Planejamento de caminhos suaves e seguros baseados em espuma probabilística para Sistemas Robóticos Autônomos - Nascimento, Luís Bruno Pereira do (2021)
Planejar um caminho para que um robô navegue entre dois pontos em um dado ambiente, sem colidir com obstáculos, é um dos principais problemas no âmbito da robótica autônoma. A busca por caminhos curtos e com um tempo de busca reduzido são características da maioria dos métodos de planejamento, mas para aplicações onde há uma atuação direta com seres humanos, como na robótica assistiva, a garantia de um maior grau de segurança nos movimentos é um requisito fundamental. Nesse contexto, esta tese de doutorado apresenta um conjunto de estratégias para a realização do planejamento de caminhos seguros para robôs autônomos. As estratégias desenvolvidas baseiam-se fundamentalmente nos conceitos do Método da Espuma Probabilística (PFM), um planejador global baseado em amostragem, capaz de gerar caminhos limitados por um conjunto de bolhas conectadas, garantindo assim uma região volumétrica no espaço livre para manobrabilidade segura. O PFM necessita da representação explícita da região de obstáculos no espaço de configurações para computação das bolhas, o que inviabiliza, na prática, sua aplicação para a maioria dos problemas robóticos. Dessa forma, uma nova estratégia para o cálculo das bolhas sem necessitar da computação dos obstáculos no espaço de configurações foi desenvolvida. Além disso, foi realizada uma análise para a diminuição do número de parâmetros do método. A fim de melhorar a qualidade dos caminhos planejados, foram implementadas estratégias de otimização para diminuir o comprimento e aumentar a suavidade do caminho, mantendo a principal característica da abordagem que é a segurança. Foram desenvolvidas novas variantes do PFM com a intenção de explorar diferentes mecanismos para a propagação da espuma, e com isso, garantir o planejamento de caminhos mais curtos, com menor tempo de busca e mais seguros. Para ilustrar as principais linhas de contribuição desta tese, alguns experimentos simulados foram realizados considerando o planejamento para dois robôs assistivos. Como primeiro exemplo, tem-se um exoesqueleto para membros inferiores, com as tarefas de transpor obstáculos, subir e descer um degrau, obtendo assim caminhos suaves e representando movimentos que se aproximam do padrão antropomórfico. Esses resultados ilustraram a capacidade dos métodos baseados em espuma probabilística em planejar caminhos seguros e suaves para robôs com cadeia cinemática, sem a necessidade do cálculo da região de obstáculos. O segundo dispositivo considerado nos experimentos foi um Andador Inteligente, onde foi possível realizar o planejamento de caminhos seguros para um robô sobre rodas, com acionamento diferencial, além de evidenciar alguns aspectos dos caminhos planejados pelos novos métodos desenvolvidos.