Reducing the Barrier to Entry of Complex Robotic Software: a MoveIt! Case Study

Developing robot agnostic software frameworks involves synthesizing the disparate fields of robotic theory and software engineering while simultaneously accounting for a large variability in hardware designs and control paradigms. As the capabilities of robotic software frameworks increase, the setup difficulty and learning curve for new users also increase. If the entry barriers for configuring and using the software on robots is too high, even the most powerful of frameworks are useless. A growing need exists in robotic software engineering to aid users in getting started with, and customizing, the software framework as necessary for particular robotic applications. In this paper a case study is presented for the best practices found for lowering the barrier of entry in the MoveIt! framework, an open-source tool for mobile manipulation in ROS, that allows users to 1) quickly get basic motion planning functionality with minimal initial setup, 2) automate its configuration and optimization, and 3) easily customize its components. A graphical interface that assists the user in configuring MoveIt! is the cornerstone of our approach, coupled with the use of an existing standardized robot model for input, automatically generated robot-specific configuration files, and a plugin-based architecture for extensibility. These best practices are summarized into a set of barrier to entry design principles applicable to other robotic software. The approaches for lowering the entry barrier are evaluated by usage statistics, a user survey, and compared against our design objectives for their effectiveness to users

Desenvolvimento de uma interface baseada em ROS-RVIZ para sistemas de calibração

Sensor calibration is an essential prerequisite for many applications in the field of robotics. For complex robotic systems with several sensors of different modalities, the way to perform an extrinsic calibration is usually through sequential pairwise calibrations, which comes with its problems. The major shortcoming of sequential pairwise approaches is related to the fact that the transformation between two sensors is estimated only considering the error between the data from the selected pair of sensors. This leads to a lack of accuracy in the calibration procedure, given that, despite the fact that the pose of each sensor in relation to the other is well estimated, their pose relatively to the rest of the sensors and the robot is compromised. ATOM is a calibration framework for multi-sensor, multi-modal robotic systems, based on the optimization of atomic transformations, that offers a solution for this problems and it is integrated with the ROS framework. However, like most calibration systems, it lacks a graphical interface to facilitate the execution of the several steps of the calibration procedure. This dissertation’s goal was to create that interface and have it integrated with the ROS 3D visualization tool, RViz, as a plugin. This interface allows its users to interact with the ATOM calibration system in a more dynamic way, through graphical icons and visual indicators. Some calibrations using the developed interface were then conducted for different robotic systems to test its usability, with satisfying results, offering a more user-friendly experience for the calibration procedure.A calibração de sensores é um pré-requisito essencial para muitas aplicações na área da robótica. Para sistemas robóticos complexos com vários sensores de diferentes modalidades, a maneira como é feita uma calibração extrínsica é através de calibrações par a par sequenciais, o que apresenta os seus problemas. O maior problema que este tipo de abordagem apresenta é o facto da transformação entre dois sensores ser estimada considerando apenas o erro entre os dados dos dois sensores. Isto leva a uma baixa precisão no processo de calibração, visto que, apesar da posição e orientação de cada sensor em relação ao outro ser bem estimada, as suas posição e orientação relativamente ao robô e aos restantes sensores ficam comprometidas. O ATOM é uma estrutura de calibração para sistemas robóticos com m´múltiplos sensores de múltiplas modalidades, baseada na otimização de transformações atómicas, que oferece uma solução para estes problemas e está integrada com o ROS. No entanto, tal como a maioria dos sistemas de calibração, não tem uma interface gráfica que facilite a execução dos vários passos relativos ao procedimento da calibração. O objetivo desta dissertação foi criar esta interface e integrá-la sob a forma de plugin com a ferramenta de visualização 3D do ROS, o RViz. Esta interface permite que os seus utilizadores interajam com o sistema de calibração do ATOM de uma forma mais dinâmica, através de objetos gráficos e indicadores visuais. Depois de implementada, foram feitas algumas calibrações usando a interface desenvolvida para diferentes sistemas robóticos para testar a sua usabilidade, obtendo resultados satisfatórios, com uma experiência de calibração mais agradável para o utilizador

Development of an open access system for remote operation of robotic manipulators

