Search-based motion planning for robotic manipulators using reachability maps

La pianificazione del moto robotica consente ai manipolatori di generare movimenti privi di collisioni ed eseguibili all’interno di un determinato ambiente operativo. Questa tesi presenta lo sviluppo e la valutazione sperimentale di un framework integrato per robot seriali che combina rappresentazioni dello spazio basate su reachability map, algoritmi deterministici di ricerca su grafo e tecniche di ottimizzazione della traiettoria. La reachability map di un robot seriale a 6 gradi di libertà viene utilizzata per discretizzare lo spazio operativo e rappresentare le pose raggiungibili dell’end-effector all’interno di una griglia strutturata quadridimensionale. Questa rappresentazione incorpora informazioni sulla fattibilità cinematica, sui limiti di auto-collisione tra i membri e sulle diverse posture associate alle soluzioni della cinematica inversa, consentendo di riformulare il problema di pianificazione del moto come una ricerca su grafo. All’interno di questa rappresentazione vengono analizzate diverse strategie di pianificazione derivate dall’algoritmo A*, tra cui formulazioni unidirezionali, bidirezionali e varianti con euristiche inflazionate. Le prestazioni del framework sono valutate attraverso una campagna di benchmarking. In una prima fase viene effettuato un confronto tra pianificatori sampling-based e search-based in ambienti generici; successivamente viene analizzato il loro comportamento all’interno della reachability map considerando diverse configurazioni ambientali. I risultati mostrano che i pianificatori basati su ricerca su grafo forniscono soluzioni deterministiche e complete rispetto alla discretizzazione adottata, producendo percorsi di qualità superiore rispetto a quelli ottenuti con approcci sampling-based. I percorsi discreti generati dal pianificatore vengono infine convertiti in traiettorie continue mediante interpolazione tramite spline e ottimizzazione della legge di moto, nel rispetto dei limiti cinematici del manipolatore.