Autonomous 3D geometry reconstruction through robot-manipulated optical sensors

Many industrial sectors face increasing production demands and the need to reduce costs, without compromising the quality. The use of robotics and automation has grown significantly in recent years, but versatile robotic manipulators are still not commonly used in small factories. Beside of the investments required to enable efficient and profitable use of robot technology, the efforts needed to program robots are only economically viable in case of large lot sizes. Generating robot programs for specific manufacturing tasks still relies on programming trajectory waypoints by hand. The use of virtual simulation software and the availability of the specimen digital models can facilitate robot programming. Nevertheless, in many cases, the virtual models are not available or there are excessive differences between virtual and real setups, leading to inaccurate robot programs and time-consuming manual corrections. Previous works have demonstrated the use of robot-manipulated optical sensors to map the geometry of samples. However, the use of simple user-defined robot paths, which are not optimized for a specific part geometry, typically causes some areas of the samples to not be mapped with the required level of accuracy or to not be sampled at all by the optical sensor. This work presents an autonomous framework to enable adaptive surface mapping, without any previous knowledge of the part geometry being transferred to the system. The novelty of this work lies in enabling the capability of mapping a part surface at the required level of sampling density, whilst minimizing the number of necessary view poses. Its development has also led to an efficient method of point cloud down-sampling and merging. The article gives an overview of the related work in the field, a detailed description of the proposed framework and a proof of its functionality through both simulated and experimental evidences

Active Vision and Surface Reconstruction for 3D Plant Shoot Modelling

Plant phenotyping is the quantitative description of a plant’s physiological, biochemical and anatomical status which can be used in trait selection and helps to provide mechanisms to link underlying genetics with yield. Here, an active vision- based pipeline is presented which aims to contribute to reducing the bottleneck associated with phenotyping of architectural traits. The pipeline provides a fully automated response to photometric data acquisition and the recovery of three-dimensional (3D) models of plants without the dependency of botanical expertise, whilst ensuring a non-intrusive and non-destructive approach. Access to complete and accurate 3D models of plants supports computation of a wide variety of structural measurements. An Active Vision Cell (AVC) consisting of a camera-mounted robot arm plus combined software interface and a novel surface reconstruction algorithm is proposed. This pipeline provides a robust, flexible and accurate method for automating the 3D reconstruction of plants. The reconstruction algorithm can reduce noise and provides a promising and extendable framework for high throughput phenotyping, improving current state-of-the-art methods. Furthermore, the pipeline can be applied to any plant species or form due to the application of an active vision framework combined with the automatic selection of key parameters for surface reconstruction

