Intuitive Instruction of Industrial Robots : A Knowledge-Based Approach

With more advanced manufacturing technologies, small and medium sized enterprises can compete with low-wage labor by providing customized and high quality products. For small production series, robotic systems can provide a cost-effective solution. However, for robots to be able to perform on par with human workers in manufacturing industries, they must become flexible and autonomous in their task execution and swift and easy to instruct. This will enable small businesses with short production series or highly customized products to use robot coworkers without consulting expert robot programmers. The objective of this thesis is to explore programming solutions that can reduce the programming effort of sensor-controlled robot tasks. The robot motions are expressed using constraints, and multiple of simple constrained motions can be combined into a robot skill. The skill can be stored in a knowledge base together with a semantic description, which enables reuse and reasoning. The main contributions of the thesis are 1) development of ontologies for knowledge about robot devices and skills, 2) a user interface that provides simple programming of dual-arm skills for non-experts and experts, 3) a programming interface for task descriptions in unstructured natural language in a user-specified vocabulary and 4) an implementation where low-level code is generated from the high-level descriptions. The resulting system greatly reduces the number of parameters exposed to the user, is simple to use for non-experts and reduces the programming time for experts by 80%. The representation is described on a semantic level, which means that the same skill can be used on different robot platforms. The research is presented in seven papers, the first describing the knowledge representation and the second the knowledge-based architecture that enables skill sharing between robots. The third paper presents the translation from high-level instructions to low-level code for force-controlled motions. The two following papers evaluate the simplified programming prototype for non-expert and expert users. The last two present how program statements are extracted from unstructured natural language descriptions

Predictive Context-Based Adaptive Compliance for Interaction Control of Robot Manipulators

In classical industrial robotics, robots are concealed within structured and well-known environments performing highly-repetitive tasks. In contrast, current robotic applications require more direct interaction with humans, cooperating with them to achieve a common task and entering home scenarios. Above all, robots are leaving the world of certainty to work in dynamically-changing and unstructured environments that might be partially or completely unknown to them. In such environments, controlling the interaction forces that appear when a robot contacts a certain environment (be the environment an object or a person) is of utmost importance. Common sense suggests the need to leave the stiff industrial robots and move towards compliant and adaptive robot manipulators that resemble the properties of their biological counterpart, the human arm. This thesis focuses on creating a higher level of intelligence for active compliance control methods applied to robot manipulators. This work thus proposes an architecture for compliance regulation named Predictive Context-Based Adaptive Compliance (PCAC) which is composed of three main components operating around a 'classical' impedance controller. Inspired by biological systems, the highest-level component is a Bayesian-based context predictor that allows the robot to pre-regulate the arm compliance based on predictions about the context the robot is placed in. The robot can use the information obtained while contacting the environment to update its context predictions and, in case it is necessary, to correct in real time for wrongly predicted contexts. Thus, the predictions are used both for anticipating actions to be taken 'before' proceeding with a task as well as for applying real-time corrective measures 'during' the execution of a in order to ensure a successful performance. Additionally, this thesis investigates a second component to identify the current environment among a set of known environments. This in turn allows the robot to select the proper compliance controller. The third component of the architecture presents the use of neuroevolutionary techniques for selecting the optimal parameters of the interaction controller once a certain environment has been identified

Scaled Autonomy for Networked Humanoids

Humanoid robots have been developed with the intention of aiding in environments designed for humans. As such, the control of humanoid morphology and effectiveness of human robot interaction form the two principal research issues for deploying these robots in the real world. In this thesis work, the issue of humanoid control is coupled with human robot interaction under the framework of scaled autonomy, where the human and robot exchange levels of control depending on the environment and task at hand. This scaled autonomy is approached with control algorithms for reactive stabilization of human commands and planned trajectories that encode semantically meaningful motion preferences in a sequential convex optimization framework. The control and planning algorithms have been extensively tested in the field for robustness and system verification. The RoboCup competition provides a benchmark competition for autonomous agents that are trained with a human supervisor. The kid-sized and adult-sized humanoid robots coordinate over a noisy network in a known environment with adversarial opponents, and the software and routines in this work allowed for five consecutive championships. Furthermore, the motion planning and user interfaces developed in the work have been tested in the noisy network of the DARPA Robotics Challenge (DRC) Trials and Finals in an unknown environment. Overall, the ability to extend simplified locomotion models to aid in semi-autonomous manipulation allows untrained humans to operate complex, high dimensional robots. This represents another step in the path to deploying humanoids in the real world, based on the low dimensional motion abstractions and proven performance in real world tasks like RoboCup and the DRC

