Physics-based motion planning for grasping and manipulation

This thesis develops a series of knowledge-oriented physics-based motion planning algorithms for grasping and manipulation in cluttered an uncertain environments. The main idea is to use high-level knowledge-based reasoning to define the manipulation constraints that define the way how robot should interact with the objects in the environment. These interactions are modeled by incorporating the physics-based model of rigid body dynamics in planning. The first part of the thesis is focused on the techniques to integrate the knowledge with physics-based motion planning. The knowledge is represented in terms of ontologies, a prologbased knowledge inference process is introduced that defines the manipulation constraints. These constraints are used in the state validation procedure of sampling-based kinodynamic motion planners. The state propagator of the motion planner is replaced by a physics-engine that takes care of the kinodynamic and physics-based constraints. To make the interaction humanlike, a low-level physics-based reasoning process is introduced that dynamically varies the control bounds by evaluating the physical properties of the objects. As a result, power efficient motion plans are obtained. Furthermore, a framework has been presented to incorporate linear temporal logic within physics-based motion planning to handle complex temporal goals. The second part of this thesis develops physics-based motion planning approaches to plan in cluttered and uncertain environments. The uncertainty is considered in 1) objects’ poses due to sensing and due to complex robot-object or object-object interactions; 2) uncertainty in the contact dynamics (such as friction coefficient); 3) uncertainty in robot controls. The solution is framed with sampling-based kinodynamic motion planners that solve the problem in open-loop, i.e., it considers uncertainty while planning and computes the solution in such a way that it successfully moves the robot from the start to the goal configuration even if there is uncertainty in the system. To implement the above stated approaches, a knowledge-oriented physics-based motion planning tool is presented. It is developed by extending The Kautham Project, a C++ based tool for sampling-based motion planning. Finally, the current research challenges and future research directions to extend the above stated approaches are discussedEsta tesis desarrolla una serie de algoritmos de planificación del movimientos para la aprehensión y la manipulación de objetos en entornos desordenados e inciertos, basados en la física y el conocimiento. La idea principal es utilizar el razonamiento de alto nivel basado en el conocimiento para definir las restricciones de manipulación que definen la forma en que el robot debería interactuar con los objetos en el entorno. Estas interacciones se modelan incorporando en la planificación el modelo dinámico de los sólidos rígidos. La primera parte de la tesis se centra en las técnicas para integrar el conocimiento con la planificación del movimientos basada en la física. Para ello, se representa el conocimiento mediante ontologías y se introduce un proceso de razonamiento basado en Prolog para definir las restricciones de manipulación. Estas restricciones se usan en los procedimientos de validación del estado de los algoritmos de planificación basados en muestreo, cuyo propagador de estado se susituye por un motor basado en la física que tiene en cuenta las restricciones físicas y kinodinámicas. Además se ha implementado un proceso de razonamiento de bajo nivel que permite adaptar los límites de los controles aplicados a las propiedades físicas de los objetos. Complementariamente, se introduce un marco de desarrollo para la inclusión de la lógica temporal lineal en la planificación de movimientos basada en la física. La segunda parte de esta tesis extiende el enfoque a planificación del movimiento basados en la física en entornos desordenados e inciertos. La incertidumbre se considera en 1) las poses de los objetos debido a la medición y a las interacciones complejas robot-objeto y objeto-objeto; 2) incertidumbre en la dinámica de los contactos (como el coeficiente de fricción); 3) incertidumbre en los controles del robot. La solución se enmarca en planificadores kinodinámicos basados en muestro que solucionan el problema en lazo abierto, es decir que consideran la incertidumbre en la planificación para calcular una solución robusta que permita mover al robot de la configuración inicial a la final a pesar de la incertidumbre. Para implementar los enfoques mencionados anteriormente, se presenta una herramienta de planificación del movimientos basada en la física y guiada por el conocimiento, desarrollada extendiendo The Kautham Project, una herramienta implementada en C++ para la planificación de movimientos basada en muestreo. Finalmente, de discute los retos actuales y las futuras lineas de investigación a seguir para extender los enfoques presentados

Towards autonomous robotic systems: seamless localization and trajectory planning in dynamic environments

