Collision detection and autonomous path planning for dual arm robotic manipulators

In recent years, robots have been widely used in industrial applications. Therefore density of robots is increased in the factories. In addition to that there are many applications that depend on robots to be in the same environment with humans and even work with them without the presence of fences to separate. Furthermore most of the tasks require multi degree of freedom robots such that path planning algorithms include randomization due to the high complexity of the exact planning algorithms for high-dimensional configuration spaces. All these trends show the need for elaborate collision detection algorithms, since a collision in these cases may have disastrous outcomes. Moreover with the introduction of dual-arm robots it is no longer enough to ensure the robot and the obstacles are collision-free but collision detection is necessary between arms. This thesis represents an attempt to develop a framework to obtain an automatically generated safe, collision free, path for a dual-arm manipulator, where each arm has 7 degrees of freedom. This framework starts with modelling the robot and the obstacles to use them conveniently for collision detection applications. To detect a collision between two configurations two different approaches are considered; while the first one checks for N intermediate configurations, the second one ensures the whole movement is collision free. The essence of the second approach is the computation of the swept volumes. Automatic path planning algorithm utilizes a sampling based approach to generate a path. During this generation it also exploits the redundancy to shape the robot in a safer posture without compromising the position of the end effector. The safety is explored by embedding a heuristic function with a danger/safety assessment called danger field. Finally, some attention is devoted to the visual appearance of the path. In that case the possibility of modifying a path after the generation is investigated, such that the final path would be smoother.

Negli ultimi anni, i robot sono stati utilizzati ampiamente in applicazioni industriali; é quindi aumentata la densità dei robot nelle fabbriche. Inoltre, vi sono tante applicazioni che dipendono dal fatto che i robot, condividano lo stesso ambiente con gli esseri umani e possono lavorare con loro senza la separazione con le recinzioni. Per di più, la maggior parte dei compiti richiede robot a molti gradi di libertà. Questo comporta che gli algoritmi per la pianificazione di percorsi utilizzimo la randomizzazione, a causa della complessità degli algoritmi di pianificazione esatti per gli spazi di configurazione di alta dimensione. Tutte queste tendenze dimostrano la necessità dell'elaborazione degli algoritmi di rilevazione delle collisioni, poichè una collisione in questi casi può avere gli esiti disastrosi. Inoltre con l'introduzione di robot a doppio braccio, non é più sufficiente garantire che il robot e gli ostacoli non collidano tra loro ma serve anche il rilevamento delle collisioni tra i bracci. Questa tesi rappresenta un tentativo di sviluppo di un framework per ottenere un percorso di privo di collisioni generato automaticamente per un manipolatore con doppio braccio in cui ogni braccio ha 7 gradi di libertà. Questo framework prevede la modellazione del robot e degli ostacoli in modo appropriato per usarli comodamente nelle applicazioni di rilevamento delle collisioni. Per rilevare una collisione tra due configurazioni sono considerati due approcci diversi: mentre il primo esegue il controllo per N configurazioni intermedi di collisione, la seconda garantisce che tutto il movimento sia senza collisioni. L'essenza del secondo approccio é il calcolo dei volumi spostati (swept volumes). L’algoritmo automatico per la pianificazione di percorsi (automatic path planning) utilizza un approccio che é basato sul campionamento per generare un percorso. Durante questa generazione, sfrutta anche la ridondanza cinematica per collocare il robot in una posizione più sicura, senza compromettere la posizione dell'organo terminale. La sicurezza é esplorata, grazie all'integrazione di una funzione euristica con una valutazione di sicurezza/pericolo denominata il campo di pericolo (danger field). Infine, si dedica attenzione anche all'aspetto visivo del percorso. In questo caso si indaga la possibilità di modificare di un percorso, dopo la generazione, in modo tale che il percorso finale sia piu regolare.