Performance Factors in Neurosurgical Simulation and Augmented Reality Image Guidance

Virtual reality surgical simulators have seen widespread adoption in an effort to provide safe, cost-effective and realistic practice of surgical skills. However, the majority of these simulators focus on training low-level technical skills, providing only prototypical surgical cases. For many complex procedures, this approach is deficient in representing anatomical variations that present clinically, failing to challenge users’ higher-level cognitive skills important for navigation and targeting. Surgical simulators offer the means to not only simulate any case conceivable, but to test novel approaches and examine factors that influence performance. Unfortunately, there is a void in the literature surrounding these questions. This thesis was motivated by the need to expand the role of surgical simulators to provide users with clinically relevant scenarios and evaluate human performance in relation to image guidance technologies, patient-specific anatomy, and cognitive abilities. To this end, various tools and methodologies were developed to examine cognitive abilities and knowledge, simulate procedures, and guide complex interventions all within a neurosurgical context. The first chapter provides an introduction to the material. The second chapter describes the development and evaluation of a virtual anatomical training and examination tool. The results suggest that learning occurs and that spatial reasoning ability is an important performance predictor, but subordinate to anatomical knowledge. The third chapter outlines development of automation tools to enable efficient simulation studies and data management. In the fourth chapter, subjects perform abstract targeting tasks on ellipsoid targets with and without augmented reality guidance. While the guidance tool improved accuracy, performance with the tool was strongly tied to target depth estimation – an important consideration for implementation and training with similar guidance tools. In the fifth chapter, neurosurgically experienced subjects were recruited to perform simulated ventriculostomies. Results showed anatomical variations influence performance and could impact outcome. Augmented reality guidance showed no marked improvement in performance, but exhibited a mild learning curve, indicating that additional training may be warranted. The final chapter summarizes the work presented. Our results and novel evaluative methodologies lay the groundwork for further investigation into simulators as versatile research tools to explore performance factors in simulated surgical procedures

Place and Object Recognition for Real-time Visual Mapping

Este trabajo aborda dos de las principales dificultades presentes en los sistemas actuales de localización y creación de mapas de forma simultánea (del inglés Simultaneous Localization And Mapping, SLAM): el reconocimiento de lugares ya visitados para cerrar bucles en la trajectoria y crear mapas precisos, y el reconocimiento de objetos para enriquecer los mapas con estructuras de alto nivel y mejorar la interación entre robots y personas. En SLAM visual, las características que se extraen de las imágenes de una secuencia de vídeo se van acumulando con el tiempo, haciendo más laboriosos dos de los aspectos de la detección de bucles: la eliminación de los bucles incorrectos que se detectan entre lugares que tienen una apariencia muy similar, y conseguir un tiempo de ejecución bajo y factible en trayectorias largas. En este trabajo proponemos una técnica basada en vocabularios visuales y en bolsas de palabras para detectar bucles de manera robusta y eficiente, centrándonos en dos ideas principales: 1) aprovechar el origen secuencial de las imágenes de vídeo, y 2) hacer que todo el proceso pueda funcionar a frecuencia de vídeo. Para beneficiarnos del origen secuencial de las imágenes, presentamos una métrica de similaridad normalizada para medir el parecido entre imágenes e incrementar la distintividad de las detecciones correctas. A su vez, agrupamos los emparejamientos de imágenes candidatas a ser bucle para evitar que éstas compitan cuando realmente fueron tomadas desde el mismo lugar. Finalmente, incorporamos una restricción temporal para comprobar la coherencia entre detecciones consecutivas. La eficiencia se logra utilizando índices inversos y directos y características binarias. Un índice inverso acelera la comparación entre imágenes de lugares, y un índice directo, el cálculo de correspondencias de puntos entre éstas. Por primera vez, en este trabajo se han utilizado características binarias para detectar bucles, dando lugar a una solución viable incluso hasta para decenas de miles de imágenes. Los bucles se verifican comprobando la coherencia de la geometría de las escenas emparejadas. Para ello utilizamos varios métodos robustos que funcionan tanto con una como con múltiples cámaras. Presentamos resultados competitivos y sin falsos positivos en distintas secuencias, con imágenes adquiridas tanto a alta como a baja frecuencia, con cámaras frontales y laterales, y utilizando el mismo vocabulario y la misma configuración. Con descriptores binarios, el sistema completo requiere 22 milisegundos por imagen en una secuencia de 26.300 imágenes, resultando un orden de magnitud más rápido que otras técnicas actuales. Se puede utilizar un algoritmo similar al de reconocimiento de lugares para resolver el reconocimiento de objetos en SLAM visual. Detectar objetos en este contexto es particularmente complicado debido a que las distintas ubicaciones, posiciones y tamaños en los que se puede ver un objeto en una imagen son potencialmente infinitos, por lo que suelen ser difíciles de distinguir. Además, esta complejidad se multiplica cuando la comparación ha de hacerse contra varios objetos 3D. Nuestro esfuerzo en este trabajo está orientado a: 1) construir el primer sistema de SLAM visual que puede colocar objectos 3D reales en el mapa, y 2) abordar los problemas de escalabilidad resultantes al tratar con múltiples objetos y vistas de éstos. En este trabajo, presentamos el primer sistema de SLAM monocular que reconoce objetos 3D, los inserta en el mapa y refina su posición en el espacio 3D a medida que el mapa se va construyendo, incluso cuando los objetos dejan de estar en el campo de visión de la cámara. Esto se logra en tiempo real con modelos de objetos compuestos por información tridimensional y múltiples imágenes representando varios puntos de vista del objeto. Después nos centramos en la escalabilidad de la etapa del reconocimiento de los objetos 3D. Presentamos una técnica rápida para segmentar imágenes en regiones de interés para detectar objetos pequeños o lejanos. Tras ello, proponemos sustituir el modelo de objetos de vistas independientes por un modelado con una única bolsa de palabras de características binarias asociadas a puntos 3D. Creamos también una base de datos que incorpora índices inversos y directos para aprovechar sus ventajas a la hora de recuperar rápidamente tanto objetos candidatos a ser detectados como correspondencias de puntos, tal y como hacían en el caso de la detección de bucles. Los resultados experimentales muestran que nuestro sistema funciona en tiempo real en un entorno de escritorio con cámara en mano y en una habitación con una cámara montada sobre un robot autónomo. Las mejoras en el proceso de reconocimiento obtienen resultados satisfactorios, sin detecciones erróneas y con un tiempo de ejecución medio de 28 milisegundos por imagen con una base de datos de 20 objetos 3D

