Planning of loco-manipulation tasks for a multi-arm space robot

Significant developments of the space sector in recent years are now leading space technology on the brink of a new generation of large space structures. Those structures must be launched in pieces and deployed in situ. A key technology to allow large-scale cost-effective on-orbit manufacturing and assembly is autonomous robotics. These concepts may bring relevant advantages for space missions in the near future, but cutting-edge motion planning tools are necessary to effectively operate robotic manipulators. The aim of this thesis is therefore to propose an approach for the motion planning of a robotic self-relocatable multi-arm system. The system is made of two arms mounted on a torso, summing up to a total of 15 degrees of freedom. It features three end effectors. Each end effector is equipped with a standard latching interface, that allows interaction with the world, both for locomotion and manipulation. The proposed approach consists of two layers of planning, a high-level planning of the contact sequence, and a low-level planning of the trajectories that perform the contact sequence. A final additional layer consists of the validation of the output. The motion planner provides plans for single locomotion and manipulation tasks, as well as combined loco-manipulation tasks. The contact planning is performed with numerical optimization and graph search methods. The path planning relies on kinematic tools and rapidly growing random trees. Eventually, trajectories are constructed with the lines and parabolas technique. The algorithms are tested in simulation. It is found that the developed motion planner works as desired in a great variety of cases. It handles different robots, environments and a large set of input tasks. The computing time is suitable for offline use. The outcome of the planning is a fully characterized motion plan, comprising instructions for all actuating devices of the system. It is locally optimal, simulation-validated and compliant with all the considered constraints of the problem.

Gli importanti sviluppi nell'industria dello spazio degli anni scorsi stanno conducendo alla soglia di una nuova generazione di grandi strutture spaziali. Tali strutture devono essere lanciate in parti e dispiegate sul posto. Una tecnologia chiave per una implementazione efficiente di produzione e assemblaggio in orbita su larga scala è la robotica. Questi concetti possono apportare notevoli vantaggi per le missioni spaziali nel prossimo futuro, tuttavia sono necessari strumenti di pianificazione del moto all'avanguardia per operare efficacemente i sistemi robotici. Lo scopo della tesi è pertanto di proporre un approccio per la pianificazione del moto per un sistema robotico semovente e multi-braccio. Il robot è costituito di due braccia ed un torso, per un totale di 15 gradi di libertà. Equipaggiato di tre end effector, ognuno dei quali presenta un sistema di accoppiamento grazie al quale il robot può interagire con il mondo. L'approccio proposto consta di due layer, una pianificazione di massima delle sequenze di contatti, e una pianificazione di dettaglio delle traiettorie per eseguire la sequenza di contatti. Un ulteriore layer aggiuntivo valida il risultato. Il motion planner fornisce piani separatamente per la locomozione, per la manipolazione e per obiettivi di loco-manipolazione combinata. La pianificazione dei contatti è effettuata tramite metodi di ottimizzazione numerica e ricerca dei grafi. La pianificazione di traiettorie geometriche si avvale di strumenti della cinematica e di algoritmi rapidly growing random tree. Infine, le traiettorie nel tempo sono costruite con la tecnica delle linee e parabole. Gli algoritmi sono testati in simulazione. Si rinviene che lo strumento sviluppato opera come desiderato in una grande varietà di casi e risulta in grado di gestire diversi robot, ambienti e un vasto insieme di obiettivi in ingresso. Il tempo di elaborazione è idoneo ad un uso offline. L'esito della pianificazione è un piano di moto dettagliatamente caratterizzato, con istruzioni per tutti i dispositivi attuativi del sistema. Tale piano è localmente ottimale, validato tramite simulazione e soddisfa tutti i vincoli considerati nel problema.