Advances in Robotics, Automation and Control

The book presents an excellent overview of the recent developments in the different areas of Robotics, Automation and Control. Through its 24 chapters, this book presents topics related to control and robot design; it also introduces new mathematical tools and techniques devoted to improve the system modeling and control. An important point is the use of rational agents and heuristic techniques to cope with the computational complexity required for controlling complex systems. Through this book, we also find navigation and vision algorithms, automatic handwritten comprehension and speech recognition systems that will be included in the next generation of productive systems developed by man

Combining Model-Based with Learning-Based Approaches for Autonomous Manipulation

Kollaboration zwischen Menschen und Robotern gewinnt zunehmend an Bedeutung in der Industrie und Forschung. Manipulation ist eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Kollaboration und deshalb eine grundlegende Forschungsfrage in der Robotik. Bei der Manipulation von Objekten, zum Beispiel beim Greifen eines Bohrers, müssen Roboter mit einer dynamischen Umgebungen, partieller Wahrnehmung, Model- und Ausführungsunsicherheit zurechtkommen. In dieser Arbeit identifizieren wir Einschränkungen von modellbasierten Ansätzen des gegenwärtigen Standes der Technik für Manipulationsaufgaben und untersuchen wie man diese mit Lernverfahren kombinieren und verbessern kann, um autonome Manipulation zu ermöglichen. Maschinelle Lernverfahren wie $\textit{neuronale Netze}$, die mithilfe von großen Datenmengen ein gutes Modell lernen, sind sehr geeignet für die Robotik, da Roboter ihre Umgebung mithilfe von einer Vielzahl an Sensoren wahrnehmen und dadurch eine Fülle von Daten erzeugen. Im Gegensatz zu anderen Forschungsgebieten, wie zum Beispiel Sprach- und Bildverarbeitung, interagieren Roboter mit ihrer Umgebung, sodass Vorhersagen einen physikalischen Einfluss auf die Umgebung haben. Aufgrund der Interaktion mit der Umgebung und der kontinuierlichen Wahrnehmung ergibt sich eine Rückkopplungsschleife die neue Herangehensweisen erfordert um Sicherheitsbedenken und Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen. Das Ziel dieser Dissertation ist es zu untersuchen, wie man bestehende $\textit{modellbasierte}$ Robotersysteme mithilfe von $\textit{Lernverfahren}$ verbessern kann. Dabei ist es wichtig das vorhandene domänenspezifische Wissen nicht zu vernachlässigen, sondern in die $\textit{Lernverfahren}$ zu integrieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass $\textit{lernbasierte}$ Ansätze $\textit{modellbasierte}$ Methoden sehr gut ergänzen und es ermöglichen Probleme, die ansonsten unlösbar wären, zu lösen. Wir zeigen, wie man bestehende Modelle zum Trainieren von Lernverfahren verwenden kann. Dadurch wird problemspezifisches Expertenwissen in den Datengenerierungsprozess integriert und somit an das gelernte Modell weitergegeben. Wir entwickeln außerdem ein neues Optimierungsverfahren, das während der Optimierung etwas über den Vorgang an sich lernt. Ein solches Verfahren ist sehr relevant für eine Vielzahl von Problemen in der Robotik, da $\textit{autonome}$ Manipulationssysteme kontinuierlich neue Aufgaben lösen müssen. Im Folgenden stellen wir die Hauptbeiträge dieser Dissertation vor, eingebettet in den Kontext von Manipulationsaufgaben. $\textbf{Visuelle Wahrnehmung in Echtzeit trifft auf reaktive Bewegungsplanung}$ Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist ein voll integriertes Manipulationssystem das erste einheitliche Experimente und dadurch empirische Ergebnisse ermöglicht. Diese zeigen eindeutig, dass kontinuierliche, zeitnahe Wahrnehmung und die Integration mit schnellen Verfahren zur Erzeugung von reaktiven Bewegungen essenziell für erfolgreiche Manipulation in dynamischen Szenarien ist. Wir vergleichen drei verschiedene Systeme, welche die gängigsten Architekturen im Bereich Robotik für Manipulation repräsentieren: (i) Ein traditioneller $\textit{Sense-Plan-Act}$ Ansatz (aktuell am weitesten verbreitet), (ii) einen myopischen Regelungsansatz, der nur auf lokale Veränderungen reagiert und (iii) ein reaktives Planungsverfahren, das auf Änderungen der Umgebung reagiert diese in die Bewegungsplanung einbezieht und den aktuellen Plan transparent an einen schnelleres lokales Regelungsverfahren übergibt. Unser Gesamtsystem ist