Development of an Optimization-Based Motion Planner and Its ROS Interface for a Non-Holonomic Mobile Manipulator

Abstract

The application of mobile manipulators is expanding to different fields such as space, underwater, construction, service and, health-care, as such robotic systems provide the ability to move around the environment and manipulate objects. The thesis presents an optimization-based motion planning algorithm for a manipulator mounted on a non-holonomic mobile base. In particular, this work deals with the sub-class of problems called task-constrained trajectory optimization, where the end-effector position and orientation are given by the user as input, and the algorithm computes the necessary joint motions of the manipulator and the mobile base. This class of problems is especially important for applications like 3D printing and robotic painting, where the mobile base and the manipulator needs to be moved simultaneously. The proposed algorithm computes smooth (as defined by higher-order differentiability) motions for both manipulator and mobile base also, it provides hyper-parameters that can be tuned to trade-off different aspects of the motions. The proposed trajectory optimization is implemented on hardware consisting of a UR5e arm mounted on the top of the MiR100 mobile base. To achieve a rigorous implementation, the thesis also develops a custom Robot Operating System (ROS) interface for the aforementioned hardware. In estonian: Mobiilsete manipulaatorite rakendamine laieneb erinevatesse aladessenagu vabas ruumis, vee all, ehitus, teenindus ja tervishoiu, kuna sellisedseadmed pakkuvad võimalust liikuda keskonnas ning manipuleeridaesemeid. Väitekirjas on esitatud optimeerimisele baseeruv liikumisekavandav algoritm manipulaatori jaoks, mis asub mitteholonoomselalusel. Täpsemalt tegeletakse töö raames probleemide alamhulkaganimega ülesande-piiratud trajektoori optimiseerimine, kus lõpp-mõjuriasukohta ja suunda on antud kasutaja poolt sisendina, ja algoritmarvutab manipulaatori ja aluse vajalikuid ühiseid liikumisi. Sellise tüübiprobleemid on eriti tähtsad rakenduste jaoks nagu 3D printimine jarobootne värvimine, kus mobiilse aluse ja manipulaatori tuleb liigutadasamaaegselt. Esitatud algoritm arvutab siledaid (s.t. kõrgejärguliseltdiferentseeruvaid) liikumisi nii manipulaatori kui aluse jaoks, ja samal ajalpakub hüperparameetreid, mille abil on võimalik sättida liikumiseerinevaid ilmeid. Pakutud teekonna optimeerimine on teostatudriistvaras, mis koosneb mobiilsel MiR100 alusel asetatud UR5e kodarast.Saavutamaks ranget teostust on väitekirjas arendatud tavapäranerobootse operatsioonisüsteemi (ROS) liides ülalmainitud riistvara jaoks.