Robot Autonomy for Surgery

Autonomous surgery involves having surgical tasks performed by a robot operating under its own will, with partial or no human involvement. There are several important advantages of automation in surgery, which include increasing precision of care due to sub-millimeter robot control, real-time utilization of biosignals for interventional care, improvements to surgical efficiency and execution, and computer-aided guidance under various medical imaging and sensing modalities. While these methods may displace some tasks of surgical teams and individual surgeons, they also present new capabilities in interventions that are too difficult or go beyond the skills of a human. In this chapter, we provide an overview of robot autonomy in commercial use and in research, and present some of the challenges faced in developing autonomous surgical robots

Assistive robotics: research challenges and ethics education initiatives

Assistive robotics is a fast growing field aimed at helping healthcarers in hospitals, rehabilitation centers and nursery homes, as well as empowering people with reduced mobility at home, so that they can autonomously fulfill their daily living activities. The need to function in dynamic human-centered environments poses new research challenges: robotic assistants need to have friendly interfaces, be highly adaptable and customizable, very compliant and intrinsically safe to people, as well as able to handle deformable materials. Besides technical challenges, assistive robotics raises also ethical defies, which have led to the emergence of a new discipline: Roboethics. Several institutions are developing regulations and standards, and many ethics education initiatives include contents on human-robot interaction and human dignity in assistive situations. In this paper, the state of the art in assistive robotics is briefly reviewed, and educational materials from a university course on Ethics in Social Robotics and AI focusing on the assistive context are presented.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

The 1990 progress report and future plans

This document describes the progress and plans of the Artificial Intelligence Research Branch (RIA) at ARC in 1990. Activities span a range from basic scientific research to engineering development and to fielded NASA applications, particularly those applications that are enabled by basic research carried out at RIA. Work is conducted in-house and through collaborative partners in academia and industry. Our major focus is on a limited number of research themes with a dual commitment to technical excellence and proven applicability to NASA short, medium, and long-term problems. RIA acts as the Agency's lead organization for research aspects of artificial intelligence, working closely with a second research laboratory at JPL and AI applications groups at all NASA centers