rein $\textit{modellbasiert}$ und umfangreich auf einer realen Roboterplattform in vier Szenarien empirisch evaluiert worden. Unsere experimentellen Szenarien beinhalten anspruchsvolle Geometrien im Arbeitsraum des Roboters, dynamische Umgebungen und Objekte mit denen der Roboter interagieren muss. Diese Arbeit zeigt den aktuellen Stand der Forschung, der mit einem \textit{modellbasierten} Manipulationssystem im Bereich der Robotik unter Verwendung von schnellen Rückkopplungen und langsamerer reaktiver Planung möglich ist. Angesichts des Interesses in der Robotikforschung $\textit{modellbasierte}$ Systeme mit $\textit{Ende-zu-Ende Lernansätzen}$ ganzheitlich zu ersetzen, ist es wichtig ein performantes $\textit{modellbasiertes}$ Referenzsystem zu haben um neue Methoden qualitativ in Hinblick auf ihre Fähigkeiten und ihre Generalisierbarkeit zu vergleichen. Weiterhin erlaubt ein solches System Probleme mit $\textit{modellbasierten}$ Ansätzen zu identifizieren und diese mithilfe von $\textit{learnbasierten}$ Methoden zu verbessern. $\textbf{Online Entscheidungsfindung für Manipulation}$ Die meisten Robotermanipulationssysteme verfügen über viele Sensoren mit unterschiedlichen Modalitäten und Rauschverhalten. Die Entwicklung von $\textit{Modellen}$ für alle Sensoren ist nicht trivial und die resultierende Modelle zu komplex für Echtzeitverarbeitung in $\textit{modellbasierten}$ Manipulationssystem. Planen mit vielen Sensormodalitäten ist besonders komplex aufgrund der vielen Modellunsicherheiten. Dies ist besonders ausgeprägt für Manipulationsaufgaben bei denen Kontakte zwischen Roboter und Objekten von Bedeutung sind. Eine der Hauptherausforderung für autonome Manipulation ist daher die Erzeugung geeigneter multimodaler Referenztrajektorien, die es ermöglichen Steuerbefehle für Regelungssysteme zu berechnen die nicht modellierte Störungen kompensieren und damit die Erfüllung der gestellten Manipulationsaufgabe ermöglichen. In dieser Arbeit stellen wir einen $\textit{lernbasierten}$ Ansatz zur inkrementellen Erfassung von Referenzsignalen vor, der in Echtzeit entscheidet $\textit{wann}$ ein Verhalten abgebrochen und zu $\textit{welchem}$ Verhalten gewechselt werden sollte, um eine erfolgreiche Ausführung zu gewährleisten. Wir formulieren dieses Online-Entscheidungsproblem als zwei miteinander verbundene Klassifikationsprobleme. Beide verarbeiten die aktuellen Sensormesswerte, zusammengesetzt aus mehreren Sensormodalitäten, in Echtzeit (in 30 Hz). Dieser Ansatz basiert auf unserem domänenspezifischen Problemverständnis, dass stereotypische Bewegungsgenerierung ähnliche Sensordaten erzeugt. Unsere Experimente zeigen, dass dieser Ansatz es ermöglicht schwierige kontextbasierte Aufgaben zu erlernen, die präzise Manipulation von relativ kleinen Objekten voraussetzen. Um eine solche Aufgabe zu erlernen, benötigt ein Benutzer unseres Systems kein Expertenwissen. Das System benötigt nur kinästhetische Demonstrationen und Unterbrechungen in Fehlersituationen. Die gelernte Aufgabenausführung ist robust gegen Störeinflüsse und Sensorrauschen, da unsere Methode online entscheidet, ob sie aufgrund von unerwarteter sensorischer Signale zu einer anderen Ausführung wechseln sollte oder nicht. $\textbf{Big-Data Greifen}$ Greifen ist ein wichtiges Forschungsproblem in der Robotik, da es eine Grundvoraussetzung für Manipulation darstellt. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf das Problem der Vorhersage von Position und Orientierung bevor ein Kontakt zwischen Objekt und Endeffektor eintritt. Für diesen grundlegenden Schritt um “erfolgreich zu greifen” stehen nur visuelle Sensordaten wie 2D-Bilder und/oder 3D-Punktwolken zur Verfügung. Die Verwendung von $\textit{modellbasierten}$ Greifplanern ist in solchen Situationen nicht optimal, da präzise Simulationen zu rechenintensiv sind und alle Objekte bekannt, erkannt und visuell verfolgt werden müssen. $\textit{Lernbasierte}$ Verfahren die direkt von visuellen Sensordaten stabile Griffe vorhersagen sind sehr effizient in der Auswertung jedoch benötigen die aktuell vielversprechendsten Verfahren, neuronale Netze, eine Vielzahl von annotierten Beispielen um diese Abbildung zu lernen. Im Rahmen dieser Arbeit stellen wir eine umfangreichen Datenbank mit einer Vielzahl von Objekten aus sehr unterschiedlichen Kategorien vor. Auf Basis dieser Datenbank analysieren wir drei Aspekte: (i) Eine Crowdsourcing Studie zeigt, dass unsere neu