Manipulación y posicionamiento de objetos desconocidos por parte de un robot autónomo

Abstract

Para investigación en el área de robótica autónoma, el Laboratorio RyCh (Robótica y Computación en Chile) del Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Chile dispone del robot PR2, que provee de una plataforma completa para implementación y testeo de algoritmos orientados a solucionar problemas de este ámbito. Una de las materias altamente estudiadas globalmente es el de la capacidad de manipulación de los robots en ambientes cotidianos, con mínima o nula intervención humana sobre las acciones del robot en el proceso. El presente trabajo de memoria aborda el problema de placing (posicionamiento) autónomo de objetos, para entregar así al robot PR2 una funcionalidad hasta ahora ausente y de alta utilidad. Para lograr este cometido, se llevó a cabo en una primera etapa un proceso de investigación sobre el tema y las herramientas a utilizar, para luego pasar a las etapas de diseño, implementación y testeo de una solución computacional que resuelva este problema. Específicamente, en las primeras etapas del trabajo, se investigó acerca de la constitución lógica y física del robot, sobre sus alcances y limitaciones y estándares para el trabajo con esta plataforma. Paralelamente, se trabajó sobre el robot a modo de corroboración de los conceptos aprendidos y se destinó una gran parte del tiempo a realizar indagaciones acerca de trabajos similares realizados sobre este y otros sistemas robóticos autónomos. A continuación se analizó a fondo el problema a resolver, pudiendo así identificar sus posibles aristas y acotar el trabajo realizable con los recursos disponibles, llegando a la definición exacta de lo que se busca desarrollar: Un algoritmo de posicionamiento de objetos desconocidos en superficies planas para el robot PR2. Se prosiguió con el diseño, implementación y testeo de los cinco módulos principales de la solución: Modelamiento del objeto, Cálculo de Pose Estable, Búsqueda de Superficie, Desplazamiento hacia Superficie y Posicionamiento cuyas subcomponentes funcionales formaron la estructura total del software, dando origen a mecanismos de control motriz del robot y a algoritmos específicos para escaneo tridimensional de objetos en una tenaza del robot, detección de superficie de apoyo estable óptima para objetos de diversas geometrías, búsqueda autónoma de una superficie adecuadas para posicionamiento basada en segmentación y traducción de pose estable del objeto a posiciones de la tenaza que lo sostiene, entre otros. Se creó también un módulo preliminar: Preparación del Robot, para llevar al PR2 al estado inicial de posicionamiento de objeto. El desarrollo de estas componentes se realizó de forma independiente, testeando y ajustando parámetros de cada algoritmo. La unificación de todas estas partes dio origen finalmente al programa completo de placing , que resultó en el posicionamiento exitoso de objetos de diversa complejidad geométrica. Los casos fallidos se deben casi exclusivamente a la mala elección del espacio en la superficie utilizada. Se ofrece al final del documento detalles y análisis sobre su aplicación en diversos casos de estudio, mostrando sus fortalezas en la estimación de estabilidad, y debilidades en elección de superficies de posicionamiento. Mejoras al programa son propuestas luego en la sección Trabajo Futuro. El trabajo permitió entender mejor el modo de desarrollo actual para la robótica y en este proceso sentó las bases para la entrega de un sistema funcional.