Motion planning is one of the principal tasks of autonomous robot systems. As a consequence, robot motion planning is one of the most active research areas in robotics and in the past decades great effort has been put into the development of flexible motion planning algorithms. The problems that needed to be tackled turned out to be demanding and most of the solutions found so far are restricted in the sense that they either find a collision free geometric path ignoring robot dynamics or they compute a time or energy optimal trajectory but they ignore collisions. The obvious goal, however, is to find a planning approach that respects both obstacles and robot dynamics. By including the time in the planning process it becomes possible to handle trajectories that are collision free and that also respect the dynamic limits of the robot. In addition, such a planning approach will be capable of dealing with time-varying obstacles. The position of such obstacles changes over time (but is known in advance for each point in time). Examples can be found in industrial manufacturing processes. Consider a robot in front of a production line with moving workpieces. In this thesis we present such a planning approach. Our motion planning algorithm considers robot dynamics (i.e. force and torque limits) and is able to deal with time-varying obstacles. Another characteristic of our approach is that the planning process and the process of generating trajectories are decoupled. This bears the advantage that our planner can handle different types of trajectories without modification. For example, point-to-point motions, path motions, or even special types of trajectories for non-holonomic robots. The planning process itself only handles base points, which define allowed areas for the actual trajectory. By modifying the position and the number of base points, the allowed trajectory area and consequently the trajectory itself is modified. To guide the planning process, we introduce several criteria upon which the evaluation of generated trajectories is based. Our main focus is on freedom from collision and robot dynamics, since these criteria have precedence over all other criteria, such as time or energy consumption. One of the main ingredients of motion planning in time-varying environments is a reliable algorithm for collision detection. We present an extension of an existing algorithm for static environments that enables us not only to detect collisions with moving obstacles but also gives us a precise rating of the depth of a collision. To demonstrate the usefulness of our approach, we have implemented our motion planning algorithm within the scope of a robot simulation system and we have tested it in various scenarios.     «

Motion planning is one of the principal tasks of autonomous robot systems. As a consequence, robot motion planning is one of the most active research areas in robotics and in the past decades great effort has been put into the development of flexible motion planning algorithms. The problems that needed to be tackled turned out to be demanding and most of the solutions found so far are restricted in the sense that they either find a collision free geometric path ignoring robot dynamics or they co...     »

Die Planung von Bewegungen ist eine der wichtigsten Aufgaben eines autonomen Robotersystems. In der Robotik-Forschung ist daher die Bewegungsplanung eines der Hauptthemen, und es wurden in den vergangenen Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen, flexible Planungsverfahren zu entwickeln. Die dabei zu lösenden Probleme erwiesen sich als anspruchsvoll, und die meisten der existierenden Ansätze beschränken sich entweder auf das Finden von kollisionsfreien geometrischen Bahnen ohne Berücksichtigung der Roboterdynamik, oder die Berechnung einer Zeit- oder Energie optimalen Trajektorie ohne Berücksichtigung von Hindernissen. Der Vorteil eines Bewegungsplaners, der sowohl die Hindernisse im Raum als auch die Einhaltung der dynamischen Grenzen des Roboters beachtet, liegt auf der Hand. Durch den Einbezug der Zeit wird es möglich, Trajektorien zu berechnen, die sowohl kollisionsfrei sind, als auch die Dynamik des Roboters berücksichtigen. Hinzu kommt, dass es mit einem solchen Bewegungsplaner möglich wird, zeitvariante Hindernisse in den Planungsvorgang miteinzubeziehen. Diese Hindernisse haben die Eigenschaft, dass ihr Aufenthaltsort sich mit der Zeit ändert (zu jedem Zeitpunkt aber bekannt ist). Dies trifft zum Beispiel auf Szenarien zu, wie sie aus der Automobilindustrie bekannt sind. Man denke dabei an einen Roboter am Fließband, auf dem sich Werkstücke bewegen. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches Verfahren zur Planung von Roboterbewegungen vorgestellt. Der zugrundeliegende Bewegungsplaner bezieht Roboterdynamik und zeitvariante Hindernisse in den Planungsprozess mit ein. Eine weitere Besonderheit des vorgestellten Verfahrens ist, dass die Trajektorienerzeugung vom eigentlichen Planungsvorgang entkoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass der Planungsvorgang über verschiedene Trajektorientypen ablaufen kann. Seien das nun Punkt-zu-Punkt Bewegungen oder überschliffene Bahnen, oder auch spezielle Trajektorien für nichtholonome Roboter. Die Planung selbst findet nur über Stützpunkte statt, die erlaubte Bereiche für die Trajektorie definieren. Durch das Modifizieren der Position und der Anzahl der Stützpunkte wird der erlaubte Trajektorienbereich und damit auch die Trajektorie selbst verändert. Um den Fortgang der Planung zu beurteilen, werden verschiedene Kriterien eingeführt, nach denen die generierte Trajektorie bewertet wird. Besonderen Augenmerk legen wir hierbei auf Kollisionsfreiheit und die dynamischen Randbedingungen, da eine Einhaltung dieser Kriterien als vorrangig anzusehen ist. Bei einer Bewegungsplanung mit zeitvarianten Hindernissen ist ein wichtiger Bestandteil die Erkennung von Kollisionen des Roboters. Wir erweitern dazu ein bestehendes Verfahren um die Möglichkeit der Kollisionserkennung in zeitvarianten Umgebungen, und stellen einen Algorithmus vor, der neben der eigentlichen Erkennung von Kollisionen auch noch unmittelbar eine Bewertung der Kollisionstiefe erlaubt.     «

Die Planung von Bewegungen ist eine der wichtigsten Aufgaben eines autonomen Robotersystems. In der Robotik-Forschung ist daher die Bewegungsplanung eines der Hauptthemen, und es wurden in den vergangenen Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen, flexible Planungsverfahren zu entwickeln. Die dabei zu lösenden Probleme erwiesen sich als anspruchsvoll, und die meisten der existierenden Ansätze beschränken sich entweder auf das Finden von kollisionsfreien geometrischen Bahnen ohne Berücksichtigu...     »