Intent Recognition Of Rotation Versus Translation Movements In Human-Robot Collaborative Manipulation Tasks

The goal of this thesis is to enable a robot to actively collaborate with a person to move an object in an efficient, smooth and robust manner. For a robot to actively assist a person it is key that the robot recognizes the actions or phases of a collaborative tasks. This requires the robot to have the ability to estimate a person’s movement intent. A hurdle in collaboratively moving an object is determining whether the partner is trying to rotate or translate the object (the rotation versus translation problem). In this thesis, Hidden Markov Models (HMM) are used to recognize human intent of rotation or translation in real-time. Based on this recognition, an appropriate impedance control mode is selected to assist the person. The approach is tested on a seven degree-of-freedom industrial robot, KUKA LBR iiwa 14 R820, working with a human partner during manipulation tasks. Results show the HMMs can estimate human intent with accuracy of 87.5% by using only haptic data recorded from the robot. Integrated with impedance control, the robot is able to collaborate smoothly and efficiently with a person during the manipulation tasks. The HMMs are compared with a switching function based approach that uses interaction force magnitudes to recognize rotation versus translation. The results show that HMMs can predict correctly when fast rotation or slow translation is desired, whereas the switching function based on force magnitudes performs poorly

Design and evaluation of a haptic computer-assistant for telemanipulation tasks

This paper introduces a computer-assisted teleoperation system, where the control over the teleoperator is shared between a human operator and computer assistance in order to improve the overall task performance. Two units, an action recognition and an assistance unit are introduced to provide contextspecific assistance. The action recognition unit can evaluate haptic data, handle high sampling rates, and deal with human behavior changes caused by the actived haptic assistance. Repairing of a broken hard drive is selected as scenario and three different taskspecific assistance functions are designed. The overall computerassisted teleoperation system is evaluated in two steps: first, the performance of the action recognition unit is evaluated and then, the performance of the integrated computer-assisted teleoperation system is compared with an unassisted system by means of a user study with 15 participants. Overall action recognition rates of about 65% are achieved. Multivariate paired comparisons show that the computer-assisted teleoperation system significantly reduces the human effort and damage possibility compared with a teleoperation system without assistance. © 2013 IEEE

Adaptive Shared Autonomy between Human and Robot to Assist Mobile Robot Teleoperation

Die Teleoperation vom mobilen Roboter wird in großem Umfang eingesetzt, wenn es für Mensch unpraktisch oder undurchführbar ist, anwesend zu sein, aber die Entscheidung von Mensch wird dennoch verlangt. Es ist für Mensch stressig und fehleranfällig wegen Zeitverzögerung und Abwesenheit des Situationsbewusstseins, ohne Unterstützung den Roboter zu steuern einerseits, andererseits kann der völlig autonome Roboter, trotz jüngsten Errungenschaften, noch keine Aufgabe basiert auf die aktuellen Modelle der Wahrnehmung und Steuerung unabhängig ausführen. Deswegen müssen beide der Mensch und der Roboter in der Regelschleife bleiben, um gleichzeitig Intelligenz zur Durchführung von Aufgaben beizutragen. Das bedeut, dass der Mensch die Autonomie mit dem Roboter während des Betriebes zusammenhaben sollte. Allerdings besteht die Herausforderung darin, die beiden Quellen der Intelligenz vom Mensch und dem Roboter am besten zu koordinieren, um eine sichere und effiziente Aufgabenausführung in der Fernbedienung zu gewährleisten. Daher wird in dieser Arbeit eine neuartige Strategie vorgeschlagen. Sie modelliert die Benutzerabsicht als eine kontextuelle Aufgabe, um eine Aktionsprimitive zu vervollständigen, und stellt dem Bediener eine angemessene Bewegungshilfe bei der Erkennung der Aufgabe zur Verfügung. Auf diese Weise bewältigt der Roboter intelligent mit den laufenden Aufgaben auf der Grundlage der kontextuellen Informationen, entlastet die Arbeitsbelastung des Bedieners und verbessert die Aufgabenleistung. Um diese Strategie umzusetzen und die Unsicherheiten bei der Erfassung und Verarbeitung von Umgebungsinformationen und Benutzereingaben (i.e. der Kontextinformationen) zu berücksichtigen, wird ein probabilistischer Rahmen von Shared Autonomy eingeführt, um die kontextuelle Aufgabe mit Unsicherheitsmessungen zu erkennen, die der Bediener mit dem Roboter durchführt, und dem Bediener die angemesse Unterstützung der Aufgabenausführung nach diesen Messungen anzubieten. Da die Weise, wie der Bediener eine Aufgabe ausführt, implizit ist, ist es nicht trivial, das Bewegungsmuster der Aufgabenausführung manuell zu modellieren, so dass eine Reihe von der datengesteuerten Ansätzen verwendet wird, um das Muster der verschiedenen Aufgabenausführungen von menschlichen Demonstrationen abzuleiten, sich an die Bedürfnisse des Bedieners in einer intuitiven Weise über lange Zeit anzupassen. Die Praxistauglichkeit und Skalierbarkeit der vorgeschlagenen Ansätze wird durch umfangreiche Experimente sowohl in der Simulation als auch auf dem realen Roboter demonstriert. Mit den vorgeschlagenen Ansätzen kann der Bediener aktiv und angemessen unterstützt werden, indem die Kognitionsfähigkeit und Autonomieflexibilität des Roboters zu erhöhen