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáExploring the realms of research, training, and learning in the field of robotic systems poses obstacles for institutions lacking the necessary infrastructure. The significant investment required to acquire physical robotic systems often limits access and hinders progress in these areas. While robotic simulation platforms provide a virtual environment for experimentation, the potential of remote robotic environments surpasses this by enabling users to interact with real robotic systems during training and research activities. This way, users, including students and researchers, can engage in a virtual experience that transcends geographical boundaries, connecting them to real-world robotic systems though the Internet. By bridging the gap between virtual and physical worlds, remote environments offer a more practical and immersive experience, and open up new horizons for collaborative research and training. Democratizing access to these technologies means empower educational institutions and research centers to engage in practical and handson learning experiences. However, the implementation of remote robotic environments comes with its own set of technical challenges: communication, security, stability and access. In light of these challenges, a ROS-based system has been developed, providing open access with promising results (low delay and run-time visualization). This system enables remote control of robotic manipulators and has been successfully validated through the remote operation of a real UR3 manipulator.Explorar as áreas de pesquisa, treinamento e aprendizado no campo de sistemas robóticos apresenta obstáculos para instituições que não possuem a infraestrutura necessária. O investimento significativo exigido para adquirir sistemas robóticos físicos muitas vezes limita o acesso e dificulta o progresso nessas áreas. Embora as plataformas de simulação robótica forneçam um ambiente virtual para experimentação, o potencial dos ambientes robóticos remotos vai além disso, permitindo que os usuários interajam com sistemas robóticos reais durante atividades de treinamento e pesquisa. Dessa forma, os usuários, incluindo estudantes e pesquisadores, podem participar de uma experiência virtual que transcende as fronteiras geográficas, conectando-os a sistemas robóticos do mundo real por meio da Internet. Ao estabelecer uma ponte entre os mundos virtual e físico, os ambientes remotos oferecem uma experiência mais prática e imersiva, abrindo novos horizontes para a pesquisa colaborativa e o treinamento. Democratizar o acesso a essas tecnologias significa capacitar instituições educacionais e centros de pesquisa a se envolverem em experiências práticas e de aprendizado prático. No entanto, a implementação de ambientes robóticos remotos traz consigo um conjunto próprio de desafios técnicos: comunicação, segurança, estabilidade e acesso. Diante desses desafios, foi desenvolvida uma plataforma baseada em ROS, oferecendo acesso aberto com resultados promissores (baixo delay e visualização em run-time). Essa plataforma possibilita o controle remoto de manipuladores robóticos e foi validada com sucesso por meio da operação remota de um manipulador UR3 real

Intelligent collision avoidance system for industrial manipulators

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáThe new paradigm of Industry 4.0 demand the collaboration between robot and humans. They could help (human and robot) and collaborate each other without any additional security, unlike other conventional manipulators. For this, the robot should have the ability of acquire the environment and plan (or re-plan) on-the-fly the movement avoiding the obstacles and people. This work proposes a system that acquires the space of the environment, based on a Kinect sensor, verifies the free spaces generated by a Point Cloud and executes the trajectory of manipulators in these free spaces. The simulation system should perform the path planning of a UR5 manipulator for pick-and-place tasks, while avoiding the objects around it, based on the point cloud from Kinect. And due to the results obtained in the simulation, it was possible to apply this system in real situations. The basic structure of the system is the ROS software, which facilitates robotic applications with a powerful set of libraries and tools. The MoveIt! and Rviz are examples of these tools, with them it was possible to carry out simulations and obtain planning results. The results are reported through logs files, indicating whether the robot motion plain was successful and how many manipulator poses were needed to create the final movement. This last step, allows to validate the proposed system, through the use of the RRT and PRM algorithms. Which were chosen because they are most used in the field of robot path planning.Os novos paradigmas da Indústria 4.0 exigem a colaboração entre robôs e seres humanos. Estes podem ajudar e colaborar entre si sem qualquer segurança adicional, ao contrário de outros manipuladores convencionais. Para isto, o robô deve ter a capacidade de adquirir o meio ambiente e planear (ou re-planear) on-the-fly o movimento evitando obstáculos e pessoas. Este trabalho propõe um sistema que adquire o espaço do ambiente através do sensor Kinect. O sistema deve executar o planeamento do caminho de manipuladores que possuem movimentos de um ponto a outro (ponto inicial e final), evitando os objetos ao seu redor, com base na nuvem de pontos gerada pelo Kinect. E devido aos resultados obtidos na simulação, foi possível aplicar este sistema em situações reais. A estrutura base do sistema é o software ROS, que facilita aplicações robóticas com um poderoso conjunto de bibliotecas e ferramentas. O MoveIt! e Rviz são exemplos destas ferramentas, com elas foi possível realizar simulações e conseguir os resultados de planeamento livre de colisões. Os resultados são informados por meio de arquivos logs, indicando se o movimento do UR5 foi realizado com sucesso e quantas poses do manipulador foram necessárias criar para atingir o movimento final. Este último passo, permite validar o sistema proposto, através do uso dos algoritmos RRT e PRM. Que foram escolhidos por serem mais utilizados no ramo de planeamento de trajetória para robôs