Variable structure robot control systems: The RAPP approach

International audienceThis paper presents a method of designing variable structure control systems for robots. As the on-board robot computational resources are limited, but in some cases the demands imposed on the robot by the user are virtually limitless, the solution is to produce a variable structure system. The task dependent part has to be exchanged, however the task governs the activities of the robot. Thus not only exchange of some task-dependent modules is required, but also supervisory responsibilities have to be switched. Such control systems are necessary in the case of robot companions, where the owner of the robot may demand from it to provide many services.

RAPP: A Robotic-Oriented Ecosystem for Delivering Smart User Empowering Applications for Older People

International audienceIt is a general truth that increase of age is associated with a level of mental and physical decline but unfortunately the former are often accompanied by social exclusion leading to marginalization and eventually further acceleration of the aging process. A new approach in alleviating the social exclusion of older people involves the use of assistive robots. As robots rapidly invade everyday life, the need of new software paradigms in order to address the user's unique needs becomes critical. In this paper we present a novel architectural design, the RAPP [a software platform to deliver smart, user empowering robotic applications (RApps)] framework that attempts to address this issue. The proposed framework has been designed in a cloud-based approach, integrating robotic devices and their respective applications. We aim to facilitate seamless development of RApps compatible with a wide range of supported robots and available to the public through a unified online store

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern

A framework for safe human-humanoid coexistence

This work is focused on the development of a safety framework for Human-Humanoid coexistence, with emphasis on humanoid locomotion. After a brief introduction to the fundamental concepts of humanoid locomotion, the two most common approaches for gait generation are presented, and are extended with the inclusion of a stability condition to guarantee the boundedness of the generated trajectories. Then the safety framework is presented, with the introduction of different safety behaviors. These behaviors are meant to enhance the overall level of safety during any robot operation. Proactive behaviors will enhance or adapt the current robot operations to reduce the risk of danger, while override behaviors will stop the current robot activity in order to take action against a particularly dangerous situation. A state machine is defined to control the transitions between the behaviors. The behaviors that are strictly related to locomotion are subsequently detailed, and an implementation is proposed and validated. A possible implementation of the remaining behaviors is proposed through the review of related works that can be found in literature

The challenges and opportunities of human-centred AI for trustworthy robots and autonomous systems

The trustworthiness of robots and autonomous systems (RAS) has taken a prominent position on the way towards full autonomy. This work is the first to systematically explore the key facets of human-centred AI for trustworthy RAS. We identified five key properties of a trustworthy RAS, i.e., RAS must be (i) safe in any uncertain and dynamic environment; (ii) secure, i.e., protect itself from cyber threats; (iii) healthy and fault-tolerant; (iv) trusted and easy to use to enable effective human-machine interaction (HMI); (v) compliant with the law and ethical expectations. While the applications of RAS have mainly focused on performance and productivity, not enough scientific attention has been paid to the risks posed by advanced AI in RAS. We analytically examine the challenges of implementing trustworthy RAS with respect to the five key properties and explore the role and roadmap of AI technologies in ensuring the trustworthiness of RAS in respect of safety, security, health, HMI, and ethics. A new acceptance model of RAS is provided as a framework for human-centric AI requirements and for implementing trustworthy RAS by design. This approach promotes human-level intelligence to augment human capabilities and focuses on contribution to humanity

Architecture de contrôle d'un robot de téléprésence et d'assistance aux soins à domicile