Visual Perception For Robotic Spatial Understanding

Humans understand the world through vision without much effort. We perceive the structure, objects, and people in the environment and pay little direct attention to most of it, until it becomes useful. Intelligent systems, especially mobile robots, have no such biologically engineered vision mechanism to take for granted. In contrast, we must devise algorithmic methods of taking raw sensor data and converting it to something useful very quickly. Vision is such a necessary part of building a robot or any intelligent system that is meant to interact with the world that it is somewhat surprising we don\u27t have off-the-shelf libraries for this capability. Why is this? The simple answer is that the problem is extremely difficult. There has been progress, but the current state of the art is impressive and depressing at the same time. We now have neural networks that can recognize many objects in 2D images, in some cases performing better than a human. Some algorithms can also provide bounding boxes or pixel-level masks to localize the object. We have visual odometry and mapping algorithms that can build reasonably detailed maps over long distances with the right hardware and conditions. On the other hand, we have robots with many sensors and no efficient way to compute their relative extrinsic poses for integrating the data in a single frame. The same networks that produce good object segmentations and labels in a controlled benchmark still miss obvious objects in the real world and have no mechanism for learning on the fly while the robot is exploring. Finally, while we can detect pose for very specific objects, we don\u27t yet have a mechanism that detects pose that generalizes well over categories or that can describe new objects efficiently. We contribute algorithms in four of the areas mentioned above. First, we describe a practical and effective system for calibrating many sensors on a robot with up to 3 different modalities. Second, we present our approach to visual odometry and mapping that exploits the unique capabilities of RGB-D sensors to efficiently build detailed representations of an environment. Third, we describe a 3-D over-segmentation technique that utilizes the models and ego-motion output in the previous step to generate temporally consistent segmentations with camera motion. Finally, we develop a synthesized dataset of chair objects with part labels and investigate the influence of parts on RGB-D based object pose recognition using a novel network architecture we call PartNet

