Plánování pohybu šestinohého kráčejícího robotu s volným vzorem chůze

Abstract

Diplomová práce představuje novou metodu plánování kvazi-statického pohybu kráčejících robotů s volným vzorem chůze v terénech s omezenou oporou nohou. Navrhovaný přístup nevyužívá předepsaného vzoru chůze, což umožňuje využít libovolnou posloupnost kroků. Vyvinutý plánovač pohybu dále umožňuje, aby některé nohy mohly být delší dobu mimo opěry, čímž je snížena závislost na umístění nohou v terénu. K definování domény pro hledání požadované sekvence je vytvořena grafová reprezentace, ve které dvojice nohy-robotu a opěry-nohou definují možné stavy. Konstrukce grafu reprezentující prohledávanou doménu uvažuje konečnou množinu možných opěrných bodů. Konektivita prohledávané domény je však limitována omezujícími podmínkami kinematiky, stability a překážkami, což činí problém velmi náročným. Navržené řešení prohledávání grafu tvoří cestu, která odpovídá kandidátní sekvenci postojů a mezilehlých konfigurací robotu představujících pravděpodobně uskutečnitelné kroky. Plán pohybu robotu je z nalezené sekvence získán řešením dílčích plánovacích podproblémů propojením mezilehlých konfigurací s uvážením omezení pohybu. Navrhovaná parametrizace výsledné cesty robotu založená na polynomiálních křivkách se ukázala jako vhodná volba, která poskytuje nejen rychlou konvergenci optimalizace cesty, ale také přirozeně vypadající pohyb. Schůdnost navrhovaného řešiče byla empiricky ověřena v náročných plánovacích scénářích s malým počtem opěrných bodů pro malý šestinohý kráčející robot. Kromě toho byla na základě počáteční implementace řešení komplexního problému navržena vylepšení, která významně snižují výpočetní nároky. Vyvinutý softwarový rámec HexaPlanner tak představuje vhodné řešení pro nasazení na vícenohých kráčejících robotech.

A free-gait motion planning approach for quasi-static locomotion of a hexapod walking robot on terrains with limited available footholds is proposed. The approach avoids using a prescribed gait pattern allowing an arbitrary sequence of leg swings. Furthermore, it is allowed that some legs do not need to be placed on the terrain for an extended period of time. A finite set of considered footholds is used to define a graph-search domain where pairings of the robot legs and footholds define possible states. However, the connectivity of the search domain is limited by kinematics, stability, and obstacles, which makes the problem challenging. The graph search provides a candidate sequence of stances and intermediate configurations representing plausible steps. The final robot path is found by solving constrained motion planning sub-problems to connect the intermediate configurations into a valid path. The proposed parametrization based on polynomial curves showed to be a suitable choice that provides not only fast convergence of the path optimization but also natural-looking motion. The feasibility of the proposed solver has been empirically validated in challenging scenarios with only a few footholds for a small hexapod walking robot. Moreover, based on the initial implementation of the complex problem solver, improvements have been proposed that significantly reduce the computational requirements making the developed HexaPlanner framework suitable for deployments on multi-legged walking robots.