Evolucionar hacia una sociedad más automatizada y robotizada en la que podamos convivir con sistemas robóticos que desempeñen tareas poco atractivas o peligrosas para el ser humano, supone plantearnos, entre otras cuestiones, qué soluciones existen actualmente y cuáles son las mejoras a incorporar a las mismas. La mayoría de aplicaciones ya desarrolladas son soluciones robustas y adecuadas para el fin que se diseñan. Sin embargo, muchas de las técnicas implantadas podrían funcionar de manera más eficiente o bien adaptarse a otras necesidades. Asimismo, en la mayoría de aplicaciones robóticas adquiere importancia el contexto en el que desempeñan su función. Hay entornos estructurados y fáciles de modelar, mientras que otros apenas presentan características utilizables para obtener información de los mismos.Esta tesis se centra en dos de las funciones básicas que debe tener cualquier sistema robótico autónomo para desplazarse de forma robusta en cualquier tipo de entorno: la localización y el cálculo de trayectorias seguras. Además, los escenarios en los que se desea poner en práctica la investigación son complejos: un parque industrial con zonas cuyas características de entorno (usualmente geométricas) son utilizadas para que un robot se localice, varían; y entornos altamente ocupados por otros agentes móviles, como el vestíbulo de un teatro, en los que se debe considerar las características dinámicas de los demás para calcular un movimiento que sea seguro tanto para el robot como para los demás agentes.La información que se puede percibir de los escenarios con ambientes no homogéneos, por ejemplo de interior y exterior, suele ser de características diferentes. Cuando la información que se dispone del entorno proviene de sensores diferentes hay que definir un método que integre las medidas para tener una estimación de la localización del robot en todo momento. El tema de la localización se ha investigado intensamente y existen soluciones robustas en interior y exterior, pero no tanto en zonas mixtas. En las zonas de transición interior-exterior y viceversa es necesario utilizar sensores que funcionan correctamente en ambas zonas, realizando una integración sensorial durante la transición para evitar discontinuidades en la localización o incluso que el robot se pierda. De esta manera la navegación autónoma, dependiente de la correcta localización, funcionará sin discontinuidades ni movimientos bruscos.En entornos dinámicos es esencial definir una forma de representar la información que refleje su naturaleza cambiante. Por ello, se han definido en la literatura diferentes modelos que representan el dinamismo del entorno, y que permiten desarrollar una planificación de trayectorias directamente sobre las variables que controlan el movimiento del robot, en nuestro caso, las velocidades angular y lineal para un robot diferencial. Los planificadores de trayectorias y navegadores diseñados para entornos estáticos no funcionan correctamente en escenarios dinámicos, ya que son puramente reactivos. Es necesario tener en cuenta la predicción del movimiento de los obstáculos móviles para planificar trayectorias seguras sin colisión. Los temas abordados y las contribuciones aportadas en esta tesis son:• Diseño de un sistema de localización continua en entornos de interior y exterior, poniendo especial interés en la fusión de las medidas obtenidas de diferentes sensores durante las transiciones interior-exterior, aspecto poco abordado en la literatura. De esta manera se obtiene una estimación acotada de la localización durante toda la navegación del robot. Además, la localización se integra con una técnica reactiva de navegación, construyendo un sistema completo de navegación. El sistema integrado se ha evaluado en un escenario real de un parque industrial, para una aplicación logística en la que las transiciones interior-exterior y viceversa suponían un problema fundamental a resolver.• Definición de un modelo para representar el entorno dinámico del robot, llamado Dynamic Obstacle Velocity-Time Space (DOVTS). En este modelo aparecen representadas las velocidades permitidas y prohibidas para que el robot evite las colisiones con los obstáculos de alrededor. Este modelo puede ser utilizado por algoritmos de navegación ya existentes, y sirve de base para las nuevas técnicas de navegación desarrolladas en la tesis y explicadas en los siguientes puntos. • Desarrollo de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS. En este modelo se identifica un conjunto de situaciones relativas entre el robot y los obstáculos. A cada situación se asocia una estrategia de navegación, que considera la seguridad del robot para evitar colisiones, a la vez que intenta minimizar el tiempo al objetivo.• Implementación de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS, que utiliza explícitamente la información del tiempo para la planificación del movimiento. Se desarrolla un algoritmo A*-like que planifica los movimientos de los siguientes instantes, incrementando la maniobrabilidad del robot para la evitación de obstáculos respecto al método del anterior punto, a costa de un mayor tiempo de cómputo. Se analizan las diferencias en el comportamiento global del robot con respecto a la técnica anterior.Los diferentes aspectos que se han investigado en esta tesis tratan de avanzar en el objetivo de conseguir robots autónomos que puedan adaptarse a nuestra vida cotidiana en escenarios que son típicamente dinámicos de una forma natural y segura.<br /