Le nuage de point intelligent

Discrete spatial datasets known as point clouds often lay the groundwork for decision-making applications. E.g., we can use such data as a reference for autonomous cars and robot’s navigation, as a layer for floor-plan’s creation and building’s construction, as a digital asset for environment modelling and incident prediction... Applications are numerous, and potentially increasing if we consider point clouds as digital reality assets. Yet, this expansion faces technical limitations mainly from the lack of semantic information within point ensembles. Connecting knowledge sources is still a very manual and time-consuming process suffering from error-prone human interpretation. This highlights a strong need for domain-related data analysis to create a coherent and structured information. The thesis clearly tries to solve automation problematics in point cloud processing to create intelligent environments, i.e. virtual copies that can be used/integrated in fully autonomous reasoning services. We tackle point cloud questions associated with knowledge extraction – particularly segmentation and classification – structuration, visualisation and interaction with cognitive decision systems. We propose to connect both point cloud properties and formalized knowledge to rapidly extract pertinent information using domain-centered graphs. The dissertation delivers the concept of a Smart Point Cloud (SPC) Infrastructure which serves as an interoperable and modular architecture for a unified processing. It permits an easy integration to existing workflows and a multi-domain specialization through device knowledge, analytic knowledge or domain knowledge. Concepts, algorithms, code and materials are given to replicate findings and extend current applications.Les ensembles discrets de données spatiales, appelés nuages de points, forment souvent le support principal pour des scénarios d’aide à la décision. Par exemple, nous pouvons utiliser ces données comme référence pour les voitures autonomes et la navigation des robots, comme couche pour la création de plans et la construction de bâtiments, comme actif numérique pour la modélisation de l'environnement et la prédiction d’incidents... Les applications sont nombreuses et potentiellement croissantes si l'on considère les nuages de points comme des actifs de réalité numérique. Cependant, cette expansion se heurte à des limites techniques dues principalement au manque d'information sémantique au sein des ensembles de points. La création de liens avec des sources de connaissances est encore un processus très manuel, chronophage et lié à une interprétation humaine sujette à l'erreur. Cela met en évidence la nécessité d'une analyse automatisée des données relatives au domaine étudié afin de créer une information cohérente et structurée. La thèse tente clairement de résoudre les problèmes d'automatisation dans le traitement des nuages de points pour créer des environnements intelligents, c'est-àdire des copies virtuelles qui peuvent être utilisées/intégrées dans des services de raisonnement totalement autonomes. Nous abordons plusieurs problématiques liées aux nuages de points et associées à l'extraction des connaissances - en particulier la segmentation et la classification - la structuration, la visualisation et l'interaction avec les systèmes cognitifs de décision. Nous proposons de relier à la fois les propriétés des nuages de points et les connaissances formalisées pour extraire rapidement les informations pertinentes à l'aide de graphes centrés sur le domaine. La dissertation propose le concept d'une infrastructure SPC (Smart Point Cloud) qui sert d'architecture interopérable et modulaire pour un traitement unifié. Elle permet une intégration facile aux flux de travail existants et une spécialisation multidomaine grâce aux connaissances liée aux capteurs, aux connaissances analytiques ou aux connaissances de domaine. Plusieurs concepts, algorithmes, codes et supports sont fournis pour reproduire les résultats et étendre les applications actuelles.Diskrete räumliche Datensätze, so genannte Punktwolken, bilden oft die Grundlage für Entscheidungsanwendungen. Beispielsweise können wir solche Daten als Referenz für autonome Autos und Roboternavigation, als Ebene für die Erstellung von Grundrissen und Gebäudekonstruktionen, als digitales Gut für die Umgebungsmodellierung und Ereignisprognose verwenden... Die Anwendungen sind zahlreich und nehmen potenziell zu, wenn wir Punktwolken als Digital Reality Assets betrachten. Allerdings stößt diese Erweiterung vor allem durch den Mangel an semantischen Informationen innerhalb von Punkt-Ensembles auf technische Grenzen. Die Verbindung von Wissensquellen ist immer noch ein sehr manueller und zeitaufwendiger Prozess, der unter fehleranfälliger menschlicher Interpretation leidet. Dies verdeutlicht den starken Bedarf an domänenbezogenen Datenanalysen, um eine kohärente und strukturierte Information zu schaffen. Die Arbeit versucht eindeutig, Automatisierungsprobleme in der Punktwolkenverarbeitung zu lösen, um intelligente Umgebungen zu schaffen, d.h. virtuelle Kopien, die in vollständig autonome Argumentationsdienste verwendet/integriert werden können. Wir befassen uns mit Punktwolkenfragen im Zusammenhang mit der Wissensextraktion - insbesondere Segmentierung und Klassifizierung - Strukturierung, Visualisierung und Interaktion mit kognitiven Entscheidungssystemen. Wir schlagen vor, sowohl Punktwolkeneigenschaften als auch formalisiertes Wissen zu verbinden, um schnell relevante Informationen mithilfe von domänenzentrierten Grafiken zu extrahieren. Die Dissertation liefert das Konzept einer Smart Point Cloud (SPC) Infrastruktur, die als interoperable und modulare Architektur für eine einheitliche Verarbeitung dient. Es ermöglicht eine einfache Integration in bestehende Workflows und eine multidimensionale Spezialisierung durch Gerätewissen, analytisches Wissen oder Domänenwissen. Konzepte, Algorithmen, Code und Materialien werden zur Verfügung gestellt, um Erkenntnisse zu replizieren und aktuelle Anwendungen zu erweitern

