Towards S-NAMO: Socially-aware Navigation Among Movable Obstacles

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Motion Planning : from Digital Actors to Humanoid Robots

Le but de ce travail est de développer des algorithmes de planification de mouvement pour des figures anthropomorphes en tenant compte de la géométrie, de la cinématique et de la dynamique du mécanisme et de son environnement. Par planification de mouvement, on entend la capacité de donner des directives à un niveau élevé et de les transformer en instructions de bas niveau qui produiront une séquence de valeurs articulaires qui reproduissent les mouvements humains. Ces instructions doivent considérer l'évitement des obstacles dans un environnement qui peut être plus au moins contraint. Ceci a comme consequence que l'on peut exprimer des directives comme “porte ce plat de la table jusqu'ac'estu coin du piano”, qui seront ensuite traduites en une série de buts intermédiaires et de contraintes qui produiront les mouvements appropriés des articulations du robot, de façon a effectuer l'action demandée tout en evitant les obstacles dans la chambre. Nos algorithmes se basent sur l'observation que les humains ne planifient pas des mouvements précis pour aller à un endroit donné. On planifie grossièrement la direction de marche et, tout en avançant, on exécute les mouvements nécessaires des articulations afin de nous mener à l'endroit voulu. Nous avons donc cherché à concevoir des algorithmes au sein d'un tel paradigme, algorithmes qui: 1. Produisent un chemin sans collision avec une version réduite du mécanisme et qui le mènent au but spécifié. 2. Utilisent les contrôleurs disponibles pour générer un mouvement qui assigne des valeurs à chacune des articulations du mécanisme pour suivre le chemin trouvé précédemment. 3. Modifient itérativement ces trajectoires jusqu'à ce que toutes les contraintes géométriques, cinématiques et dynamiques soient satisfaites. Dans ce travail nous appliquons cette approche à trois étages au problème de la planification de mouvements pour des figures anthropomorphes qui manipulent des objets encombrants tout en marchant. Dans le processus, plusieurs problèmes intéressants, ainsi que des propositions pour les résoudre, sont présentés. Ces problèmes sont principalement l'évitement tri-dimensionnel des obstacles, la manipulation des objets à deux mains, la manipulation coopérative des objets et la combinaison de comportements hétérogènes. La contribution principale de ce travail est la modélisation du problème de la génération automatique des mouvements de manipulation et de locomotion. Ce modèle considère les difficultés exprimées ci dessus, dans les contexte de mécanismes bipèdes. Trois principes fondent notre modèle: une décomposition fonctionnelle des membres du mécanisme, un modèle de manipulation coopérative et, un modéle simplifié des facultés de déplacement du mécanisme dans son environnement.Ce travail est principalement et surtout, un travail de synthèse. Nous nous servons des techniques disponibles pour commander la locomotion des mécanismes bipèdes (contrôleurs) provenant soit de l'animation par ordinateur, soit de la robotique humanoïde, et nous les relions dans un planificateur des mouvements original. Ce planificateur de mouvements est agnostique vis-à-vis du contrôleur utilisé, c'est-à-dire qu'il est capable de produire des mouvements libres de collision avec n'importe quel contrôleur tandis que les entrées et sorties restent compatibles. Naturellement, l'exécution de notre planificateur dépend en grand partie de la qualité du contrôleur utilisé. Dans cette thèse, le planificateur de mouvement est relié à différents contrôleurs et ses bonnes performances sont validées avec des mécanismes différents, tant virtuels que physiques. Ce travail à été fait dans le cadre des projets de recherche communs entre la France, la Russie et le Japon, où nous avons fourni le cadre de planification de mouvement à ses différents contrôleurs. Plusieurs publications issues de ces collaborations ont été présentées dans des conférences internationales. Ces résultats sont compilés et présentés dans cette thèse, et le choix des techniques ainsi que les avantages et inconvénients de notre approche sont discutés. ABSTRACT : The goal of this work is to develop motion planning algorithms for human-like figures taking into account the geometry, kinematics and dynamics of the mechanism and its environment. By motion planning it is understood the ability to specify high-level directives and transform them into low-level instructions for the articulations of the human-like figure. This is usually done while considering obstacle avoidance within the environment. This results in one being able to express directives as “carry this plate from the table to the piano corner” and have them translate into a series of goals and constraints that result in the pertinent motions from the robot's articulations in such a way as to carry out the action while avoiding collisions with the obstacles in the room. Our algorithms are based on the observation that humans do not plan their exact motions when getting to a location. We roughly plan our direction and, as we advance, we execute the motions needed to get to the desired place. This has led us to design algorithms that: 1. Produce a rough collision free path that takes a simplified model of the mechanism to the desired location. 2. Use available controllers to generate a trajectory that assigns values to each of the mechanism's articulations to follow the path. 3. Modify iteratively these trajectories until all the geometric, kinematic and dynamic constraints of the problem are satisfied.Throughout this work, we apply this three-stage approach with the problem of generating motions for human-like figures that manipulate bulky objects while walking. In the process, several interesting problems and their solution are brought into focus. These problems are, three- imensional collision avoidance, two-hand object manipulation, cooperative manipulation among several characters or robots and the combination of different behaviors. The main contribution of this work is the modeling of the automatic generation of cooperative manipulation motions. This model considers the above difficulties, all in the context of bipedal walking mechanisms. Three principles inform the model: a functional decomposition of the mechanism's limbs, a model for cooperative manipulation and, a simplified model to represent the mechanism when generating the rough path. This work is mainly and above all, one of synthesis. We make use of available techniques for controlling locomotion of bipedal mechanisms (controllers), from the fields of computer graphics and robotics, and connect them to a novel motion planner. This motion planner is controller-agnostic, that is, it is able to produce collision-free motions with any controller, despite whatever errors introduced by the controller itself. Of course, the performance of our motion planner depends on the quality of the used controller. In this thesis, the motion planner, connected to different controllers, is used and tested in different mechanisms, both virtual and physical. This in the context of different research projects in France, Russia and Japan, where we have provided the motion planning framework to their controllers. Several papers in peer-reviewed international conferences have resulted from these collaborations. The present work compiles these results and provides a more comprehensive and detailed depiction of the system and its benefits, both when applied to different mechanisms and compared to alternative approache