Human-robot interaction and computer-vision-based services for autonomous robots

L'Aprenentatge per Imitació (IL), o Programació de robots per Demostració (PbD), abasta mètodes pels quals un robot aprèn noves habilitats a través de l'orientació humana i la imitació. La PbD s'inspira en la forma en què els éssers humans aprenen noves habilitats per imitació amb la finalitat de desenvolupar mètodes pels quals les noves tasques es poden transferir als robots. Aquesta tesi està motivada per la pregunta genèrica de "què imitar?", Que es refereix al problema de com extreure les característiques essencials d'una tasca. Amb aquesta finalitat, aquí adoptem la perspectiva del Reconeixement d'Accions (AR) per tal de permetre que el robot decideixi el què cal imitar o inferir en interactuar amb un ésser humà. L'enfoc proposat es basa en un mètode ben conegut que prové del processament del llenguatge natural: és a dir, la bossa de paraules (BoW). Aquest mètode s'aplica a grans bases de dades per tal d'obtenir un model entrenat. Encara que BoW és una tècnica d'aprenentatge de màquines que s'utilitza en diversos camps de la investigació, en la classificació d'accions per a l'aprenentatge en robots està lluny de ser acurada. D'altra banda, se centra en la classificació d'objectes i gestos en lloc d'accions. Per tant, en aquesta tesi es demostra que el mètode és adequat, en escenaris de classificació d'accions, per a la fusió d'informació de diferents fonts o de diferents assajos. Aquesta tesi fa tres contribucions: (1) es proposa un mètode general per fer front al reconeixement d'accions i per tant contribuir a l'aprenentatge per imitació; (2) la metodologia pot aplicar-se a grans bases de dades, que inclouen diferents modes de captura de les accions; i (3) el mètode s'aplica específicament en un projecte internacional d'innovació real anomenat Vinbot.El Aprendizaje por Imitación (IL), o Programación de robots por Demostración (PbD), abarca métodos por los cuales un robot aprende nuevas habilidades a través de la orientación humana y la imitación. La PbD se inspira en la forma en que los seres humanos aprenden nuevas habilidades por imitación con el fin de desarrollar métodos por los cuales las nuevas tareas se pueden transferir a los robots. Esta tesis está motivada por la pregunta genérica de "qué imitar?", que se refiere al problema de cómo extraer las características esenciales de una tarea. Con este fin, aquí adoptamos la perspectiva del Reconocimiento de Acciones (AR) con el fin de permitir que el robot decida lo que hay que imitar o inferir al interactuar con un ser humano. El enfoque propuesto se basa en un método bien conocido que proviene del procesamiento del lenguaje natural: es decir, la bolsa de palabras (BoW). Este método se aplica a grandes bases de datos con el fin de obtener un modelo entrenado. Aunque BoW es una técnica de aprendizaje de máquinas que se utiliza en diversos campos de la investigación, en la clasificación de acciones para el aprendizaje en robots está lejos de ser acurada. Además, se centra en la clasificación de objetos y gestos en lugar de acciones. Por lo tanto, en esta tesis se demuestra que el método es adecuado, en escenarios de clasificación de acciones, para la fusión de información de diferentes fuentes o de diferentes ensayos. Esta tesis hace tres contribuciones: (1) se propone un método general para hacer frente al reconocimiento de acciones y por lo tanto contribuir al aprendizaje por imitación; (2) la metodología puede aplicarse a grandes bases de datos, que incluyen diferentes modos de captura de las acciones; y (3) el método se aplica específicamente en un proyecto internacional de innovación real llamado Vinbot.Imitation Learning (IL), or robot Programming by Demonstration (PbD), covers methods by which a robot learns new skills through human guidance and imitation. PbD takes its inspiration from the way humans learn new skills by imitation in order to develop methods by which new tasks can be transmitted to robots. This thesis is motivated by the generic question of “what to imitate?” which concerns the problem of how to extract the essential features of a task. To this end, here we adopt Action Recognition (AR) perspective in order to allow the robot to decide what has to be imitated or inferred when interacting with a human kind. The proposed approach is based on a well-known method from natural language processing: namely, Bag of Words (BoW). This method is applied to large databases in order to obtain a trained model. Although BoW is a machine learning technique that is used in various fields of research, in action classification for robot learning it is far from accurate. Moreover, it focuses on the classification of objects and gestures rather than actions. Thus, in this thesis we show that the method is suitable in action classification scenarios for merging information from different sources or different trials. This thesis makes three contributions: (1) it proposes a general method for dealing with action recognition and thus to contribute to imitation learning; (2) the methodology can be applied to large databases which include different modes of action captures; and (3) the method is applied specifically in a real international innovation project called Vinbot

Automated model acquisition from range images with view planning

We present an incremental system that builds accurate CAD models of objects from multiple range images. Using a hybrid of surface mesh and volumetric representations, the system creates a "water-tight" 3D model at each step of the modeling process, allowing reasonable models to be built from a small number of views. We also present a method that can be used to plan the next view and reduce the number of scans needed to recover the object. Results are presented for the creation of 3D models of a computer game controller, a hip joint prosthesis, and a mechanical strut