Randomized physics-based motion planning for grasping in cluttered and uncertain environments

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Physics-based motion planning for grasping and manipulation

This thesis develops a series of knowledge-oriented physics-based motion planning algorithms for grasping and manipulation in cluttered an uncertain environments. The main idea is to use high-level knowledge-based reasoning to define the manipulation constraints that define the way how robot should interact with the objects in the environment. These interactions are modeled by incorporating the physics-based model of rigid body dynamics in planning. The first part of the thesis is focused on the techniques to integrate the knowledge with physics-based motion planning. The knowledge is represented in terms of ontologies, a prologbased knowledge inference process is introduced that defines the manipulation constraints. These constraints are used in the state validation procedure of sampling-based kinodynamic motion planners. The state propagator of the motion planner is replaced by a physics-engine that takes care of the kinodynamic and physics-based constraints. To make the interaction humanlike, a low-level physics-based reasoning process is introduced that dynamically varies the control bounds by evaluating the physical properties of the objects. As a result, power efficient motion plans are obtained. Furthermore, a framework has been presented to incorporate linear temporal logic within physics-based motion planning to handle complex temporal goals. The second part of this thesis develops physics-based motion planning approaches to plan in cluttered and uncertain environments. The uncertainty is considered in 1) objects’ poses due to sensing and due to complex robot-object or object-object interactions; 2) uncertainty in the contact dynamics (such as friction coefficient); 3) uncertainty in robot controls. The solution is framed with sampling-based kinodynamic motion planners that solve the problem in open-loop, i.e., it considers uncertainty while planning and computes the solution in such a way that it successfully moves the robot from the start to the goal configuration even if there is uncertainty in the system. To implement the above stated approaches, a knowledge-oriented physics-based motion planning tool is presented. It is developed by extending The Kautham Project, a C++ based tool for sampling-based motion planning. Finally, the current research challenges and future research directions to extend the above stated approaches are discussedEsta tesis desarrolla una serie de algoritmos de planificación del movimientos para la aprehensión y la manipulación de objetos en entornos desordenados e inciertos, basados en la física y el conocimiento. La idea principal es utilizar el razonamiento de alto nivel basado en el conocimiento para definir las restricciones de manipulación que definen la forma en que el robot debería interactuar con los objetos en el entorno. Estas interacciones se modelan incorporando en la planificación el modelo dinámico de los sólidos rígidos. La primera parte de la tesis se centra en las técnicas para integrar el conocimiento con la planificación del movimientos basada en la física. Para ello, se representa el conocimiento mediante ontologías y se introduce un proceso de razonamiento basado en Prolog para definir las restricciones de manipulación. Estas restricciones se usan en los procedimientos de validación del estado de los algoritmos de planificación basados en muestreo, cuyo propagador de estado se susituye por un motor basado en la física que tiene en cuenta las restricciones físicas y kinodinámicas. Además se ha implementado un proceso de razonamiento de bajo nivel que permite adaptar los límites de los controles aplicados a las propiedades físicas de los objetos. Complementariamente, se introduce un marco de desarrollo para la inclusión de la lógica temporal lineal en la planificación de movimientos basada en la física. La segunda parte de esta tesis extiende el enfoque a planificación del movimiento basados en la física en entornos desordenados e inciertos. La incertidumbre se considera en 1) las poses de los objetos debido a la medición y a las interacciones complejas robot-objeto y objeto-objeto; 2) incertidumbre en la dinámica de los contactos (como el coeficiente de fricción); 3) incertidumbre en los controles del robot. La solución se enmarca en planificadores kinodinámicos basados en muestro que solucionan el problema en lazo abierto, es decir que consideran la incertidumbre en la planificación para calcular una solución robusta que permita mover al robot de la configuración inicial a la final a pesar de la incertidumbre. Para implementar los enfoques mencionados anteriormente, se presenta una herramienta de planificación del movimientos basada en la física y guiada por el conocimiento, desarrollada extendiendo The Kautham Project, una herramienta implementada en C++ para la planificación de movimientos basada en muestreo. Finalmente, de discute los retos actuales y las futuras lineas de investigación a seguir para extender los enfoques presentados.Postprint (published version

Combining task and motion planning for mobile manipulators

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el dia 31/12/2019Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit d’Enginyeria IndustrialThis 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.Award-winningPostprint (published version