A Motion-Planning System for a Domestic Service Robot

Аннотация

Главным предназначением сервисных роботов является помощь людям в непромышленных средах, таких как дома или офисы. Для достижения своей цели сервисные роботы должны обладать несколькими навыками, например распознавание и манипулирование объектом, обнаружение и распознавание лиц, распознавание и синтез речи, планирование задач и одним из самых важных навыков — навигация в динамических средах. В статье описывается полностью внедренная система планирования движения, которая учитывает все: начиная от алгоритмов движения и планирования пути до пространственного представления и активной навигации на основе поведения. Предлагаемая система реализована в бытовом сервисном роботе под названием «Юстина», конструкция которого основана на робототехнической архитектуре под названием «ViRBot», использующейся для контроля действий виртуальных и реальных роботов, которая охватывает несколько уровней абстракции от низкоуровневого управления до символьного планирования. Мы оценили наш проект как в симулированной, так и в реальной среде и сравнили его с классическими реализациями. Для тестов мы использовали карты, полученные из реальных сред (Лаборатория биороботов и Robocup@Home arena), и карты, созданные из препятствий со случайными положениями и формами. Для сравнения использовалось несколько параметров: общее пройденное расстояние, количество столкновений, количество достигнутых целей и средняя исполнительная скорость. Наш проект значительно улучшился как в реальных, так и в симуляционных тестах. Представлены экспериментальные результаты успешно протестированной системы в контексте конкурса RoboCup@Home.

Abstract

Service robots are intended to help humans in non-industrial environments such as houses or offices. To accomplish their goal, service robots must have several skills such as object recognition and manipulation, face detection and recognition, speech recognition and synthesis, task planning and, one of the most important, navigation in dynamic environments. This paper describes a fully implemented motion-planning system which comprehends from motion and path planning algorithms to spatial representation and behavior-based active navigation. The proposed system is implemented in Justina, a domestic service robot whose design is based on the ViRBot, an architecture to operate virtual and real robots that encompasses serveral layers of abstraction, from low-level control to symbolic planning. We evaluated our proposal both in simulated and real environments and compared it to classical implementations. For the tests, we used maps obtained from real environments (the Biorobotics Laboratory and the Robocup@Home arena) and maps generated from obstacles with random positions and shapes. Several parameters were used for comparison: the total traveled distance, the number of collisions, the number of reached goal points and the average execution speed. Our proposal performed significantly better both in real and simulated tests. Finally, we show our results in the context of the RoboCup@Home competition, where the system was successfully tested.