La population vieillissante provoque une croissance des coûts pour les soins hospitaliers. Pour éviter que ces coûts deviennent trop importants, des robots de téléprésence et d’assistance aux soins et aux activités quotidiennes sont envisageables afin de maintenir l’autonomie des personnes âgées à leur domicile. Cependant, les robots actuels possèdent individuellement des fonctionnalités intéressantes, mais il serait bénéfique de pouvoir réunir leurs capacités. Une telle intégration est possible par l’utilisation d’une architecture décisionnelle permettant de jumeler des capacités de navigation, de suivi de la voix et d’acquisition d’informations afin d’assister l’opérateur à distance, voir même s’y substituer. Pour ce projet, l’architecture de contrôle HBBA (Hybrid Behavior-Based Architecture) sert de pilier pour unifier les bibliothèques requises, RTAB-Map (Real-Time Appearance-Based Mapping) et ODAS (Open embeddeD Audition System), pour réaliser cette intégration. RTAB-Map est une bibliothèque permettant la localisation et la cartographie simultanée selon différentes configurations de capteurs tout en respectant les contraintes de traitement en ligne. ODAS est une bibliothèque permettant la localisation, le suivi et la séparation de sources sonores en milieux réels. Les objectifs sont d’évaluer ces capacités en environnement réel en déployant la plateforme robotique dans différents domiciles, et d’évaluer le potentiel d’une telle intégration en réalisant un scénario autonome d’assistance à la prise de mesure de signes vitaux. La plateforme robotique Beam+ est utilisée pour réaliser cette intégration. La plateforme est bonifiée par l’ajout d’une caméra RBG-D, d’une matrice de huit microphones, d’un ordinateur et de batteries supplémentaires. L’implémentation résultante, nommée SAM, a été évaluée dans 10 domiciles pour caractériser la navigation et le suivi de conversation. Les résultats de la navigation suggèrent que les capacités de navigation fonctionnent selon certaines contraintes propres au positionement des capteurs et des conditions environnementales, impliquant la nécessité d’intervention de l’opérateur pour compenser. La modalité de suivi de la voix fonctionne bien dans des environnements calmes, mais des améliorations sont requises en milieu bruyant. Incidemment, la réalisation d’un scénario d’assistance complètement autonome est fonction des performances de la combinaison de ces fonctionnalités, ce qui rend difficile d’envisager le retrait complet d’un opérateur dans la boucle de décision. L’intégration des modalités avec HBBA s’avère possible et concluante, et ouvre la porte à la réutilisabilité de l’implémentation sur d’autres plateformes robotiques qui pourraient venir compenser face aux lacunes observées sur la mise en œuvre avec la plateforme Beam+

Human robot interaction in a crowded environment

Human Robot Interaction (HRI) is the primary means of establishing natural and affective communication between humans and robots. HRI enables robots to act in a way similar to humans in order to assist in activities that are considered to be laborious, unsafe, or repetitive. Vision based human robot interaction is a major component of HRI, with which visual information is used to interpret how human interaction takes place. Common tasks of HRI include finding pre-trained static or dynamic gestures in an image, which involves localising different key parts of the human body such as the face and hands. This information is subsequently used to extract different gestures. After the initial detection process, the robot is required to comprehend the underlying meaning of these gestures [3]. Thus far, most gesture recognition systems can only detect gestures and identify a person in relatively static environments. This is not realistic for practical applications as difficulties may arise from people‟s movements and changing illumination conditions. Another issue to consider is that of identifying the commanding person in a crowded scene, which is important for interpreting the navigation commands. To this end, it is necessary to associate the gesture to the correct person and automatic reasoning is required to extract the most probable location of the person who has initiated the gesture. In this thesis, we have proposed a practical framework for addressing the above issues. It attempts to achieve a coarse level understanding about a given environment before engaging in active communication. This includes recognizing human robot interaction, where a person has the intention to communicate with the robot. In this regard, it is necessary to differentiate if people present are engaged with each other or their surrounding environment. The basic task is to detect and reason about the environmental context and different interactions so as to respond accordingly. For example, if individuals are engaged in conversation, the robot should realize it is best not to disturb or, if an individual is receptive to the robot‟s interaction, it may approach the person. Finally, if the user is moving in the environment, it can analyse further to understand if any help can be offered in assisting this user. The method proposed in this thesis combines multiple visual cues in a Bayesian framework to identify people in a scene and determine potential intentions. For improving system performance, contextual feedback is used, which allows the Bayesian network to evolve and adjust itself according to the surrounding environment. The results achieved demonstrate the effectiveness of the technique in dealing with human-robot interaction in a relatively crowded environment [7]

Medical robots with potential applications in participatory and opportunistic remote sensing: A review

Among numerous applications of medical robotics, this paper concentrates on the design, optimal use and maintenance of the related technologies in the context of healthcare, rehabilitation and assistive robotics, and provides a comprehensive review of the latest advancements in the foregoing field of science and technology, while extensively dealing with the possible applications of participatory and opportunistic mobile sensing in the aforementioned domains. The main motivation for the latter choice is the variety of such applications in the settings having partial contributions to functionalities such as artery, radiosurgery, neurosurgery and vascular intervention. From a broad perspective, the aforementioned applications can be realized via various strategies and devices benefiting from detachable drives, intelligent robots, human-centric sensing and computing, miniature and micro-robots. Throughout the paper tens of subjects, including sensor-fusion, kinematic, dynamic and 3D tissue models are discussed based on the existing literature on the state-of-the-art technologies. In addition, from a managerial perspective, topics such as safety monitoring, security, privacy and evolutionary optimization of the operational efficiency are reviewed