Position Control of the Single Spherical Wheel Mobile Robot by Using the Fuzzy Sliding Mode Controller

A spherical wheel robot or Ballbot—a robot that balances on an actuated spherical ball—is a new and recent type of robot in the popular area of mobile robotics. This paper focuses on the modeling and control of such a robot. We apply the Lagrangian method to derive the governing dynamic equations of the system. We also describe a novel Fuzzy Sliding Mode Controller (FSMC) implemented to control a spherical wheel mobile robot. The nonlinear nature of the equations makes the controller nontrivial. We compare the performance of four different fuzzy controllers: (a) regulation with one signal, (b) regulation and position control with one signal, (c) regulation and position control with two signals, and (d) FSMC for regulation and position control with two signals. The system is evaluated in a realistic simulation and the robot parameters are chosen based on a LEGO platform, so the designed controllers have the ability to be implemented on real hardware

How Should a Robot Approach a Pair of People?

This thesis experimentally investigates the comfort of pairs of seated people when they are approached by a robot from different directions. While the effect of robot approach direction on the comfort of a lone person has been investigated previously, the extension to a robot approaching pairs of people has not been explored rigorously. Three maximally-different seating configurations of paired people and eight different robot approach directions were considered. The experiment was augmented with a fourth seating configuration of a lone individual, allowing the responses of grouped and lone participants to be compared. Data obtained from the experiment were analysed using both linear and directional statistics. Results from 180 unique participants showed that the comfort of a person when a robot approached is influenced by the presence and location of a second person. Analysis of these data with directional statistics showed that participant comfort preference clusters into angular regions of ‘suitable for robot approach’ and ‘unsuitable for robot approach’. This finding shows the importance of avoiding robot approach directions of low comfort, rather than selecting a singular robot approach direction of high comfort. Rayleigh’s test of uniformity, a directional statistics method, also shows across all participant configurations that robot approach directions that minimize participant discomfort align spatially with regions that allow for good line of sight of the robot by both people, and are centred on the largest open space that a robot could approach the group from. Participants who were grouped also regarded the robot as having more social agency than did lone experimental participants. Grouped participants were less frustrated with the experimental task and also found it less physically and temporally demanding in comparison to lone experimental participants

Human-aware space sharing and navigation for an interactive robot

Les méthodes de planification de mouvements robotiques se sont développées à un rythme accéléré ces dernières années. L'accent a principalement été mis sur le fait de rendre les robots plus efficaces, plus sécurisés et plus rapides à réagir à des situations imprévisibles. En conséquence, nous assistons de plus en plus à l'introduction des robots de service dans notre vie quotidienne, en particulier dans les lieux publics tels que les musées, les centres commerciaux et les aéroports. Tandis qu'un robot de service mobile se déplace dans l'environnement humain, il est important de prendre en compte l'effet de son comportement sur les personnes qu'il croise ou avec lesquelles il interagit. Nous ne les voyons pas comme de simples machines, mais comme des agents sociaux et nous nous attendons à ce qu'ils se comportent de manière similaire à l'homme en suivant les normes sociétales comme des règles. Ceci a créé de nouveaux défis et a ouvert de nouvelles directions de recherche pour concevoir des algorithmes de commande de robot, qui fournissent des comportements de robot acceptables, lisibles et proactifs. Cette thèse propose une méthode coopérative basée sur l'optimisation pour la planification de trajectoire et la navigation du robot avec des contraintes sociales intégrées pour assurer des mouvements de robots prudents, conscients de la présence de l'être humain et prévisibles. La trajectoire du robot est ajustée dynamiquement et continuellement pour satisfaire ces contraintes sociales. Pour ce faire, nous traitons la trajectoire du robot comme une bande élastique (une construction mathématique représentant la trajectoire du robot comme une série de positions et une différence de temps entre ces positions) qui peut être déformée (dans l'espace et dans le temps) par le processus d'optimisation pour respecter les contraintes données. De plus, le robot prédit aussi les trajectoires humaines plausibles dans la même zone d'exploitation en traitant les chemins humains aussi comme des bandes élastiques. Ce système nous permet d'optimiser les trajectoires des robots non seulement pour le moment présent, mais aussi pour l'interaction entière qui se produit lorsque les humains et les robots se croisent les uns les autres. Nous avons réalisé un ensemble d'expériences avec des situations interactives humains-robots qui se produisent dans la vie de tous les jours telles que traverser un couloir, passer par une porte et se croiser sur de grands espaces ouverts. La méthode de planification coopérative proposée se compare favorablement à d'autres schémas de planification de la navigation à la pointe de la technique. Nous avons augmenté le comportement de navigation du robot avec un mouvement synchronisé et réactif de sa tête. Cela permet au robot de regarder où il va et occasionnellement de détourner son regard vers les personnes voisines pour montrer que le robot va éviter toute collision possible avec eux comme prévu par le planificateur. À tout moment, le robot pondère les multiples critères selon le contexte social et décide de ce vers quoi il devrait porter le regard. Grâce à une étude utilisateur en ligne, nous avons montré que ce mécanisme de regard complète efficacement le comportement de navigation ce qui améliore la lisibilité des actions du robot. Enfin, nous avons intégré notre schéma de navigation avec un système de supervision plus large qui peut générer conjointement des comportements du robot standard tel que l'approche d'une personne et l'adaptation de la vitesse du robot selon le groupe de personnes que le robot guide dans des scénarios d'aéroport ou de musée.The methods of robotic movement planning have grown at an accelerated pace in recent years. The emphasis has mainly been on making robots more efficient, safer and react faster to unpredictable situations. As a result we are witnessing more and more service robots introduced in our everyday lives, especially in public places such as museums, shopping malls and airports. While a mobile service robot moves in a human environment, it leaves an innate effect on people about its demeanor. We do not see them as mere machines but as social agents and expect them to behave humanly by following societal norms and rules. This has created new challenges and opened new research avenues for designing robot control algorithms that deliver human-acceptable, legible and proactive robot behaviors. This thesis proposes a optimization-based cooperative method for trajectoryplanning and navigation with in-built social constraints for keeping robot motions safe, human-aware and predictable. The robot trajectory is dynamically and continuously adjusted to satisfy these social constraints. To do so, we treat the robot trajectory as an elastic band (a mathematical construct representing the robot path as a series of poses and time-difference between those poses) which can be deformed (both in space and time) by the optimization process to respect given constraints. Moreover, we also predict plausible human trajectories in the same operating area by treating human paths also as elastic bands. This scheme allows us to optimize the robot trajectories not only for the current moment but for the entire interaction that happens when humans and robot cross each other's paths. We carried out a set of experiments with canonical human-robot interactive situations that happen in our everyday lives such as crossing a hallway, passing through a door and intersecting paths on wide open spaces. The proposed cooperative planning method compares favorably against other stat-of-the-art human-aware navigation planning schemes. We have augmented robot navigation behavior with synchronized and responsive movements of the robot head, making the robot look where it is going and occasionally diverting its gaze towards nearby people to acknowledge that robot will avoid any possible collision with them. At any given moment the robot weighs multiple criteria according to the social context and decides where it should turn its gaze. Through an online user study we have shown that such gazing mechanism effectively complements the navigation behavior and it improves legibility of the robot actions. Finally, we have integrated our navigation scheme with a broader supervision system which can jointly generate normative robot behaviors such as approaching a person and adapting the robot speed according to a group of people who the robot guides in airports or museums