Learning to Complete 3D Scenes from Single Depth Images

Building a complete 3D model of a scene given only a single depth image is underconstrained. To acquire a full volumetric model, one typically needs either multiple views, or a single view together with a library of unambiguous 3D models that will fit the shape of each individual object in the scene. In this thesis, we present alternative methods for inferring the hidden geometry of table-top scenes. We first introduce two depth-image datasets consisting of multiple scenes, each with a ground truth voxel occupancy grid. We then introduce three methods for predicting voxel occupancy. The first predicts the occupancy of each voxel using a novel feature vector which measures the relationship between the query voxel and surfaces in the scene observed by the depth camera. We use a Random Forest to map each voxel of unknown state to a prediction of occupancy. We observed that predicting the occupancy of each voxel independently can lead to noisy solutions. We hypothesize that objects of dissimilar semantic classes often share similar 3D shape components, enabling a limited dataset to model the shape of a wide range of objects, and hence estimate their hidden geometry. Demonstrating this hypothesis, we propose an algorithm that can make structured completions of unobserved geometry. Finally, we propose an alternative framework for understanding the 3D geometry of scenes using the observation that individual objects can appear in multiple different scenes, but in different configurations. We introduce a supervised method to find regions corresponding to the same object across different scenes. We demonstrate that it is possible to then use these groupings of partially observed objects to reconstruct missing geometry. We then perform a critical review of the approaches we have taken, including an assessment of our metrics and datasets, before proposing extensions and future work

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. lt will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet. Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum Testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der Änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind

Grouping Uncertain Oriented Projective Geometric Entities with Application to Automatic Building Reconstruction