Learning from human-robot interaction

En los últimos años cada vez es más frecuente ver robots en los hogares. La robótica está cada vez más presente en muchos aspectos de nuestras vidas diarias, en aparatos de asistencia doméstica, coches autónomos o asistentes personales. La interacción entre estos robots asistentes y los usuarios es uno de los aspectos clave en la robótica de servicio. Esta interacción necesita ser cómoda e intuitiva para que sea efectiva su utilización. Estas interacciones con los usuarios son necesarias para que el robot aprenda y actualice de manera natural tanto su modelo del mundo como sus capacidades. Dentro de los sistemas roboticos de servicio, hay muchos componentes que son necesarios para su buen funcionamiento. Esta tesis esta centrada en el sistema de percepción visual de dichos sistemas.Para los humanos la percepción visual es uno de los componentes más esenciales, permitiendo tareas como reconocimiento de objetos u otras personas, o estimación de información 3D. Los grandes logros obtenidos en los últimos años en tareas de reconocimiento automático utilizan los enfoques basados en aprendizaje automático, en particular técnicas de deep learning. La mayoría de estos trabajos actuales se centran en modelos entrenados 'a priori' en un conjunto de datos muy grandes. Sin embargo, estos modelos, aunque entrenados en una gran cantidad de datos, no pueden, en general, hacer frente a los retos que aparecen al tratar con datos reales en entornos domésticos. Por ejemplo, es frecuente que se de el caso de tener nuevos objetos que no existían durante el entrenamiento de los modelos. Otro reto viene de la dispersión de los objetos, teniendo objetos que aparecen muy raramente y por lo tanto habia muy pocos, o ningún, ejemplos en los datos de entenamiento disponibles al crear el modelo.Esta tesis se ha desarrollado dentro del contexto del proyecto IGLU (Interactive Grounded Language Understanding). Dentro del proyecto y sus objetivos, el objetivo principal de esta Tesis doctoral es investigar métodos novedosos para que un robot aprenda de manera incremental mediante la interacción multimodal con el usuario.Desarrollando dicho objetivo principal, los principales trabajos desarrollados durante esta tesis han sido:-Crear un benchmark más adecuado para las tareas de aprendizaje mediante la interacción natural de usuario y robot. Por ejemplo, la mayoría de los datasets para la tarea de reconocimiento de objetos se centra en fotos de diferentes escenarios con múltiples clases por foto. Es necesario un dataset que combine interacción usuario robot con aprendizaje de objetos.-Mejorar sistemas existentes de aprendizaje de objetos y adecuarlos para aprendizaje desde la interacción multimodal humana. Los trabajos de detección de objetos se focalizan en detectar todos los objetos aprendidos en una imagen. Nuestro objetivo es usar la interacción para encontrar el objeto de referencia y aprenderlo incrementalmente.-Desarrollar métodos de aprendizaje incremental que se puedan utilizar en escenarios incrementales, p.e., la aparición de una nueva clase de objeto o cambios a lo largo del tiempo dentro de una clase objetos. Nuestro objetivo es diseñar un sistema que pueda aprender clases desde cero y que pueda actualizar los datos cuando estos aparecen.-Crear un completo prototipo para el aprendizaje incremental y multimodal usando la interacción humana-robot. Se necesita realizar la integración de los distintos métodos desarrollados como parte de los otros objetivos y evaluarlo.<br /

High-level environment representations for mobile robots

In most robotic applications we are faced with the problem of building a digital representation of the environment that allows the robot to autonomously complete its tasks. This internal representation can be used by the robot to plan a motion trajectory for its mobile base and/or end-effector. For most man-made environments we do not have a digital representation or it is inaccurate. Thus, the robot must have the capability of building it autonomously. This is done by integrating into an internal data structure incoming sensor measurements. For this purpose, a common solution consists in solving the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem. The map obtained by solving a SLAM problem is called ``metric'' and it describes the geometric structure of the environment. A metric map is typically made up of low-level primitives (like points or voxels). This means that even though it represents the shape of the objects in the robot workspace it lacks the information of which object a surface belongs to. Having an object-level representation of the environment has the advantage of augmenting the set of possible tasks that a robot may accomplish. To this end, in this thesis we focus on two aspects. We propose a formalism to represent in a uniform manner 3D scenes consisting of different geometric primitives, including points, lines and planes. Consequently, we derive a local registration and a global optimization algorithm that can exploit this representation for robust estimation. Furthermore, we present a Semantic Mapping system capable of building an \textit{object-based} map that can be used for complex task planning and execution. Our system exploits effective reconstruction and recognition techniques that require no a-priori information about the environment and can be used under general conditions

Robot Learning from Human Demonstration: Interpretation, Adaptation, and Interaction

Robot Learning from Demonstration (LfD) is a research area that focuses on how robots can learn new skills by observing how people perform various activities. As humans, we have a remarkable ability to imitate other human’s behaviors and adapt to new situations. Endowing robots with these critical capabilities is a significant but very challenging problem considering the complexity and variation of human activities in highly dynamic environments. This research focuses on how robots can learn new skills by interpreting human activities, adapting the learned skills to new situations, and naturally interacting with humans. This dissertation begins with a discussion of challenges in each of these three problems. A new unified representation approach is introduced to enable robots to simultaneously interpret the high-level semantic meanings and generalize the low-level trajectories of a broad range of human activities. An adaptive framework based on feature space decomposition is then presented for robots to not only reproduce skills, but also autonomously and efficiently adjust the learned skills to new environments that are significantly different from demonstrations. To achieve natural Human Robot Interaction (HRI), this dissertation presents a Recurrent Neural Network based deep perceptual control approach, which is capable of integrating multi-modal perception sequences with actions for robots to interact with humans in long-term tasks. Overall, by combining the above approaches, an autonomous system is created for robots to acquire important skills that can be applied to human-centered applications. Finally, this dissertation concludes with a discussion of future directions that could accelerate the upcoming technological revolution of robot learning from human demonstration