vorgestellte Metrik auf Basis einer physikalischen Simulation ein besserer Indikator für Greiferfolg im Vergleich zu der bestehenden Standard ϵ-Metrik ist. Darüber hinaus deutet unsere Studie darauf hin, dass unsere Datengenerierung keine manuelle Datenannotation benötigt. (ii) Die daraus resultierende Datenbank ermöglicht die Optimierung von parametrischen Lernverfahren wie neuronale Netze. Dadurch, dass wir eine Abbildung von Sensordaten zu möglichen Griffen lernen, muss das Objekt, seine Position und Orientierung nicht bekannt sein. Darüber hinaus zeigen wir, dass einfachere Methoden wie logistische Regression nicht die Kapazität haben um die Komplexität unserer Daten zu erfassen. (iii) Roboter nehmen ein Szenario typischerweise aus einem Blickwinkel wahr und versuchen ein Objekt mit dem ersten Versuch zu greifen. Klassifikationsverfahren sind nicht speziell für diese Verwendung optimiert, weshalb wir eine neue Formulierung erarbeiten, welche die beste, $\textit{top-1}$ Hypothese aus den jeweiligen Teilmengen auswählt. Diese neuartige Optimierungszielsetzung ermöglicht dies selbst auf unserem binären Datensatz, da das Lernverfahren selbst die Daten ordnet und somit einfach zu erkennende Griffe selbst auswählen kann. $\textbf{Lernen von inversen Dynamikmodellen für Manipulationsaufgaben}$ Sichere Bewegungsausführung auf Basis von Regelungskreisen sind entscheidend für Roboter die mit Menschen kollaborativ Manipulationsaufgaben lösen. Daher werden neue Methoden benötigt, die es ermöglichen inversen Dynamikmodelle zu lernen und bestehende Modelle zu verbessern, um Verstärkungsgrößen in Regelungskreisen zu minimieren. Dies ist besonders wichtig, wenn Objekte manipuliert werden, da sich das bekannte inverse Dynamikmodell dadurch verändert. Aktuelle Verfahren, welche Fehlermodelle zu bestehenden $\textit{modellbasierten}$ Regler für die inverse Dynamik zu lernen, werden auf Basis der erzielten Beschleunigungen und Drehmomenten optimiert. Da die tatsächlich realisierten Beschleunigungen, eine indirekte Datenquelle, jedoch nicht die gewünschten Beschleunigungen darstellen, werden hohe Verstärkungen im Regelkreis benötigt, um relevantere Daten zu erhalten die es erlauben ein gutes Modell zu lernen. Hohe Verstärkung im Regelkreis ist wiederum schlecht für die Sicherheit. In dieser Arbeit leiten wir ein zusätzliches Trainingssignal her, das auf der gewünschten Beschleunigungen basiert und von dem Rückkopplungssignal abgeleitet werden kann. Wir analysieren die Nutzung beider Datenquellen in Simulation und demonstrieren ihre Wirksamkeit auf einer realen Roboterplattform. Wir zeigen, dass das System das gelernte inverse Dynamikmodell inkrementell verbessert. Durch die Kombination beider Datenquellen kann ein neues Modell konsistenter und schneller gelernt werden und zusätzlich werden keine hohen Verstärkungen im Regelungskreis benötigt. $\textbf{Lernen wie man lernt, während man lernt}$ Menschen sind bemerkenswert gut darin, neue oder angepasste Fähigkeiten schnell zu erlernen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass wir nicht jede neue Fähigkeit von Grund auf neu erlernen, sondern stattdessen auf den bereits gewonnenen Fertigkeiten aufbauen. Die meisten robotergestützten Lernaufgaben würden davon profitieren, wenn sie ein solches abstraktes Meta-Lernverfahren zur Verfügung hätten. Ein solcher Ansatz ist von großer Bedeutung für die Robotik, da autonomes Lernen ein inhärent inkrementelles Problem ist. In dieser Arbeit stellen wir einen neuen $\textit{Meta-Lernansatz}$ vor, der es erstmals ermöglicht die Roboterdynamik online zu erlernen und auf neue Probleme zu übertragen. Während der Optimierung lernt unser Verfahren die Struktur der Optimierungsprobleme, welche für neue Aufgaben verwendet werden kann, was zu einer schnelleren Konvergenz führt. Das vorgeschlagene $\textit{Meta-Lernverfahren}$ kann zudem mit jedem beliebigen gradientenbasierten Optimierungsansatz verwendet werden. Wir zeigen, dass unser Ansatz die Dateneffizienz für inkrementelles Lernen erhöht. Weiterhin ist unser Verfahren für das $\textit{online Lernen}$ mit korrelierten Daten geeignet, zum Beispiel für inverse Dynamikmodelle. Der vorgestellte Ansatz eröffnet zusätzlich völlig neue Wege um in Simulation gewonnene Erfahrungen in die reale Welt zu transferieren. Dadurch kann möglicherweise bestehendes Domänenwissen in Form von $\textit{modellbasierter}$ Simulation auf völlig neue Weise verwendet werden

