Dynamic Programming for Optimal Planning and Control of Redundant Robot Manipulators

Abstract

Kinematically redundant robots possess more degrees of freedom than those strictly required to execute a given task. Such a charac- teristic gives the system a higher degree of dexterity and mobility that can be exploited to optimize performance indices of interest. Kinematic redundancy can be found in anthropomorphic serial chains, humanoids, mobile manipulators (terrestrial, aerial), par- allel robots and systems of cooperating robots. The optimization problem that looks into the exploitation of redundancy to optimize a given performance index is commonly referred to as redundancy resolution. Many robotic tasks require to follow a speci c path, such as in welding, cutting, gluing and in some assembly and disassembly tasks. This is opposed to point-to-point motion, that is rather typical in pick-and-place operations. The de nition of the speed with which the path is tracked is also a decision variable that, in most applications, is necessary to optimize. The criterion to follow could be related to time minimization, but also tracking accuracy and, more generally, quality measures de ned for the speci c process. The optimization problem that looks into the de nition of velocity along a given path is commonly referred to as trajectory planning or time-parametrization. Nowadays, many applications require the robots to live and oper- ate in unstructured, unknown and highly-dynamical environments, which undoubtedly shifts the attention of research towards real- time planning and control. However, there still are situations, that are quite frequent in reality, where o -line planning is required, while the underlying process is not fully optimized. Indeed, one of the most frequent employments of anthropomorphic arms in manufacturing industries still concerns the execution of repetitive tasks in structured environments, where the task is planned once and executed cyclically. In the aerospace sector, o -line planning instances exist in the mission design phase for feasibility and bud- get assessments. .. [edited by Author]

Un robot ridondante possiede pi u gradi di libert a di quelli stret- tamente necessari ad eseguire il task assegnato. Questa caratteri- stica fornisce al sistema migliore destrezza e mobilit a, che possono essere sfruttate per ottimizzare indici di performance di interesse. E possibile trovare ridondanza cinematica nei robot antropomor- , umanoidi, manipolatori mobili (terrestri, aerei), robot paralleli e sistemi di robot cooperanti. Il problema di ottimizzazione che punta a sfruttare la ridondanza per ottimizzare un dato indice di performance e di solito chiamato risoluzione della ridondanza. Molti task robotici richiedono l'inseguimento di un percorso spe- ci co, come nelle operazioni di saldatura, taglio, incollaggio ed in alcune operazioni di montaggio e smontaggio. Ci o si contrappo- ne a moti punto-punto, che invece sono tipici di applicazioni di pick-and-place. Anche la velocit a con cui il percorso viene seguito spesso costituisce una variabile decisionale che, in molte appli- cazioni, e necessario ottimizzare. Il criterio da seguire potrebbe essere la minimizzazione del tempo, l'accuratezza di inseguimen- to, oppure, pi u in generale, indici di qualit a de niti per processi speci ci. Il problema di ottimizzazione che punta alla de nizione della velocit a su di un percorso e di solito chiamato piani cazione di traiettoria oppure parametrizzazione temporale. Oggigiorno, molte applicazioni richiedono che i robot vivano ed operino in ambienti non strutturati, sconosciuti ed altamente dina- mici, che indubbiamente spostano l'attenzione della ricerca verso il controllo e la piani cazione in tempo reale. Ciononostante, esisto- no ancora situazioni, che sono abbastanza frequenti nella pratica, in cui e richiesta una piani cazione o -line. Allo stesso tempo, i processi che sottintendono a tale tipologia di piani cazione non sono ancora completamente ottimizzati. Infatti, uno degli impie- ghi pi u comuni dei bracci manipolatori antropomor nell'industria manifatturiera ha ancora a che fare con l'esecuzione di compiti che sono piani cati una volta e continuamente ripetuti in modo ciclico. .. [a cura dell'Autore]