Efficient sampling of transition constraints for motion planning under sliding contacts

Abstract

In contact-based motion planning we consider for humanoid and multiped robots problems like going up a staircase, walking over an uneven surface or climbing a steep hill. Solving such tasks requires finding sequences of fixed and sliding contacts and planning the transition from one contact in the environment to another. However, most existing algorithms do not take sliding contacts into account for navigation problems or consider them only for manipulation scenarios. We propose an approach to contact-based planning that uses sliding contacts and exploits contact transitions. Such transitions are elementary operations required for whole contact sequences. To model sliding contacts, we develop a sliding contact constraint that permits the robot to slide on an object’s surface. To exploit contact transitions, we utilize three constraint modes to enable passage: contact with a start surface, no contact and contact with a goal surface. We develop a sampler that samples these transition modes uniformly. In this thesis we focus on the motion of one robot link’s end from an initial contact point toward a designated goal surface while the other end of the robot remains in sliding contact with the initial surface. Our method is evaluated by testing it on manipulator arms of two, three and seven degrees of freedom with different objects and various sampling-based planning algorithms. From the considered manipulator arm, it would be possible to transfer our concept to more complex robots and scenarios and extend it to a whole sequence of contacts.

In der Kontakt-basierten Bewegungsplanung betrachten wir Problemstellungen für humanoide und mehrbeinige Roboter, wie zum Beispiel Treppensteigen, Laufen auf einem unebenen Grund oder Besteigen eines steilen Hügels. Um solche Aufgaben zu lösen, benötigt man Sequenzen von festen oder gleitenden Kontakten und Transitionsbewegungen von einem Kontakt in der Umwelt zu einem anderen. Allerdings berücksichtigen die meisten existierenden Algorithmen gleitende Kontakte nicht für Navigationsprobleme oder erwägen sie nur für Manipulationsszenarien. Wir stellen eine Herangehensweise zum Kontakt-basierten Planen vor, welche gleitende Kontakte benutzt und Kontakttransitionen verwenden. Solche Transitionen sind elementare Vorgänge, die bei Kontaktsequenzen benötigt werden. Um gleitende Kontakte zu modellieren, entwickeln wir eine Gleitkontakt-Einschränkung, welche es dem Roboter ermöglicht auf einer Objektoberfläche zu gleiten. Um Kontakttransitionen zu verwenden, benutzen wir drei Einschränkungs-Modi um Übergänge zu ermöglichen: Kontakt mit einer Startoberfläche, kein Kontakt und Kontakt mit einer Zieloberfläche. Wir entwickeln einen Sampler, der diese Transitions-Modi gleichmäßig sampelt. In dieser Thesis konzentrieren wir uns auf die Bewegung eines Roboterarm-Endes von einem initialen Kontaktpunkt zu einer spezifizierten Zieloberfläche, während das andere Ende in Gleitkontakt mit der Startoberfläche bleibt. Unsere Herangehensweise wird evaluiert durch Tests mit Manipulator Armen mit zwei, drei und sieben Freiheitsgraden mit unterschiedlichen Objekten. Wir testen mit verschiedenen Sampling- basierten Planungsalgorithmen. Ausgehend vom betrachteten Manipulator Arm, wäre es möglich unser Konzept auf komplexere Roboter und Szenarien zu übertragen und auf eine ganze Sequenz von Kontakten zu erweitern.