Perception and manipulation for robot-assisted dressing

Assistive robots have the potential to provide tremendous support for disabled and elderly people in their daily dressing activities. This thesis presents a series of perception and manipulation algorithms for robot-assisted dressing, including: garment perception and grasping prior to robot-assisted dressing, real-time user posture tracking during robot-assisted dressing for (simulated) impaired users with limited upper-body movement capability, and finally a pipeline for robot-assisted dressing for (simulated) paralyzed users who have lost the ability to move their limbs. First, the thesis explores learning suitable grasping points on a garment prior to robot-assisted dressing. Robots should be endowed with the ability to autonomously recognize the garment state, grasp and hand the garment to the user and subsequently complete the dressing process. This is addressed by introducing a supervised deep neural network to locate grasping points. To reduce the amount of real data required, which is costly to collect, the power of simulation is leveraged to produce large amounts of labeled data. Unexpected user movements should be taken into account during dressing when planning robot dressing trajectories. Tracking such user movements with vision sensors is challenging due to severe visual occlusions created by the robot and clothes. A probabilistic real-time tracking method is proposed using Bayesian networks in latent spaces, which fuses multi-modal sensor information. The latent spaces are created before dressing by modeling the user movements, taking the user's movement limitations and preferences into account. The tracking method is then combined with hierarchical multi-task control to minimize the force between the user and the robot. The proposed method enables the Baxter robot to provide personalized dressing assistance for users with (simulated) upper-body impairments. Finally, a pipeline for dressing (simulated) paralyzed patients using a mobile dual-armed robot is presented. The robot grasps a hospital gown naturally hung on a rail, and moves around the bed to finish the upper-body dressing of a hospital training manikin. To further improve simulations for garment grasping, this thesis proposes to update more realistic physical properties values for the simulated garment. This is achieved by measuring physical similarity in the latent space using contrastive loss, which maps physically similar examples to nearby points.Open Acces

