A non-holonomic, highly human-in-the-loop compatible, assistive mobile robotic platform guidance navigation and control strategy

The provision of assistive mobile robotics for empowering and providing independence to the infirm, disabled and elderly in society has been the subject of much research. The issue of providing navigation and control assistance to users, enabling them to drive their powered wheelchairs effectively, can be complex and wide-ranging; some users fatigue quickly and can find that they are unable to operate the controls safely, others may have brain injury re-sulting in periodic hand tremors, quadriplegics may use a straw-like switch in their mouth to provide a digital control signal. Advances in autonomous robotics have led to the development of smart wheelchair systems which have attempted to address these issues; however the autonomous approach has, ac-cording to research, not been successful; users reporting that they want to be active drivers and not passengers. Recent methodologies have been to use collaborative or shared control which aims to predict or anticipate the need for the system to take over control when some pre-decided threshold has been met, yet these approaches still take away control from the us-er. This removal of human supervision and control by an autonomous system makes the re-sponsibility for accidents seriously problematic. This thesis introduces a new human-in-the-loop control structure with real-time assistive lev-els. One of these levels offers improved dynamic modelling and three of these levels offer unique and novel real-time solutions for: collision avoidance, localisation and waypoint iden-tification, and assistive trajectory generation. This architecture and these assistive functions always allow the user to remain fully in control of any motion of the powered wheelchair, shown in a series of experiments

Constraint-based navigation for safe, shared control of ground vehicles

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 138-147).Human error in machine operation is common and costly. This thesis introduces, develops, and experimentally demonstrates a new paradigm for shared-adaptive control of human-machine systems that mitigates the effects of human error without removing humans from the control loop. Motivated by observed human proclivity toward navigation in fields of safe travel rather than along specific trajectories, the planning and control framework developed in this thesis is rooted in the design and enforcement of constraints rather than the more traditional use of reference paths. Two constraint-planning methods are introduced. The first uses a constrained Delaunay triangulation of the environment to identify, cumulatively evaluate, and succinctly circumscribe the paths belonging to a particular homotopy with a set of semi autonomously enforceable constraints on the vehicle's position. The second identifies a desired homotopy by planning - and then laterally expanding - the optimal path that traverses it. Simulated results show both of these constraint-planning methods capable of improving the performance of one or multiple agents traversing an environment with obstacles. A method for predicting the threat posed to the vehicle given the current driver action, present state of the environment, and modeled vehicle dynamics is also presented. This threat assessment method, and the shared control approach it facilitates, are shown in simulation to prevent constraint violation or vehicular loss of control with minimal control intervention. Visual and haptic driver feedback mechanisms facilitated by this constraint-based control and threat-based intervention are also introduced. Finally, a large-scale, repeated measures study is presented to evaluate this control framework's effect on the performance, confidence, and cognitive workload of 20 drivers teleoperating an unmanned ground vehicle through an outdoor obstacle course. In 1,200 trials, the constraint-based framework developed in this thesis is shown to increase vehicle velocity by 26% while reducing the occurrence of collisions by 78%, improving driver reaction time to a secondary task by 8.7%, and increasing overall user confidence and sense of control by 44% and 12%, respectively. These performance improvements were realized with the autonomous controller usurping less than 43% of available vehicle control authority, on average.by Sterling J. Anderson.Ph.D

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