Adapting robot behavior to user preferences in assistive scenarios

Robotic assistants have inspired numerous books and science fiction movies. In the real world, these kinds of devices are a growing need in amongst the elderly, who while life continue requiring more assistance. While life expectancy is increasing, life quality is not necessarily doing so. Thus, we may find ourselves and our loved ones being dependent and needing another person to perform the most basic tasks, which has a strong psychological impact. Accordingly, assistive robots may be the definitive tool to give more quality of life by empowering dependent people and extending their independent living. Assisting users to perform daily activities requires adapting to them and their needs, as they might not be able to adapt to the robot. This thesis tackles adaptation and personalization issues through user preferences. We 'focus on physical tasks that involve close contact, as these present interesting challenges, and are of great importance for he user. Therefore, three tasks are mainly used throughout the thesis: assistive feeding, shoe fitting, and jacket dressing. We first describe a framework for robot behavior adaptation that illustrates how robots should be personalized for and by end- users or their assistants. Using this framework, non-technical users determine how !he robot should behave. Then, we define the concept of preference for assistive robotics scenarios and establish a taxonomy, which includes hierarchies and groups of preferences, grounding definitions and concepts. We then show how the preferences in the taxonomy are used with Al planning systems to adapt the robot behavior to the preferences of the user obtained from simple questions. Our algorithms allow for long-term adaptations as well as to cope with misinformed user models. We further integrate the methods with low-level motion primitives that provide a more robust adaptation and behavior while lowering the number of needed actions and demonstrations. Moreover, we perform a deeper analysis in Planning and preferences with the introduction of new algorithms to provide preference suggestions in planning domains. The thesis then concludes with a user study that evaluates the use of the preferences in the three real assistive robotics scenarios. The experiments show a clear understanding of the preferences of users, who were able to assess the impact of their preferences on the behavior of the robot. In summary, we provide tools and algorithms to design the robotic assistants of the future. Assistants that should be able to adapt to the assisted user needs and preferences, just as human assistants do nowadays.Els assistents robòtics han inspirat nombrosos llibres i pel·lícules de ciència-ficció al llarg de la història. Però tornant al món real, aquest tipus de dispositius s'estan tornant una necessitat per a una societat que envelleix a un ritme ràpid i que, per tant, requerirà més i més assistència. Mentre l'esperança de vida augmenta, la qualitat de vida no necessàriament ho fa. Per tant, ens podem trobar a nosaltres mateixos i als nostres estimats en una situació de dependència, necessitant una altra persona per poder fer les tasques més bàsiques, cosa que té un gran impacte psicològic. En conseqüència, els robots assistencials poden ser l'eina definitiva per proporcionar una millor qualitat de vida empoderant els usuaris i allargant la seva capacitat de viure independentment. L'assistència a persones per realitzar tasques diàries requereix adaptar-se a elles i les seves necessitats, donat que aquests usuaris no poden adaptar-se al robot. En aquesta tesi, abordem el problema de l'adaptació i la personalització d'un robot mitjançant preferències de l'usuari. Ens centrem en tasques físiques, que involucren contacte amb la persona, per les seves dificultats i importància per a l'usuari. Per aquest motiu, la tesi utilitzarà principalment tres tasques com a exemple: donar menjar, posar una sabata i vestir una jaqueta. Comencem definint un marc (framework) per a la personalització del comportament del robot que defineix com s'han de personalitzar els robots per usuaris i pels seus assistents. Amb aquest marc, usuaris sense coneixements tècnics són capaços de definir com s'ha de comportar el robot. Posteriorment definim el concepte de preferència per a robots assistencials i establim una taxonomia que inclou jerarquies i grups de preferències, els quals fonamenten les definicions i conceptes. Després mostrem com les preferències de la taxonomia s'utilitzen amb sistemes planificadors amb IA per adaptar el comportament del robot a les preferències de l'usuari, que s'obtenen mitjançant preguntes simples. Els nostres algorismes permeten l'adaptació a llarg termini, així com fer front a models d'usuari mal inferits. Aquests mètodes són integrats amb primitives a baix nivell que proporcionen una adaptació i comportament més robusts a la mateixa vegada que disminueixen el nombre d'accions i demostracions necessàries. També fem una anàlisi més profunda de l'ús de les preferències amb planificadors amb la introducció de nous algorismes per fer suggeriments de preferències en dominis de planificació. La tesi conclou amb un estudi amb usuaris que avalua l'ús de les preferències en les tres tasques assistencials. Els experiments demostren un clar enteniment de les preferències per part dels usuaris, que van ser capaços de discernir quan les seves preferències eren utilitzades. En resum, proporcionem eines i algorismes per dissenyar els assistents robòtics del futur. Uns assistents que haurien de ser capaços d'adaptar-se a les preferències i necessitats de l'usuari que assisteixen, tal com els assistents humans fan avui en dia

