Exploring Robot Teleoperation in Virtual Reality

This thesis presents research on VR-based robot teleoperation with a focus on remote environment visualisation in virtual reality, the effects of remote environment reconstruction scale in virtual reality on the human-operator's ability to control the robot and human-operator's visual attention patterns when teleoperating a robot from virtual reality. A VR-based robot teleoperation framework was developed, it is compatible with various robotic systems and cameras, allowing for teleoperation and supervised control with any ROS-compatible robot and visualisation of the environment through any ROS-compatible RGB and RGBD cameras. The framework includes mapping, segmentation, tactile exploration, and non-physically demanding VR interface navigation and controls through any Unity-compatible VR headset and controllers or haptic devices. Point clouds are a common way to visualise remote environments in 3D, but they often have distortions and occlusions, making it difficult to accurately represent objects' textures. This can lead to poor decision-making during teleoperation if objects are inaccurately represented in the VR reconstruction. A study using an end-effector-mounted RGBD camera with OctoMap mapping of the remote environment was conducted to explore the remote environment with fewer point cloud distortions and occlusions while using a relatively small bandwidth. Additionally, a tactile exploration study proposed a novel method for visually presenting information about objects' materials in the VR interface, to improve the operator's decision-making and address the challenges of point cloud visualisation. Two studies have been conducted to understand the effect of virtual world dynamic scaling on teleoperation flow. The first study investigated the use of rate mode control with constant and variable mapping of the operator's joystick position to the speed (rate) of the robot's end-effector, depending on the virtual world scale. The results showed that variable mapping allowed participants to teleoperate the robot more effectively but at the cost of increased perceived workload. The second study compared how operators used a virtual world scale in supervised control, comparing the virtual world scale of participants at the beginning and end of a 3-day experiment. The results showed that as operators got better at the task they as a group used a different virtual world scale, and participants' prior video gaming experience also affected the virtual world scale chosen by operators. Similarly, the human-operator's visual attention study has investigated how their visual attention changes as they become better at teleoperating a robot using the framework. The results revealed the most important objects in the VR reconstructed remote environment as indicated by operators' visual attention patterns as well as their visual priorities shifts as they got better at teleoperating the robot. The study also demonstrated that operators’ prior video gaming experience affects their ability to teleoperate the robot and their visual attention behaviours

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

Exploring Robot Teleoperation in Virtual Reality

This thesis presents research on VR-based robot teleoperation with a focus on remote environment visualisation in virtual reality, the effects of remote environment reconstruction scale in virtual reality on the human-operator's ability to control the robot and human-operator's visual attention patterns when teleoperating a robot from virtual reality. A VR-based robot teleoperation framework was developed, it is compatible with various robotic systems and cameras, allowing for teleoperation and supervised control with any ROS-compatible robot and visualisation of the environment through any ROS-compatible RGB and RGBD cameras. The framework includes mapping, segmentation, tactile exploration, and non-physically demanding VR interface navigation and controls through any Unity-compatible VR headset and controllers or haptic devices. Point clouds are a common way to visualise remote environments in 3D, but they often have distortions and occlusions, making it difficult to accurately represent objects' textures. This can lead to poor decision-making during teleoperation if objects are inaccurately represented in the VR reconstruction. A study using an end-effector-mounted RGBD camera with OctoMap mapping of the remote environment was conducted to explore the remote environment with fewer point cloud distortions and occlusions while using a relatively small bandwidth. Additionally, a tactile exploration study proposed a novel method for visually presenting information about objects' materials in the VR interface, to improve the operator's decision-making and address the challenges of point cloud visualisation. Two studies have been conducted to understand the effect of virtual world dynamic scaling on teleoperation flow. The first study investigated the use of rate mode control with constant and variable mapping of the operator's joystick position to the speed (rate) of the robot's end-effector, depending on the virtual world scale. The results showed that variable mapping allowed participants to teleoperate the robot more effectively but at the cost of increased perceived workload. The second study compared how operators used a virtual world scale in supervised control, comparing the virtual world scale of participants at the beginning and end of a 3-day experiment. The results showed that as operators got better at the task they as a group used a different virtual world scale, and participants' prior video gaming experience also affected the virtual world scale chosen by operators. Similarly, the human-operator's visual attention study has investigated how their visual attention changes as they become better at teleoperating a robot using the framework. The results revealed the most important objects in the VR reconstructed remote environment as indicated by operators' visual attention patterns as well as their visual priorities shifts as they got better at teleoperating the robot. The study also demonstrated that operators’ prior video gaming experience affects their ability to teleoperate the robot and their visual attention behaviours

Advanced Mobile Robotics: Volume 3

Mobile robotics is a challenging field with great potential. It covers disciplines including electrical engineering, mechanical engineering, computer science, cognitive science, and social science. It is essential to the design of automated robots, in combination with artificial intelligence, vision, and sensor technologies. Mobile robots are widely used for surveillance, guidance, transportation and entertainment tasks, as well as medical applications. This Special Issue intends to concentrate on recent developments concerning mobile robots and the research surrounding them to enhance studies on the fundamental problems observed in the robots. Various multidisciplinary approaches and integrative contributions including navigation, learning and adaptation, networked system, biologically inspired robots and cognitive methods are welcome contributions to this Special Issue, both from a research and an application perspective

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares