Human-Robot Collaboration in Automotive Assembly

In the past decades, automation in the automobile production line has significantly increased the efficiency and quality of automotive manufacturing. However, in the automotive assembly stage, most tasks are still accomplished manually by human workers because of the complexity and flexibility of the tasks and the high dynamic unconstructed workspace. This dissertation is proposed to improve the level of automation in automotive assembly by human-robot collaboration (HRC). The challenges that eluded the automation in automotive assembly including lack of suitable collaborative robotic systems for the HRC, especially the compact-size high-payload mobile manipulators; teaching and learning frameworks to enable robots to learn the assembly tasks, and how to assist humans to accomplish assembly tasks from human demonstration; task-driving high-level robot motion planning framework to make the trained robot intelligently and adaptively assist human in automotive assembly tasks. The technical research toward this goal has resulted in several peer-reviewed publications. Achievements include: 1) A novel collaborative lift-assist robot for automotive assembly; 2) Approaches of vision-based robot learning of placing tasks from human demonstrations in assembly; 3) Robot learning of assembly tasks and assistance from human demonstrations using Convolutional Neural Network (CNN); 4) Robot learning of assembly tasks and assistance from human demonstrations using Task Constraint-Guided Inverse Reinforcement Learning (TC-IRL); 5) Robot learning of assembly tasks from non-expert demonstrations via Functional Objective-Oriented Network (FOON); 6) Multi-model sampling-based motion planning for trajectory optimization with execution consistency in manufacturing contexts. The research demonstrates the feasibility of a parallel mobile manipulator, which introduces novel conceptions to industrial mobile manipulators for smart manufacturing. By exploring the Robot Learning from Demonstration (RLfD) with both AI-based and model-based approaches, the research also improves robots’ learning capabilities on collaborative assembly tasks for both expert and non-expert users. The research on robot motion planning and control in the dissertation facilitates the safety and human trust in industrial robots in HRC

Human-robot interaction and computer-vision-based services for autonomous robots

L'Aprenentatge per Imitació (IL), o Programació de robots per Demostració (PbD), abasta mètodes pels quals un robot aprèn noves habilitats a través de l'orientació humana i la imitació. La PbD s'inspira en la forma en què els éssers humans aprenen noves habilitats per imitació amb la finalitat de desenvolupar mètodes pels quals les noves tasques es poden transferir als robots. Aquesta tesi està motivada per la pregunta genèrica de "què imitar?", Que es refereix al problema de com extreure les característiques essencials d'una tasca. Amb aquesta finalitat, aquí adoptem la perspectiva del Reconeixement d'Accions (AR) per tal de permetre que el robot decideixi el què cal imitar o inferir en interactuar amb un ésser humà. L'enfoc proposat es basa en un mètode ben conegut que prové del processament del llenguatge natural: és a dir, la bossa de paraules (BoW). Aquest mètode s'aplica a grans bases de dades per tal d'obtenir un model entrenat. Encara que BoW és una tècnica d'aprenentatge de màquines que s'utilitza en diversos camps de la investigació, en la classificació d'accions per a l'aprenentatge en robots està lluny de ser acurada. D'altra banda, se centra en la classificació d'objectes i gestos en lloc d'accions. Per tant, en aquesta tesi es demostra que el mètode és adequat, en escenaris de classificació d'accions, per a la fusió d'informació de diferents fonts o de diferents assajos. Aquesta tesi fa tres contribucions: (1) es proposa un mètode general per fer front al reconeixement d'accions i per tant contribuir a l'aprenentatge per imitació; (2) la metodologia pot aplicar-se a grans bases de dades, que inclouen diferents modes de captura de les accions; i (3) el mètode s'aplica específicament en un projecte internacional d'innovació real anomenat Vinbot.El Aprendizaje por Imitación (IL), o Programación de robots por Demostración (PbD), abarca métodos por los cuales un robot aprende nuevas habilidades a través de la orientación humana y la imitación. La PbD se inspira en la forma en que los seres humanos aprenden nuevas habilidades por imitación con el fin de desarrollar métodos por los cuales las nuevas tareas se pueden transferir a los robots. Esta tesis está motivada por la pregunta genérica de "qué imitar?", que se refiere al problema de cómo extraer las características esenciales de una tarea. Con este fin, aquí adoptamos la perspectiva del Reconocimiento de Acciones (AR) con el fin de permitir que el robot decida lo que hay que imitar o inferir al interactuar con un ser humano. El enfoque propuesto se basa en un método bien conocido que proviene del procesamiento del lenguaje natural: es decir, la bolsa de palabras (BoW). Este método se aplica a grandes bases de datos con el fin de obtener un modelo entrenado. Aunque BoW es una técnica de aprendizaje de máquinas que se utiliza en diversos campos de la investigación, en la clasificación de acciones para el aprendizaje en robots está lejos de ser acurada. Además, se centra en la clasificación de objetos y gestos en lugar de acciones. Por lo tanto, en esta tesis se demuestra que el método es adecuado, en escenarios de clasificación de acciones, para la fusión de información de diferentes fuentes o de diferentes ensayos. Esta tesis hace tres contribuciones: (1) se propone un método general para hacer frente al reconocimiento de acciones y por lo tanto contribuir al aprendizaje por imitación; (2) la metodología puede aplicarse a grandes bases de datos, que incluyen diferentes modos de captura de las acciones; y (3) el método se aplica específicamente en un proyecto internacional de innovación real llamado Vinbot.Imitation Learning (IL), or robot Programming by Demonstration (PbD), covers methods by which a robot learns new skills through human guidance and imitation. PbD takes its inspiration from the way humans learn new skills by imitation in order to develop methods by which new tasks can be transmitted to robots. This thesis is motivated by the generic question of “what to imitate?” which concerns the problem of how to extract the essential features of a task. To this end, here we adopt Action Recognition (AR) perspective in order to allow the robot to decide what has to be imitated or inferred when interacting with a human kind. The proposed approach is based on a well-known method from natural language processing: namely, Bag of Words (BoW). This method is applied to large databases in order to obtain a trained model. Although BoW is a machine learning technique that is used in various fields of research, in action classification for robot learning it is far from accurate. Moreover, it focuses on the classification of objects and gestures rather than actions. Thus, in this thesis we show that the method is suitable in action classification scenarios for merging information from different sources or different trials. This thesis makes three contributions: (1) it proposes a general method for dealing with action recognition and thus to contribute to imitation learning; (2) the methodology can be applied to large databases which include different modes of action captures; and (3) the method is applied specifically in a real international innovation project called Vinbot