Towards a framework for socially interactive robots

250 p.En las últimas décadas, la investigación en el campo de la robótica social ha crecido considerablemente. El desarrollo de diferentes tipos de robots y sus roles dentro de la sociedad se están expandiendo poco a poco. Los robots dotados de habilidades sociales pretenden ser utilizados para diferentes aplicaciones; por ejemplo, como profesores interactivos y asistentes educativos, para apoyar el manejo de la diabetes en niños, para ayudar a personas mayores con necesidades especiales, como actores interactivos en el teatro o incluso como asistentes en hoteles y centros comerciales.El equipo de investigación RSAIT ha estado trabajando en varias áreas de la robótica, en particular,en arquitecturas de control, exploración y navegación de robots, aprendizaje automático y visión por computador. El trabajo presentado en este trabajo de investigación tiene como objetivo añadir una nueva capa al desarrollo anterior, la capa de interacción humano-robot que se centra en las capacidades sociales que un robot debe mostrar al interactuar con personas, como expresar y percibir emociones, mostrar un alto nivel de diálogo, aprender modelos de otros agentes, establecer y mantener relaciones sociales, usar medios naturales de comunicación (mirada, gestos, etc.),mostrar personalidad y carácter distintivos y aprender competencias sociales.En esta tesis doctoral, tratamos de aportar nuestro grano de arena a las preguntas básicas que surgen cuando pensamos en robots sociales: (1) ¿Cómo nos comunicamos (u operamos) los humanos con los robots sociales?; y (2) ¿Cómo actúan los robots sociales con nosotros? En esa línea, el trabajo se ha desarrollado en dos fases: en la primera, nos hemos centrado en explorar desde un punto de vista práctico varias formas que los humanos utilizan para comunicarse con los robots de una maneranatural. En la segunda además, hemos investigado cómo los robots sociales deben actuar con el usuario.Con respecto a la primera fase, hemos desarrollado tres interfaces de usuario naturales que pretenden hacer que la interacción con los robots sociales sea más natural. Para probar tales interfaces se han desarrollado dos aplicaciones de diferente uso: robots guía y un sistema de controlde robot humanoides con fines de entretenimiento. Trabajar en esas aplicaciones nos ha permitido dotar a nuestros robots con algunas habilidades básicas, como la navegación, la comunicación entre robots y el reconocimiento de voz y las capacidades de comprensión.Por otro lado, en la segunda fase nos hemos centrado en la identificación y el desarrollo de los módulos básicos de comportamiento que este tipo de robots necesitan para ser socialmente creíbles y confiables mientras actúan como agentes sociales. Se ha desarrollado una arquitectura(framework) para robots socialmente interactivos que permite a los robots expresar diferentes tipos de emociones y mostrar un lenguaje corporal natural similar al humano según la tarea a realizar y lascondiciones ambientales.La validación de los diferentes estados de desarrollo de nuestros robots sociales se ha realizado mediante representaciones públicas. La exposición de nuestros robots al público en esas actuaciones se ha convertido en una herramienta esencial para medir cualitativamente la aceptación social de los prototipos que estamos desarrollando. De la misma manera que los robots necesitan un cuerpo físico para interactuar con el entorno y convertirse en inteligentes, los robots sociales necesitan participar socialmente en tareas reales para las que han sido desarrollados, para así poder mejorar su sociabilida

