On-line path planning with optimal C-space discretization

This paper is based on a path planning approach we reported earlier for industrial robot arms with 6 degrees of freedom in an on-line given 3D environment. It has on-line capabilities by searching in an implicit and descrete configuration space and detecting collisions in the Cartesian workspace by distance computation based on the given CAD model. Here, we present different methods for specifying the C-space discretization. Besides the usual uniform and heuristic discretization, we investigate two versions of an optimal discretization for an user-predefined Cartesian resolution. The different methods are experimentally evaluated. Additionally, we provide a set of 3- dimensional benchmark problems for a fair comparison of path planner. For each benchmark, the run-times of our planner are between only 3 and 100 seconds on a Pentium PC with 133 MHz

On-line path planning by heuristic hierarchical search

In this paper, the problem of path planning for robot manipulators with six degrees of freedom in an on-line provided three-dimensional environment is investigated. As a basic approach, the best-first algorithm is used to search in the implicit descrete configuration space. Collisions are detected in the Cartesian workspace by hierarchical distance computation based on the given CAD model. The basic approach is extended by three simple mechanisms and results in a heuristic hierarchical search. This is done by adjusting the stepsize of the search to the distance between the robot and the obstacles. As a first step, we show encouraging experimental results with two degrees of freedom for five typical benchmark problems

Parallele Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen

Dieser interne Bericht gibt einen Ueberblick ueber die aktuellen Forschungsergebnisse aus dem gleichnamigen Projekt. Hierbei wird das Problem der praktikablen Bewegungsplanung fuer Industrieroboter in dynamischen Umgebungen angegangen. Der Grundalgorithmus ohne wesentliche off-line Berechnungen basiert auf der A*-Suche und arbeitet im impliziten, diskretisierten Konfigurationsraum. Die Kollisionen werden im kartesischen Arbeitsraum durch hierarchische Abstandsberechnung im gegebenen CAD-Modell erkannt. Eine zyklische Aufteilung des Suchraums auf die einzelnen Prozessoren ermoeglicht eine gut skalierbare Parallelverarbeitung fuer nachrichten-gekoppelte Rechnersysteme. Die Leistungsfaehigkeit des Bewegungsplaners wird an einem Satz von Benchmark-Problemen validiert. Unterstuetzt durch eine optimale Diskretisierung zeigt der neuartige Ansatz einen linearen Speedup. Fuer Umgebungen mit unbewegten Hindernissen liegen die Laufzeiten im Sekundenbereich. Zur weiteren Beschleunigung der Bewegungsplanung wird erstmalig eine heuristische hierarchische Suche im impliziten Konfigurationsraum eingefuehrt. Fuer zweidimensionale Benchmark-Probleme ergibt die Hierarchisierung eine starke Reduktion des Suchaufwandes

Ein Workstation - Cluster fuer paralleles Rechnen in Robotik-Anwendungen

Die Bewegungsplanung für Industrieroboter ist eine notwendige Voraussetzung, damit sich autonome Systeme kollisionsfrei durch die Umwelt bewegen können. Die Berücksichtigung von dynamischen Hindernissen zur Laufzeit erfordert allerdings leistungsfähige Algorithmen, zur Lösung dieser Aufgabenstellung in Echtzeit. Eine Möglichkeit zur Beschleunigung der Algorithmen ist der effiziente Einsatz von skalierbarer Parallelverarbeitung. Die softwaretechnische Umsetzung kann aber nur dann erfolgreich sein, wenn ein Parallelrechner zur Verfügung steht, der einen hohen Datendurchsatz bei geringer Latenzzeit bietet. Darüber hinaus muß dieser Parallelrechner unter vertretbarem Aufwand bedienbar sein und ein gutes Preisleistungsverhältnis aufweisen, damit die Parallelverarbeitung verstärkt in der Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Artikel wird ein Workstation-Cluster auf der Basis von neun Standard- PCs vorgestellt, die über eine spezielle Kommunikationskarte miteinander vernetzt sind. In den einzelnen Abschnitten werden die gesammelten Erfahrungen bei der Inbetriebnahme, Systemadministration und Anwendung geschildert. Als Beispiel für eine Anwendung auf diesem Cluster wird ein paralleler Bewegungsplaner für Industrieroboter beschrieben

