Trajectory Control for High-DOF Manipulators

Bc. Patrick Ondika

Master's thesis

Abstract:

RoFI je platforma metamorfních robotů – roboti skládající se z uniformních modulů, které fungují nezávisle a mají vlastní klouby a konektory, díky kterým se můžou spojit a vykonávat komplexní činnosti. Přirozený tvar do kterého se můžou zapojit jsou robotická ramena, která můžou pohybovat s okolními objekty. RoFI ramena se od standardních industriálních liší převážně vysokým počtem kloubů (tj. stupňů volnosti), který se zvyšuje s každým zapojeným modulem. Základní úkol pro robotická ramena je přesun objektu z jednoho místa na druhé. Abychom tento úkol mohli splnit, potřebujeme algoritmus na plánování trajektorie robotického ramene, která nekoliduje s okolními překážkami. Na tento problém existuje řada přístupů, ale standardní metody mají exponenciální složitost vůči počtu kloubů, kvůli které jsou nepoužitelné pro RoFI ramena. Tato práce má za cíl navrhnout a implementovat algoritmus na ovládání robotických ramen s vysokým stupňem volnosti. Práce popisuje proces návhu tohoto algoritmu, vysvětluje koncepty využité v algoritmu, a prezentuje finální řešení. Výsledky jsou demonstrovány v simulátoru v rámci RoFI platformy.

Abstract:

RoFI is a platform of metamorphic robots – robots consisting of uniform modules which each work autonomously and have their own simple joints, but can connect to each other and complete more complex tasks. A natural shape for these robots to take is a robotic arm, which can manipulate with the surrounding objects. What separates RoFI arms from pre-built industrial arms is the total number of joints (degrees of freedom), which rises with each module. An essential task for robotic arms (manipulators) is the act of moving an object from one place to the other. To successfully accomplish this task, we need to plan a trajectory the manipulator can take to reach the object, while avoiding collisions with potential obstacles. Various algorithms for this problem exist, but the complexity of standard methods scales exponentially with each degree of freedom, making them unusable for RoFI arms. This thesis aims to design and implement an algorithm for trajectory planning of robotic manipulators with a very high degree of freedom. The thesis goes through the process of designing such an algorithm, explains the individual components, and presents the algorithm as a whole. Finally, the results are evaluated in a simulator within the RoFI environment.

Keywords

RoFI, Metamorphic robots, Modular robots, Inverse kinematics, FABRIK, Motion planning, Path planning, Robotic manipulator

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Barnat, Ph.D.
• Reader: Mgr. Marek Trtík, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Theoretical computer science / Principles of programming languages