Introduction to the special issue “Robotica 2016”

Autonomous robotics has seen its popularity and application in distinct fields, namely in services and industry, increase significantly in the last two decades. Several areas related with robotics have been addressed by the academic community and thus journals and conferences emerged to broadly disseminate the developed knowledge. The IEEE International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions (ICARSC) gathers participants from academia and industry, working in the field of autonomous robot systems and related areas. It is organized since 2001 in parallel to the Portuguese Robotics Open, and aims at exploring and discussing the latest trends in research and technology in the fields of robotics and related areas. The authors of the best papers presented at ICARSC 2016 were invited to submit extended and improved versions of their manuscripts to this “Robotica 2016” special issue.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Kinematics and Robot Design I, KaRD2018

This volume collects the papers published on the Special Issue “Kinematics and Robot Design I, KaRD2018” (https://www.mdpi.com/journal/robotics/special_issues/KARD), which is the first issue of the KaRD Special Issue series, hosted by the open access journal “MDPI Robotics”. The KaRD series aims at creating an open environment where researchers can present their works and discuss all the topics focused on the many aspects that involve kinematics in the design of robotic/automatic systems. Kinematics is so intimately related to the design of robotic/automatic systems that the admitted topics of the KaRD series practically cover all the subjects normally present in well-established international conferences on “mechanisms and robotics”. KaRD2018 received 22 papers and, after the peer-review process, accepted only 14 papers. The accepted papers cover some theoretical and many design/applicative aspects

Decentralized Autonomous Navigation Strategies for Multi-Robot Search and Rescue

In this report, we try to improve the performance of existing approaches for search operations in multi-robot context. We propose three novel algorithms that are using a triangular grid pattern, i.e., robots certainly go through the vertices of a triangular grid during the search procedure. The main advantage of using a triangular grid pattern is that it is asymptotically optimal in terms of the minimum number of robots required for the complete coverage of an arbitrary bounded area. We use a new topological map which is made and shared by robots during the search operation. We consider an area that is unknown to the robots a priori with an arbitrary shape, containing some obstacles. Unlike many current heuristic algorithms, we give mathematically proofs of convergence of the algorithms. The computer simulation results for the proposed algorithms are presented using a simulator of real robots and environment. We evaluate the performance of the algorithms via experiments with real robots. We compare the performance of our own algorithms with three existing algorithms from other researchers. The results demonstrate the merits of our proposed solution. A further study on formation building with obstacle avoidance for a team of mobile robots is presented in this report. We propose a decentralized formation building with obstacle avoidance algorithm for a group of mobile robots to move in a defined geometric configuration. Furthermore, we consider a more complicated formation problem with a group of anonymous robots; these robots are not aware of their position in the final configuration and need to reach a consensus during the formation process. We propose a randomized algorithm for the anonymous robots that achieves the convergence to a desired configuration with probability 1. We also propose a novel obstacle avoidance rule, used in the formation building algorithm.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1402.5188 by other author

Kinematics and Robot Design II (KaRD2019) and III (KaRD2020)

This volume collects papers published in two Special Issues “Kinematics and Robot Design II, KaRD2019” (https://www.mdpi.com/journal/robotics/special_issues/KRD2019) and “Kinematics and Robot Design III, KaRD2020” (https://www.mdpi.com/journal/robotics/special_issues/KaRD2020), which are the second and third issues of the KaRD Special Issue series hosted by the open access journal robotics.The KaRD series is an open environment where researchers present their works and discuss all topics focused on the many aspects that involve kinematics in the design of robotic/automatic systems. It aims at being an established reference for researchers in the field as other serial international conferences/publications are. Even though the KaRD series publishes one Special Issue per year, all the received papers are peer-reviewed as soon as they are submitted and, if accepted, they are immediately published in MDPI Robotics. Kinematics is so intimately related to the design of robotic/automatic systems that the admitted topics of the KaRD series practically cover all the subjects normally present in well-established international conferences on “mechanisms and robotics”.KaRD2019 together with KaRD2020 received 22 papers and, after the peer-review process, accepted only 17 papers. The accepted papers cover problems related to theoretical/computational kinematics, to biomedical engineering and to other design/applicative aspects