Prediction and control in human neuromusculoskeletal models

Computational neuromusculoskeletal modelling enables the generation and testing of hypotheses about human movement on a large scale, in silico. Humanoid models, which increasingly aim to replicate the full complexity of the human nervous and musculoskeletal systems, are built on extensive prior knowledge, extracted from anatomical imaging, kinematic and kinetic measurement, and codified as model description. Where inverse dynamic analysis is applied, its basis is in Newton's laws of motion, and in solving for muscular redundancy it is necessary to invoke knowledge of central nervous motor strategy. This epistemological approach contrasts strongly with the models of machine learning, which are generally over-parameterised and largely data-driven. Even as spectacular performance has been delivered by the application of these models in a number of discrete domains of artificial intelligence, work towards general human-level intelligence has faltered, leading many to wonder if the data-driven approach is fundamentally limited, and spurring efforts to combine machine learning with knowledge-based modelling. Through a series of five studies, this thesis explores the combination of neuromusculoskeletal modelling with machine learning in order to enhance the core tasks of prediction and control. Several principles for the development of clinically useful artificially intelligent systems emerge: stability, computational efficiency and incorporation of prior knowledge. The first study concerns the use of neural network function approximators for the prediction of internal forces during human movement, an important task with many clinical applications, but one for which the standard tools of modelling are slow and cumbersome. By training on a large dataset of motions and their corresponding forces, state of the art performance is demonstrated, with many-fold increases in inference speed enabling the deployment of trained models for use in a real time biofeedback system. Neural networks trained in this way, to imitate some optimal controller, encode a mapping from high-level movement descriptors to actuator commands, and may thus be deployed in simulation as \textit{policies} to control the actions of humanoid models. Unfortunately, the high complexity of realistic simulation makes stable control a challenging task, beyond the capabilities of such naively trained models. The objective of the second study was to improve performance and stability of policy-based controllers for humanoid models in simulation. A novel technique was developed, borrowing from established unsupervised adversarial methods in computer vision. This technique enabled significant gains in performance relative to a neural network baseline, without the need for additional access to the optimal controller. For the third study, increases in the capabilities of these policy-based controllers were sought. Reinforcement learning is widely considered the most powerful means of optimising such policies, but it is computationally inefficient, and this inefficiency limits its clinical utility. To mitigate this problem, a novel framework, making use of domain-specific knowledge present in motion data, and in an inverse model of the biomechanical system, was developed. Training on simple desktop hardware, this framework enabled rapid initialisation of humanoid models that were able to move naturally through a 3-dimensional simulated environment, with 900-fold improvements in sample efficiency relative to a related technique based on pure reinforcement learning. After training with subject-specific anatomical parameters, and motion data, learned policies represent personalised models of motor control that may be further interrogated to test hypotheses about movement. For the fourth study, subject-specific controllers were taken and used as the substrate for transfer learning, by removing kinematic constraints and optimising with respect to the magnitude of the medial knee joint reaction force, an important biomechanical variable in osteoarthritis of the knee. Models learned new kinematic strategies for the reduction of this biomarker, which were subsequently validated by their use, in the real world, to construct subject-specific routines for real time gait retraining. Six out of eight subjects were able to reduce medial knee joint loading by pursuing the personalised kinematic targets found in simulation. Personalisation of assistive devices, such as limb prostheses, is another area of growing interest, and one for which computational frameworks promise cost-effective solutions. Reinforcement learning provides powerful techniques for this task but the expansion of the scope of optimisation, to include previously static elements of a prosthesis, is problematic for its complexity and resulting sample inefficiency. The fifth and final study demonstrates a new algorithm that leverages the methods described in the previous studies, and additional techniques for variance control, to surmount this problem, improving sample efficiency and simultaneously, through the use of prior knowledge encoded in motion data, providing a rational means of determining optimality in the prosthesis. Trained models were able to jointly optimise motor control and prosthesis design to enable improved performance in a walking task, and optimised designs were robust to both random seed and reward specification. This algorithm could be used to speed the design and production of real personalised prostheses, representing a potent realisation of the potential benefits of combined reinforcement learning and realistic neuromusculoskeletal modelling.Open Acces