The fully automatic reconstruction of 3d scenes from a set of 2d images has always been a key issue in photogrammetry and computer vision and has not been solved satisfactory so far. Most of the current approaches match features between the images based on radiometric cues followed by a reconstruction using the image geometry. The motivation for this work is the conjecture that in the presence of highly redundant data it should be possible to recover the scene structure by grouping together geometric primitives in a bottom-up manner. Oriented projective geometry will be used throughout this work, which allows to represent geometric primitives, such as points, lines and planes in 2d and 3d space as well as projective cameras, together with their uncertainty. The first major contribution of the work is the use of uncertain oriented projective geometry, rather than uncertain projective geometry, that enables the representation of more complex compound entities, such as line segments and polygons in 2d and 3d space as well as 2d edgels and 3d facets. Within the uncertain oriented projective framework a procedure is developed, which allows to test pairwise relations between the various uncertain oriented projective entities. Again, the novelty lies in the possibility to check relations between the novel compound entities. The second major contribution of the work is the development of a data structure, specifically designed to enable performing the tests between large numbers of entities in an efficient manner. Being able to efficiently test relations between the geometric entities, a framework for grouping those entities together is developed. Various different grouping methods are discussed. The third major contribution of this work is the development of a novel grouping method that by analyzing the entropy change incurred by incrementally adding observations into an estimation is able to balance efficiency against robustness in order to achieve better grouping results. Finally the applicability of the proposed representations, tests and grouping methods for the task of purely geometry based building reconstruction from oriented aerial images is demonstrated. It will be shown that in the presence of highly redundant datasets it is possible to achieve reasonable reconstruction results by grouping together geometric primitives.Gruppierung unsicherer orientierter projektiver geometrischer Elemente mit Anwendung in der automatischen Gebäuderekonstruktion Die vollautomatische Rekonstruktion von 3D Szenen aus einer Menge von 2D Bildern war immer ein Hauptanliegen in der Photogrammetrie und Computer Vision und wurde bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die meisten aktuellen Ansätze ordnen Merkmale zwischen den Bildern basierend auf radiometrischen Eigenschaften zu. Daran schließt sich dann eine Rekonstruktion auf der Basis der Bildgeometrie an. Die Motivation für diese Arbeit ist die These, dass es möglich sein sollte, die Struktur einer Szene durch Gruppierung geometrischer Primitive zu rekonstruieren, falls die Eingabedaten genügend redundant sind. Orientierte projektive Geometrie wird in dieser Arbeit zur Repräsentation geometrischer Primitive, wie Punkten, Linien und Ebenen in 2D und 3D sowie projektiver Kameras, zusammen mit ihrer Unsicherheit verwendet.Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Verwendung unsicherer orientierter projektiver Geometrie, anstatt von unsicherer projektiver Geometrie, welche die Repräsentation von komplexeren zusammengesetzten Objekten, wie Liniensegmenten und Polygonen in 2D und 3D sowie 2D Edgels und 3D Facetten, ermöglicht. Innerhalb dieser unsicheren orientierten projektiven Repräsentation wird ein Verfahren zum testen paarweiser Relationen zwischen den verschiedenen unsicheren orientierten projektiven geometrischen Elementen entwickelt. Dabei liegt die Neuheit wieder in der Möglichkeit, Relationen zwischen den neuen zusammengesetzten Elementen zu prüfen. Der zweite Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Datenstruktur, welche speziell auf die effiziente Prüfung von solchen Relationen zwischen vielen Elementen ausgelegt ist. Die Möglichkeit zur effizienten Prüfung von Relationen zwischen den geometrischen Elementen erlaubt nun die Entwicklung eines Systems zur Gruppierung dieser Elemente. Verschiedene Gruppierungsmethoden werden vorgestellt. Der dritte Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Gruppierungsmethode, die durch die Analyse der änderung der Entropie beim Hinzufügen von Beobachtungen in die Schätzung Effizienz und Robustheit gegeneinander ausbalanciert und dadurch bessere Gruppierungsergebnisse erzielt. Zum Schluss wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Repräsentationen, Tests und Gruppierungsmethoden für die ausschließlich geometriebasierte Gebäuderekonstruktion aus orientierten Luftbildern demonstriert. Es wird gezeigt, dass unter der Annahme von hoch redundanten Datensätzen vernünftige Rekonstruktionsergebnisse durch Gruppierung von geometrischen Primitiven erzielbar sind

Functional Autonomy Techniques for Manipulation in Uncertain Environments

As robotic platforms are put to work in an ever more diverse array of environments, their ability to deploy visuomotor capabilities without supervision is complicated by the potential for unforeseen operating conditions. This is a particular challenge within the domain of manipulation, where significant geometric, semantic, and kinetic understanding across the space of possible manipulands is necessary to allow effective interaction. To facilitate adoption of robotic platforms in such environments, this work investigates the application of functional, or behavior level, autonomy to the task of manipulation in uncertain environments. Three functional autonomy techniques are presented to address subproblems within the domain. The task of reactive selection between a set of actions that incur a probabilistic cost to advance the same goal metric in the presence of an operator action preference is formulated as the Obedient Multi-Armed Bandit (OMAB) problem, under the purview of Reinforcement Learning. A policy for the problem is presented and evaluated against a novel performance metric, disappointment (analogous to prototypical MAB's regret), in comparison to adaptations of existing MAB policies. This is posed for both stationary and non-stationary cost distributions, within the context of two example planetary exploration applications of multi-modal mobility, and surface excavation. Second, a computational model that derives semantic meaning from the outcome of manipulation tasks is developed, which leverages physics simulation and clustering to learn symbolic failure modes. A deep network extracts visual signatures for each mode that may then guide failure recovery. The model is demonstrated through application to the archetypal manipulation task of placing objects into a container, as well as stacking of cuboids, and evaluated against both synthetic verification sets and real depth images. Third, an approach is presented for visual estimation of the minimum magnitude grasping wrench necessary to extract massive objects from an unstructured pile, subject to a given end effector's grasping limits, that is formulated for each object as a "wrench space stiction manifold". Properties are estimated from segmented RGBD point clouds, and a geometric adjacency graph used to infer incident wrenches upon each object, allowing candidate extraction object/force-vector pairs to be selected from the pile that are likely to be within the system's capability.</p