Parallel on-line motion planning for industrial robots

This paper presents a new approach to parallel motion planning for industrial robot arms with six degrees of freedom in an on-line given 3D environment. The method is based on the A*-search algorithm and needs no essential off-line computations. The algorithm works in an implicitly descrete configuration space. Collisions are detected in the cartesian workspace by hierarchical distance computation based on the given CAD model. By decomposing the 6D configuration space into hypercubes and cyclically mapping them onto multiple processing units, a good load distribution can be achieved. We have implemented the parallel motion planner on a workstation cluster with 9 PCs and tested the planner for several benchmark environments. With optimal discretisation, the new approach usually shows linear, and sometimes even superlinear speedups. In on-line provided environments with static obstacles, the parallel planning times are only a few seconds

Multi-Goal Path Planning for Industrial Robots

A new problem for the automated off-line programming of industrial robot application is investigated. The Multi-Goal Path Planning is to find the collision-free path connecting a set of goal poses and minimizing e.g. the total path length. Our solution is based on an earlier reported path planner for industrial robot arms with 6 degrees-of-freedom in an on-line given 3D environment. To control the path planner, four different goal selection methods are introduced and compared. While the Random and the Nearest Pair Selection methods can be used with any path planner, the Nearest Goal and the Adaptive Pair Selection method are favorable for our planner. With the latter two goal selection methods, the Multi-Goal Path Planning task can be significantly accelerated, because they are able to automatically solve the simplest path planning problems first. Summarizing, compared to Random or Nearest Pair Selection, this new Multi-Goal Path Planning approach results in a further cost reduction of the programming phase

Ein Workstation - Cluster fuer paralleles Rechnen in Robotik-Anwendungen

Die Bewegungsplanung für Industrieroboter ist eine notwendige Voraussetzung, damit sich autonome Systeme kollisionsfrei durch die Umwelt bewegen können. Die Berücksichtigung von dynamischen Hindernissen zur Laufzeit erfordert allerdings leistungsfähige Algorithmen, zur Lösung dieser Aufgabenstellung in Echtzeit. Eine Möglichkeit zur Beschleunigung der Algorithmen ist der effiziente Einsatz von skalierbarer Parallelverarbeitung. Die softwaretechnische Umsetzung kann aber nur dann erfolgreich sein, wenn ein Parallelrechner zur Verfügung steht, der einen hohen Datendurchsatz bei geringer Latenzzeit bietet. Darüber hinaus muß dieser Parallelrechner unter vertretbarem Aufwand bedienbar sein und ein gutes Preisleistungsverhältnis aufweisen, damit die Parallelverarbeitung verstärkt in der Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Artikel wird ein Workstation-Cluster auf der Basis von neun Standard- PCs vorgestellt, die über eine spezielle Kommunikationskarte miteinander vernetzt sind. In den einzelnen Abschnitten werden die gesammelten Erfahrungen bei der Inbetriebnahme, Systemadministration und Anwendung geschildert. Als Beispiel für eine Anwendung auf diesem Cluster wird ein paralleler Bewegungsplaner für Industrieroboter beschrieben

Point-to-Point and Multi-Goal Path Planning for Industrial Robots

This article presents contributions in the field of path planning for industrial robots with 6 degrees of freedom. This work presents the results of our research in the last 4 years at the Institute for Process Control and Robotics at the University of Karlsruhe. The path planning approach we present works in an implicit and discretized C-space. Collisions are detected in the Cartesian workspace by a hierarchical distance computation. The method is based on the A* search algorithm and needs no essential off-line computation. A new optimal discretization method leads to smaller search spaces, thus speeding up the planning. For a further acceleration, the search was parallelized. With a static load distribution good speedups can be achieved. By extending the algorithm to a bidirectional search, the planner is able to automatically select the easier search direction. The new dynamic switching of start and goal leads finally to the multi-goal path planning, which is able to compute a collision-free path between a set of goal poses (e.g., spot welding points) while minimizing the total path length

Point-to-Point and Multi-Goal Path Planning for Industrial Robots

This article presents contributions in the field of path planning for industrial robots with 6 degrees of freedom. This work presents the results of our research in the last 4 years at the Institute for Process Control and Robotics at the University of Karlsruhe. The path planning approach we present works in an implicit and discretized C-space. Collisions are detected in the Cartesian workspace by a hierarchical distance computation. The method is based on the A* search algorithm and needs no essential off-line computation. A new optimal discretization method leads to smaller search spaces, thus speeding up the planning. For a further acceleration, the search was parallelized. With a static load distribution good speedups can be achieved. By extending the algorithm to a bidirectional search, the planner is able to automatically select the easier search direction. The new dynamic switching of start and goal leads finally to the multi-goal path planning, which is able to compute a collision-free path between a set of goal poses (e.g., spot welding points) while minimizing the total path length