Applied Mathematics to Mechanisms and Machines

This book brings together all 16 articles published in the Special Issue "Applied Mathematics to Mechanisms and Machines" of the MDPI Mathematics journal, in the section “Engineering Mathematics”. The subject matter covered by these works is varied, but they all have mechanisms as the object of study and mathematics as the basis of the methodology used. In fact, the synthesis, design and optimization of mechanisms, robotics, automotives, maintenance 4.0, machine vibrations, control, biomechanics and medical devices are among the topics covered in this book. This volume may be of interest to all who work in the field of mechanism and machine science and we hope that it will contribute to the development of both mechanical engineering and applied mathematics

Nutzerorientierte Evaluation zweier altersgerechter Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living-Roboter“) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen: MOBOT-Rollator und I-SUPPORT-Duschroboter

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die nutzerorientierte Evaluation zweier Prototypen für altersgerechte Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living“ [AAL]-Roboter) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen. Bei den Prototypen handelt es sich dabei um (1) einen robotergestützten Rollator zur Unterstützung der Mobilität (MOBOT) und (2) einen Assistenzroboter zur Unterstützung von Duschaktivitäten (I-SUPPORT). Manuskript I dokumentiert eine systematische Literaturanalyse des methodischen Vorgehens bisheriger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive. Die meisten Studien zeigen erhebliche methodische Mängel, wie unzureichende Stichprobengrößen/-beschreibungen; Teilnehmer nicht repräsentativ für die Nutzergruppe der robotergestützten Rollatoren; keine geeigneten, standardisierten und validierten Assessmentmethoden und/oder keine Inferenzstatistik. Ein generisches methodisches Vorgehen für die Evaluation robotergestützter Rollatoren konnte nicht identifiziert werden. Für die Konzeption und Durchführung zukünftiger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren, aber auch anderer AAL-Systeme werden in Manuskript I abschließend Handlungsempfehlungen formuliert. Manuskript II analysiert die Untersuchungsergebnisse der in Manuskript I identifizierten Studien. Es zeigen sich sehr heterogene Ergebnisse hinsichtlich des Mehrwerts der innovativen Assistenzfunktionen von robotergestützten Rollatoren. Im Allgemeinen werden sie jedoch als positiv von den Nutzern wahrgenommen. Die große Heterogenität und methodischen Mängel der Studien schränken die Interpretierbarkeit ihre Untersuchungsergebnisse stark ein. Insgesamt verdeutlicht Manuskript II, dass die Evidenz zur Effektivität und positiven Wahrnehmung robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive noch unzureichend ist. Basierend auf den Erkenntnissen und Handlungsempfehlungen der systematischen Literaturanalysen aus Manuskript I und II wurden die nutzerorientierten Evaluationsstudien des MOBOT-Rollators konzipiert und durchgeführt (Manuskript III-VI). Manuskript III überprüft die Effektivität des in den MOBOT-Rollator integrierten Navigationssystems bei potentiellen Nutzern (= ältere Personen mit Gangstörungen bzw. Rollator als Gehhilfe im Alltag). Es liefert erstmals einen statistischen Nachweis dafür, dass eine solche Assistenzfunktion effektiv ist, um die Navigationsleistung der Nutzer (z. B. geringer Stoppzeit, kürzere Wegstrecke) – insbesondere derjenigen mit kognitiven Einschränkungen – in einem realitätsnahen Anwendungsszenario zu verbessern. Manuskript IV untersucht die konkurrente Validität des MOBOT-integrierten Ganganalysesystems bei potentiellen Nutzern. Im Vergleich zu einem etablierten Referenzstandard (GAITRite®-System) zeigt es eine hohe konkurrente Validität für die Erfassung zeitlicher, nicht jedoch raumbezogener Gangparameter. Diese können zwar ebenfalls mit hoher Konsistenz gemessen werden, aber lediglich mit einer begrenzten absoluten Genauigkeit. Manuskript V umfasst die nutzerorientierte Evaluation der im MOBOT-Rollator integrierten Assistenzfunktion zur Hindernisvermeidung und belegt erstmals die Effektivität einer solchen Funktionen bei potentiellen Nutzern. Unter Verwendung des für den MOBOT-Rollator neu entwickelten technischen Ansatzes für die Hindernisvermeidung zeigten die Teilnehmer