一人称視点映像からの手操作解析に関する研究

学位の種別: 課程博士審査委員会委員 : （主査）国立情報学研究所教授 佐藤 真一, 東京大学教授 佐藤 洋一, 東京大学教授 相澤 清晴, 東京大学准教授 山崎 俊彦, 東京大学准教授 大石 岳史University of Tokyo(東京大学

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

ARNOLD: A Benchmark for Language-Grounded Task Learning With Continuous States in Realistic 3D Scenes

Understanding the continuous states of objects is essential for task learning and planning in the real world. However, most existing task learning benchmarks assume discrete(e.g., binary) object goal states, which poses challenges for the learning of complex tasks and transferring learned policy from simulated environments to the real world. Furthermore, state discretization limits a robot's ability to follow human instructions based on the grounding of actions and states. To tackle these challenges, we present ARNOLD, a benchmark that evaluates language-grounded task learning with continuous states in realistic 3D scenes. ARNOLD is comprised of 8 language-conditioned tasks that involve understanding object states and learning policies for continuous goals. To promote language-instructed learning, we provide expert demonstrations with template-generated language descriptions. We assess task performance by utilizing the latest language-conditioned policy learning models. Our results indicate that current models for language-conditioned manipulations continue to experience significant challenges in novel goal-state generalizations, scene generalizations, and object generalizations. These findings highlight the need to develop new algorithms that address this gap and underscore the potential for further research in this area. See our project page at: https://arnold-benchmark.github.ioComment: The first two authors contributed equally; 20 pages; 17 figures; project availalbe: https://arnold-benchmark.github.io

Automatic Recognition of Concurrent and Coupled Human Motion Sequences

We developed methods and algorithms for all parts of a motion recognition system, i. e. Feature Extraction, Motion Segmentation and Labeling, Motion Primitive and Context Modeling as well as Decoding. We collected several datasets to compare our proposed methods with the state-of-the-art in human motion recognition. The main contributions of this thesis are a structured functional motion decomposition and a flexible and scalable motion recognition system suitable for a Humanoid Robot

Continually improving grounded natural language understanding through human-robot dialog

As robots become ubiquitous in homes and workplaces such as hospitals and factories, they must be able to communicate with humans. Several kinds of knowledge are required to understand and respond to a human's natural language commands and questions. If a person requests an assistant robot to take me to Alice's office, the robot must know that Alice is a person who owns some unique office, and that take me means it should navigate there. Similarly, if a person requests bring me the heavy, green mug, the robot must have accurate mental models of the physical concepts heavy, green, and mug. To avoid forcing humans to use key phrases or words robots already know, this thesis focuses on helping robots understanding new language constructs through interactions with humans and with the world around them. To understand a command in natural language, a robot must first convert that command to an internal representation that it can reason with. Semantic parsing is a method for performing this conversion, and the target representation is often semantic forms represented as predicate logic with lambda calculus. Traditional semantic parsing relies on hand-crafted resources from a human expert: an ontology of concepts, a lexicon connecting language to those concepts, and training examples of language with abstract meanings. One thrust of this thesis is to perform semantic parsing with sparse initial data. We use the conversations between a robot and human users to induce pairs of natural language utterances with the target semantic forms a robot discovers through its questions, reducing the annotation effort of creating training examples for parsing. We use this data to build more dialog-capable robots in new domains with much less expert human effort (Thomason et al., 2015; Padmakumar et al., 2017). Meanings of many language concepts are bound to the physical world. Understanding object properties and categories, such as heavy, green, and mug requires interacting with and perceiving the physical world. Embodied robots can use manipulation capabilities, such as pushing, picking up, and dropping objects to gather sensory data about them. This data can be used to understand non-visual concepts like heavy and empty (e.g. get the empty carton of milk from the fridge), and assist with concepts that have both visual and non-visual expression (e.g. tall things look big and also exert force sooner than short things when pressed down on). A second thrust of this thesis focuses on strategies for learning these concepts using multi-modal sensory information. We use human-in-the-loop learning to get labels between concept words and actual objects in the environment (Thomason et al., 2016, 2017). We also explore ways to tease out polysemy and synonymy in concept words (Thomason and Mooney, 2017) such as light, which can refer to a weight or a color, the latter sense being synonymous with pale. Additionally, pushing, picking up, and dropping objects to gather sensory information is prohibitively time-consuming, so we investigate strategies for using linguistic information and human input to expedite exploration when learning a new concept (Thomason et al., 2018). Finally, we build an integrated agent with both parsing and perception capabilities that learns from conversations with users to improve both components over time. We demonstrate that parser learning from conversations (Thomason et al., 2015) can be combined with multi-modal perception (Thomason et al., 2016) using predicate-object labels gathered through opportunistic active learning (Thomason et al., 2017) during those conversations to improve performance for understanding natural language commands from humans. Human users also qualitatively rate this integrated learning agent as more usable after it has improved from conversation-based learning.Computer Science