Development of Cognitive Capabilities in Humanoid Robots

Merged with duplicate record 10026.1/645 on 03.04.2017 by CS (TIS)Building intelligent systems with human level of competence is the ultimate grand challenge for science and technology in general, and especially for the computational intelligence community. Recent theories in autonomous cognitive systems have focused on the close integration (grounding) of communication with perception, categorisation and action. Cognitive systems are essential for integrated multi-platform systems that are capable of sensing and communicating. This thesis presents a cognitive system for a humanoid robot that integrates abilities such as object detection and recognition, which are merged with natural language understanding and refined motor controls. The work includes three studies; (1) the use of generic manipulation of objects using the NMFT algorithm, by successfully testing the extension of the NMFT to control robot behaviour; (2) a study of the development of a robotic simulator; (3) robotic simulation experiments showing that a humanoid robot is able to acquire complex behavioural, cognitive, and linguistic skills through individual and social learning. The robot is able to learn to handle and manipulate objects autonomously, to cooperate with human users, and to adapt its abilities to changes in internal and environmental conditions. The model and the experimental results reported in this thesis, emphasise the importance of embodied cognition, i.e. the humanoid robot's physical interaction between its body and the environment

Humanoid Robots

For many years, the human being has been trying, in all ways, to recreate the complex mechanisms that form the human body. Such task is extremely complicated and the results are not totally satisfactory. However, with increasing technological advances based on theoretical and experimental researches, man gets, in a way, to copy or to imitate some systems of the human body. These researches not only intended to create humanoid robots, great part of them constituting autonomous systems, but also, in some way, to offer a higher knowledge of the systems that form the human body, objectifying possible applications in the technology of rehabilitation of human beings, gathering in a whole studies related not only to Robotics, but also to Biomechanics, Biomimmetics, Cybernetics, among other areas. This book presents a series of researches inspired by this ideal, carried through by various researchers worldwide, looking for to analyze and to discuss diverse subjects related to humanoid robots. The presented contributions explore aspects about robotic hands, learning, language, vision and locomotion