planteamiento del problema mediante algoritmos genéticos requiere de una modelización acorde al procedimiento, definiendo los individuos y operadores capaces de proporcionar soluciones eficientes para el problema.Abu-Dakka, FJM. (2011). Trajectory planning for industrial robot using genetic algorithms [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/10294Palanci