Nalezení optimální kinematické struktury robotického manipulátoru pro danou úlohu

Abstract

Disertační práce se zaměřuje na vývoj metod pro návrh a optimalizaci kinematické struktury robotických manipulátorů přizpůsobené specifickým požadavkům úlohy. Cílem je vyvinout ucelenou metodiku, která umožní návrh vhodné konfigurace manipulátoru tak, aby byla zajištěna dosažitelnost cílových pozic a respektována mechanická omezení. Součástí řešení je i optimalizace polohy základny manipulátoru v pracovním prostoru. Navržený přístup integruje návrh kinematické struktury s plánováním pohybu. Proces zahrnuje generování kandidátních struktur pomocí genetického algoritmu a následné ověření jejich schopnosti dosáhnout zadaných póz v prostředí s překážkami. Výpočet zahrnuje nejen dosažitelnost, ale i kolizní stavy mezi jednotlivými částmi manipulátoru a objekty v prostředí. Geometrie robotu je modelována s využitím kapslové reprezentace, která umožňuje efektivní detekci kolizí. Pro plánování dráhy mezi počáteční a cílovou konfigurací je využit algoritmus Rapidly exploring Random Tree (RRT). Nalezená diskrétní dráha je dále upravena a využita jako základ pro generování spojité trajektorie. Plánování trajektorie je formulováno jako vícekriteriální optimalizační úloha, která zohledňuje jak celkovou dobu pohybu, tak plynulost pohybu vyjádřenou minimalizací ryvu. Výsledkem je časový průběh kloubových proměnných, který splňuje předem definovaná omezení na polohu, rychlost a zrychlení. Časová parametrizace je provedena s využitím polynomů pátého stupně. Práce přináší metodiku, která propojuje konstrukční a pohybové aspekty návrhu manipulátoru v jednotném optimalizačním rámci. Navržený přístup je ověřen na sérii experimentálních scénářů, ve kterých je simulován pohyb manipulátoru mezi dvěma definovanými pózami v prostředí s pevně danými překážkami.

This dissertation focuses on the development of methods for the design and optimization of the kinematic structure of robotic manipulators tailored to the specific requirements of a given task. The main objective is to establish a comprehensive methodology that enables the generation of a suitable manipulator configuration ensuring reachability of the target poses while respecting mechanical constraints. The solution also includes optimization of the base position within the workspace. The proposed approach integrates kinematic structure design with motion planning in a unified optimization framework. Candidate configurations are generated using a genetic algorithm and evaluated for their ability to reach the defined poses in an environment containing obstacles. The evaluation considers not only reachability but also possible collisions between robot links and external objects. The manipulator geometry is modeled using a capsule representation, which allows for efficient collision detection. Path planning between the initial and target configurations is performed using the Rapidlyexploring Random Tree (RRT) algorithm. The resulting discrete path is subsequently simplified and used as the basis for generating a continuous trajectory. Trajectory planning is formulated as a multi-objective optimization problem that considers both total motion time and motion smoothness, expressed by minimizing jerk. The result is a time-parametrized profile of joint variables that satisfies predefined limits on position, velocity, and acceleration. The time profile is generated using quintic polynomials with boundary conditions applied at all waypoints. The proposed methodology links structural and motion planning aspects into a single coherent process. It is validated through a set of experimental scenarios involving motion between two defined poses in an environment with fixed obstacles. The results demonstrate that the approach provides feasible and efficient solutions without the need for manual intervention in the design or planning stages.