Adapting robot behavior to user preferences in assistive scenarios

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el 24 de juliol de 2020Robotic assistants have inspired numerous books and science fiction movies. In the real world, these kinds of devices are a growing need in amongst the elderly, who while life continue requiring more assistance. While life expectancy is increasing, life quality is not necessarily doing so. Thus, we may find ourselves and our loved ones being dependent and needing another person to perform the most basic tasks, which has a strong psychological impact. Accordingly, assistive robots may be the definitive tool to give more quality of life by empowering dependent people and extending their independent living. Assisting users to perform daily activities requires adapting to them and their needs, as they might not be able to adapt to the robot. This thesis tackles adaptation and personalization issues through user preferences. We 'focus on physical tasks that involve close contact, as these present interesting challenges, and are of great importance for he user. Therefore, three tasks are mainly used throughout the thesis: assistive feeding, shoe fitting, and jacket dressing. We first describe a framework for robot behavior adaptation that illustrates how robots should be personalized for and by end- users or their assistants. Using this framework, non-technical users determine how !he robot should behave. Then, we define the concept of preference for assistive robotics scenarios and establish a taxonomy, which includes hierarchies and groups of preferences, grounding definitions and concepts. We then show how the preferences in the taxonomy are used with Al planning systems to adapt the robot behavior to the preferences of the user obtained from simple questions. Our algorithms allow for long-term adaptations as well as to cope with misinformed user models. We further integrate the methods with low-level motion primitives that provide a more robust adaptation and behavior while lowering the number of needed actions and demonstrations. Moreover, we perform a deeper analysis in Planning and preferences with the introduction of new algorithms to provide preference suggestions in planning domains. The thesis then concludes with a user study that evaluates the use of the preferences in the three real assistive robotics scenarios. The experiments show a clear understanding of the preferences of users, who were able to assess the impact of their preferences on the behavior of the robot. In summary, we provide tools and algorithms to design the robotic assistants of the future. Assistants that should be able to adapt to the assisted user needs and preferences, just as human assistants do nowadays.Els assistents robòtics han inspirat nombrosos llibres i pel·lícules de ciència-ficció al llarg de la història. Però tornant al món real, aquest tipus de dispositius s'estan tornant una necessitat per a una societat que envelleix a un ritme ràpid i que, per tant, requerirà més i més assistència. Mentre l'esperança de vida augmenta, la qualitat de vida no necessàriament ho fa. Per tant, ens podem trobar a nosaltres mateixos i als nostres estimats en una situació de dependència, necessitant una altra persona per poder fer les tasques més bàsiques, cosa que té un gran impacte psicològic. En conseqüència, els robots assistencials poden ser l'eina definitiva per proporcionar una millor qualitat de vida empoderant els usuaris i allargant la seva capacitat de viure independentment. L'assistència a persones per realitzar tasques diàries requereix adaptar-se a elles i les seves necessitats, donat que aquests usuaris no poden adaptar-se al robot. En aquesta tesi, abordem el problema de l'adaptació i la personalització d'un robot mitjançant preferències de l'usuari. Ens centrem en tasques físiques, que involucren contacte amb la persona, per les seves dificultats i importància per a l'usuari. Per aquest motiu, la tesi utilitzarà principalment tres tasques com a exemple: donar menjar, posar una sabata i vestir una jaqueta. Comencem definint un marc (framework) per a la personalització del comportament del robot que defineix com s'han de personalitzar els robots per usuaris i pels seus assistents. Amb aquest marc, usuaris sense coneixements tècnics són capaços de definir com s'ha de comportar el robot. Posteriorment definim el concepte de preferència per a robots assistencials i establim una taxonomia que inclou jerarquies i grups de preferències, els quals fonamenten les definicions i conceptes. Després mostrem com les preferències de la taxonomia s'utilitzen amb sistemes planificadors amb IA per adaptar el comportament del robot a les preferències de l'usuari, que s'obtenen mitjançant preguntes simples. Els nostres algorismes permeten l'adaptació a llarg termini, així com fer front a models d'usuari mal inferits. Aquests mètodes són integrats amb primitives a baix nivell que proporcionen una adaptació i comportament més robusts a la mateixa vegada que disminueixen el nombre d'accions i demostracions necessàries. També fem una anàlisi més profunda de l'ús de les preferències amb planificadors amb la introducció de nous algorismes per fer suggeriments de preferències en dominis de planificació. La tesi conclou amb un estudi amb usuaris que avalua l'ús de les preferències en les tres tasques assistencials. Els experiments demostren un clar enteniment de les preferències per part dels usuaris, que van ser capaços de discernir quan les seves preferències eren utilitzades. En resum, proporcionem eines i algorismes per dissenyar els assistents robòtics del futur. Uns assistents que haurien de ser capaços d'adaptar-se a les preferències i necessitats de l'usuari que assisteixen, tal com els assistents humans fan avui en dia.Postprint (published version

a human in the loop cyber physical system for collaborative assembly in smart manufacturing

Abstract Industry 4.0 rose with the introduction of cyber-physical systems (CPS) and Internet of things (IoT) inside manufacturing systems. CPS represent self-controlled physical processes, having tight networking capabilities and efficient interfaces for human interaction. The interactive dimension of CPS reaches its maximum when defined in terms of natural human-machine interfaces (NHMI), i.e., those reducing the technological barriers required for the interaction. This paper presents a NHMI bringing the human decision-making capabilities inside the cybernetic control loop of a smart manufacturing assembly system. The interface allows to control, coordinate and cooperate with an industrial cobot during the task execution