Planificación local basada en sensores para un manipulador móvil en tareas de colaboración con humanos

Abstract

Un manipulador móvil, como cualquier otro sistema que opere en entornos reales, debe ser capaz de evitar los obstáculos que se presenten en su camino. Sin embargo, en el caso del manipulador móvil, la solución de este problema es mucho más compleja. Esta tesis propone una estrategia para dotar al manipulador móvil de esta habilidad basándose en la información del entorno proporcionada por un telémetro láser. Se ha optado por un modelo único del entorno, el Diagrama de Voronoi Local, construido a partir de los datos sensoriales, que se utiliza por igual en los módulos de planificación y localización. El algoritmo propuesto puede utilizarse en línea para construir el DVL de una zona restringida del entorno alrededor de la posición actual del robot. La limitación en el tiempo de cómputo, permite actualizar el modelo del entorno con suficiente rapidez para detectar la presencia de obstáculos inesperados y planificar una trayectoria local que permita evitarlos. El diseño de los módulos de construcción del mapa local, localización y planificación se ha hecho con la idea de que puedan ser aplicados a cualquier tipo de robot móvil dotado de un telémetro láser. De esta forma, los algorit mos desarrollados y presentados en esta tesis son aplicables a un considerable número de sistemas. Su funcionamiento ha podido comprobarse en la eje cución de una serie de experimentos cuyos resultados quedan recogidos a lo largo de este trabajo. Por último, se presentan las adaptaciones de los algoritmos desarrollados para su integración en el sistema de control de un manipulador móvil. Te niendo como objetivo la colaboración del sistema con operarios humanos en tareas de transporte de piezas, el planificador de trayectorias locales se conec ta directamente con el módulo de control cinemático coordinado y el bucle de control de impedancia previamente diseñados. A su vez, la realimentación de la señal de fuerza en el módulo de planificación permite estimar la dirección de movimiento del operario. Con esta información el planificador escoge, si es posible, aquella trayectoria local libre de obstáculos que más se adecúe al movimiento del operario. _________________________________________________

A mobile manipulator, just like any other system operating in real envi ronments, must be able to avoid obstacles that appear on its way. This thesis proposes a strategy to provide the mobile manipulator with this ability. It is based 011 environment information supplied by a laser range scanner. The Local Voronoi Diagram (LVD), built from sensor data, has been adopted like the only one environment model. It is used the same in planning as localization modules. The proposed algorithm is able to be used on-line to construct the LVD of a visible region around the current location of the robot. Computing time is limited, this allows up to update the environment model in a short time, detecting the presence of unexpected obstacles and planning a local path to avoid its. The design of local map construction, localization and planification mo dules have been developed with the intention to be putting in practice on any mobile robot with a scanner laser on board. Then, algorithms described in this thesis can be applied to a lot of systems. The algorithms performance has been tested running a sequence of experiments on real systems. The results are presented along this document. Finally, the algorithms have been adapted to be integrated on the mobile manipulator control system. In order to collaborate with human operator in material handling tasks, the local path planning module is connected with the coordinated kinematic control module and with the damping control module previously designed. Force signal is used in planning module to estimate movement direction for the operator. The planning module uses this information to choose the best local free path, closer to the human movement.