Path planning for Underwater Vehicle-Manipulator Systems based on task-specific pose configurations for efficient manipulation

Abstract

Η ανάπτυξη αυτόνομων υποβρύχιων ρομποτικών συστημάτων με στόχο την επίτευξη υποθαλάσσιων επεμβατικών εργασιών είναι ένα πολύ σημαντικό θέμα έρευνας με ραγδαία ανάπτυξη στο πεδίο της ρομποτικής. Για την εκτέλεση αποστολών που απαιτούν αλληλεπίδραση με το φυσικό περιβάλλον χρησιμοποιούνται υποβρύχια οχήματα εξοπλισμένα με ρομποτικό βραχίονα (Underwater Vehicle - Manipulator System, UVMS). Όπως είναι αναμενόμενο, πολλά ενδιαφέροντα ζητήματα προκύπτουν κατά την σχεδίαση τεχνικών ελέγχου αυτόνομων UVMS, στοχεύοντας στην βελτίωση της ικανότητας τους για αλληλεπίδραση.

Το αντικείμενο αυτής της μεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός προβλήματος βελτιστοποίησης από το οποίο προκύπτει η βέλτιστη διάταξη ενός UVMS όσον αφορά στην αποτελεσματική αλληλεπίδραση με το φυσικό περιβάλλον λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι πρόκειται για ένα σύστημα με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας. Ταυτόχρονα, διασφαλίζεται ότι διαφόρων ειδών περιορισμοί ικανοποιούνται. Αυτή η βέλτιστη διάταξη του UVMS αντιστοιχεί στις απαιτήσεις της εκάστοτε εργασίας και σε συγκεκριμένο κριτήριο βελτιστοποίησης το οποίο εξασφαλίζει την μεγιστοποίηση μίας συγκεκριμένης νόρμας του διανύσματος γενικευμένης δύναμης/ροπής που μπορεί να ασκήσει ο βραχίονας.

Το παραπάνω πρόβλημα βελτιστοποίησης συμπεριλαμβάνεται σε έναν αλγόριθμο σχεδιασμού δρόμου για UVMS που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Δεδομένου ότι η διαδικασία ελέγχου ενός UVMS πραγματοποιείται στο χώρο των αρθρώσεων, ο προτεινόμενος αλγόριθμος παρέχει σε πραγματικό χρόνο μία ακολουθία βέλτιστων διατάξεων η οποία οδηγεί σταδιακά το σύστημα στην τελική βέλτιστη θέση και διάταξη προκειμένου να μπορεί να ασκήσει την επιθυμητή γενικευμένη δύναμη/ροπή στο φυσικό περιβάλλον.

Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι οι μη γραμμικοί περιορισμοί που πρέπει να ικανοποιούνται καθιστούν την διαδικασία βελτιστοποίησης πολύπλοκη και υπολογιστικά απαιτητική, προτείνεται ένας εναλλακτικός αλγόριθμος σχεδιασμού δρόμου στο χώρο των αρθρώσεων. Αυτή η προσέγγιση επιταχύνει τη διαδικασία υπολογισμού και φαίνεται να είναι καταλληλότερη για τεχνικές σχεδιασμού δρόμου σε πραγματικό χρόνο. Η βασική ιδέα της έγκειται στην εφαρμογή της ανάλυσης ευαισθησίας σε μία επαναληπτική διαδικασία προκειμένου να υπολογιστεί η ακολουθία βέλτιστων διατάξεων του UVMS.

Η απόδοση των προτεινόμενων αλγόριθμων σχεδιασμού δρόμου και του προβλήματος βελτιστοποίησης ως ένα μέρος του συνολικού σχήματος ελέγχου αλληλεπίδρασης καταδεικνύεται μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων στο MATLAB όπου διάφορα σενάρια μελετώνται. Το αυτόνομο UVMS, το μοντέλο του οποίου υιοθετείται στις προσομοιώσεις, αποτελείται από το Girona500 AUV και το βραχίονα ARM 5E Micro.

The development of completely autonomous underwater robotic systems to accomplish complex subsea intervention tasks is one of the most important and rapidly increasing topics in underwater robotics research field. In case of missions that require interaction with the environment, underwater vehicles are equipped with a robotic arm to perform manipulation tasks; in this case the system is usually called Underwater Vehicle- Manipulator System (UVMS). As expected, many challenging issues arise from designing interaction control schemes for autonomous UVMS, aiming at the improvement of their intervention capability.

The scope of this master thesis is the development of an optimization scheme that provides the optimal hovering pose configuration of an UVMS for efficient interaction with the environment, exploiting the redundant dofs of the combined system and ensuring that several constraints are satisfied. This optimal hovering pose configuration corresponds to several intervention requirements and a certain performance criterion ensuring the maximization of a meaningfully defined norm of end-effector interaction wrench vector.

This optimization scheme is incorporated as part of a path planning scheme for UVMS interacting with the environment. Since the control action on the UVMS is carried out in the joint space, a suitable algorithm is proposed to provide in real time a sequence of UVMS pose configurations that leads in a smooth way to the final optimal configuration for efficient interaction wrt the pre-specified performance criterion. Thus, this algorithm includes the aforementioned optimization scheme and plays the role of an on-line path planner in the joint space of the UVMS during the “reach-to-grasp” phase.

Considering that the nonlinear constraints to be respected make the optimization procedure complicated and computationally intense, a second path planning scheme in the joint space of the UVMS is proposed. This approach speeds up the computation procedure and seems to be more convenient for on-line motion planning schemes. The key idea behind this approach lies in applying sensitivity analysis in an iterative process to derive the sequence of optimal UVMS pose configurations.

Finally, the performance of the developed motion planning algorithms and optimization scheme as part of the overall interaction control scheme is demonstrated through a series of simulation studies in MATLAB where various underwater scenarios are considered. The autonomous UVMS, used for the simulation studies, is composed of the Girona500 AUV and the ARM 5E Micro manipulator.