Motion planning algorithms for general closed-chain mechanisms

Juan Cortés (1)

1 LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes

A robot essentially acts by moving in a physical world. The motion planning capability is thus a fundamental issue for the autonomy of the system, and represents a very active area of research in Robotics. Furthermore, the interest in motion planning techniques goes beyond robotic applications. Currently, these techniques are applied in other very different domains such as: CAD/CAM, industrial logistics, graphic animation, or computational
Biology. Complex articulated mechanisms containing closed kinematic chains appear in all these domains. This thesis treats motion planning for such systems.
The first part contains our theoretical and technical work. We introduce sampling-based planners into a general formulation of the motion planning problem in presence of kinematic closure constraints. The algorithmic tools that we propose allow an effcient application of these techniques to complex closed-chain mechanisms.
The second part deals with the different fields of application that we have investigated. In Robotics, our approach has been applied to motion synthesis of parallel robots, coordinated
manipulation and manipulation planning. Finally, we discuss an original application to Structural Biology for the conformational analysis of protein loops. The results of our experiments prove the efficacy and the generality of the approach.

Un système robotique agit par le mouvement dans un monde physique. La capacité deplanification de mouvement est donc une composante essentielle de l'autonomie du système et constitue un domaine de recherche très actif en Robotique. Le champ d'application de ces méthodes dépasse aujourd'hui le cadre de la Robotique et intéresse des domaines aussi diversifiés que la CAO, la logistique industrielle, l'animation graphique ou la biologie moléculaire. Dans tous ces domaines on est confronté au mouvement de systèmes complexes contenant des chaînes cinématiques fermées. Cette thèse traite de la planification de mouvement pour de tels systèmes. La première partie présente notre contribution théorique et technique. Après avoir proposé une formulation générale de la planification de mouvement sous contrainte de fermeture cinématique, nous décrivons une méthode qui s'inscrit dans le cadre des techniques d'exploration par échantillonnage. Les outils algorithmiques que nous proposons permettent une application efficace de ces techniques à des systèmes mécaniques complexes. La deuxième partie traite de l'utilisation de ces outils pour la résolution de divers problèmes. En Robotique, nos algorithmes ont été appliqués à la synthèse de mouvement de mécanismes parallèles, à la manipulation coordonnée ainsi qu'à la planification de tâches de manipulation d'objets. Enfin, nous abordons une application originale à la biologie structurale pour l'étude des capacités de mobilité de boucles protéiques. Les résultats obtenus à travers ces applications montrent l'efficacité et la généralité de notre approche.

Mots clés: Planification de mouvements; Chaînes cinématiques fermées; Méthodes d'échantillonnage; Mécanismes parallèles; Manipulation robotique; Mouvements moléculaires

Domaines: Automatique / Robotique

Juan Cortés. Motion planning algorithms for general closed-chain mechanisms. Automatique / Robotique. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011002⟩