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

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Rich and Robust Bio-Inspired Locomotion Control for Humanoid Robots

Bipedal locomotion is a challenging task in the sense that it requires to maintain dynamic balance while steering the gait in potentially complex environments. Yet, humans usually manage to move without any apparent difficulty, even on rough terrains. This requires a complex control scheme which is far from being understood. In this thesis, we take inspiration from the impressive human walking capabilities to design neuromuscular controllers for humanoid robots. More precisely, we control the robot motors to reproduce the action of virtual muscles commanded by stimulations (i.e. neural signals), similarly to what is done during human locomotion. Because the human neural circuitry commanding these muscles is not completely known, we make hypotheses about this control scheme to simplify it and progressively refine the corresponding rules. This thesis thus aims at developing new walking algorithms for humanoid robots in order to obtain fast, human-like and energetically efficient gaits. In particular, gait robustness and richness are two key aspects of this work. In other words, the gaits developed in the thesis can be steered by an external operator, while being resistant to external perturbations. This is mainly tested during blind walking experiments on COMAN, a 95 cm tall humanoid robot. Yet, the proposed controllers can be adapted to other humanoid robots. In the beginning of this thesis, we adapt and port an existing reflex-based neuromuscular model to the real COMAN platform. When tested in a 2D simulation environment, this model was capable of reproducing stable human-like locomotion. By porting it to real hardware, we show that these neuromuscular controllers are viable solutions to develop new controllers for robotics locomotion. Starting from this reflex-based model, we progressively iterate and transform the stimulation rules to add new features. In particular, gait modulation is obtained with the inclusion of a central pattern generator (CPG), a neural circuit capable of producing rhythmic patterns of neural activity without receiving rhythmic inputs. Using this CPG, the 2D walker controllers are incremented to generate gaits across a range of forward speeds close to the normal human one. By using a similar control method, we also obtain 2D running gaits whose speed can be controlled by a human operator. The walking controllers are later extended to 3D scenarios (i.e. no motion constraint) with the capability to adapt both the forward speed and the heading direction (including steering curvature). In parallel, we also develop a method to automatically learn stimulation networks for a given task and we study how flexible feet affect the gait in terms of robustness and energy efficiency. In sum, we develop neuromuscular controllers generating human-like gaits with steering capabilities. These controllers recruit three main components: (i) virtual muscles generating torque references at the joint level, (ii) neural signals commanding these muscles with reflexes and CPG signals, and (iii) higher level commands controlling speed and heading. Interestingly, these developments target humanoid robots locomotion but can also be used to better understand human locomotion. In particular, the recruitment of a CPG during human locomotion is still a matter open to debate. This question can thus benefit from the experiments performed in this thesis

Motion Control of the Hybrid Wheeled-Legged Quadruped Robot Centauro

Emerging applications will demand robots to deal with a complex environment, which lacks the structure and predictability of the industrial workspace. Complex scenarios will require robot complexity to increase as well, as compared to classical topologies such as fixed-base manipulators, wheeled mobile platforms, tracked vehicles, and their combinations. Legged robots, such as humanoids and quadrupeds, promise to provide platforms which are flexible enough to handle real world scenarios; however, the improved flexibility comes at the cost of way higher control complexity. As a trade-off, hybrid wheeled-legged robots have been proposed, resulting in the mitigation of control complexity whenever the ground surface is suitable for driving. Following this idea, a new hybrid robot called Centauro has been developed inside the Humanoid and Human Centered Mechatronics lab at Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). Centauro is a wheeled-legged quadruped with a humanoid bi-manual upper-body. Differently from other platform of similar concept, Centauro employs customized actuation units, which provide high torque outputs, moderately fast motions, and the possibility to control the exerted torque. Moreover, with more than forty motors moving its limbs, Centauro is a very redundant platform, with the potential to execute many different tasks at the same time. This thesis deals with the design and development of a software architecture, and a control system, tailored to such a robot; both wheeled and legged locomotion strategies have been studied, as well as prioritized, whole-body and interaction controllers exploiting the robot torque control capabilities, and capable to handle the system redundancy. A novel software architecture, made of (i) a real-time robotic middleware, and (ii) a framework for online, prioritized Cartesian controller, forms the basis of the entire work