signifikante Verbesserungen bei der Bewältigung eines Hindernisparcours (weniger Kollisionen und geringere Annäherungsgeschwindigkeit an die Hindernisse). Manuskript VI dokumentiert die Effektivität und Zufriedenheit mit der Aufstehhilfe des MOBOT-Rollators von potentiellen Nutzern. Es wird gezeigt, dass die Erfolgsrate für den Sitzen-Stehen-Transfer älterer Personen mit motorischen Einschränkungen durch die Aufstehhilfe signifikant verbessert werden kann. Die Ergebnisse belegen zudem eine hohe Nutzerzufriedenheit mit dieser Assistenzfunktion, insbesondere bei Personen mit höherem Body-Mass-Index. Manuskript VII untersucht die Mensch-Roboter-Interaktion zwischen dem I-SUPPORT-Duschroboter und seiner potentiellen Nutzer (= ältere Personen mit Problemen bei Baden/Duschen) und überprüft deren Effektivität sowie Zufriedenheit mit drei unterschiedlich autonomen Betriebsmodi. Die Studienergebnisse dokumentieren, dass sich mit zunehmender Kontrolle des Nutzers (= abnehmende Autonomie des Duschroboters) nicht nur die Effektivität für das Abduschen eines definierten Körperbereichs verringert, sondern auch die Nutzerzufriedenheit sinkt. Manuskript VIII umfasst die Evaluation eines spezifischen Nutzertrainings auf die gestenbasierte Mensch-Roboter-Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter. Es wird gezeigt, dass ein solches Training die Ausführung der Gesten potentieller Nutzer und sowie die Gestenerkennungsrate des Duschroboters signifikant verbessern, was insgesamt auf eine optimierte Mensch-Roboter-Interaktion in Folge des Trainings schließen lässt. Teilnehmer mit der schlechtesten Ausgangsleistung in der Ausführung der Gesten und mit der größten Angst vor Technologien profitierten am meisten vom Nutzertraining. Insgesamt belegen die Studienergebnisse zur nutzerorientierten Evaluation des MOBOT-Rollators die Effektivität und Gültigkeit seiner innovativen Teilfunktionen. Sie weisen auf ein hohes Potential der Assistenzfunktionen (Navigationssystem, Hindernisvermeidung, Aufstehhilfe) zur Verbesserung der Mobilität älterer Menschen mit motorischen Einschränkungen hin. Vor dem Hintergrund der methodischen Mängel und unzureichenden evidenzbasierten Datenlage hierzu, liefert diese Dissertationsschrift erstmals statistische Belege für den Mehrwert solcher Teilfunktionen bei potentiellen Nutzern und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Schließung der bisherigen Forschungslücke hinsichtlich des nutzerorientierten Wirksamkeits- und Gültigkeitsnachweises robotergestützter Rollatoren und ihrer innovativen Teilfunktionen. Die Ergebnisse der Studien des I-SUPPORT-Duschroboters liefern wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Mensch-Roboter-Interaktion im höheren Alter. Sie zeigen, dass bei älteren Nutzern für eine effektive Interaktion Betriebsmodi mit einem hohen Maß an Autonomie des Duschroboters notwendig sind. Trotz ihrer eingeschränkten Kontrolle über den Roboter, waren die Nutzer mit dem autonomsten Betriebsmodus sogar am zufriedensten. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse hinsichtlich der gestenbasierten Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter, dass zukünftige Entwicklungen von altersgerechten Assistenzrobotern mit gestenbasierter Interaktion nicht nur die Verbesserungen technischer Aspekte, sondern auch die Sicherstellung und Verbesserungen der Qualität der Nutzergesten für die Mensch-Roboter-Interaktion durch geeignete Trainings- oder Schulungsmaßnahmen berücksichtigen sollten. Das vorgestellte Nutzertraining könnte hierfür ein mögliches Modell darstellen

Bio-Inspired Robotics

Modern robotic technologies have enabled robots to operate in a variety of unstructured and dynamically-changing environments, in addition to traditional structured environments. Robots have, thus, become an important element in our everyday lives. One key approach to develop such intelligent and autonomous robots is to draw inspiration from biological systems. Biological structure, mechanisms, and underlying principles have the potential to provide new ideas to support the improvement of conventional robotic designs and control. Such biological principles usually originate from animal or even plant models, for robots, which can sense, think, walk, swim, crawl, jump or even fly. Thus, it is believed that these bio-inspired methods are becoming increasingly important in the face of complex applications. Bio-inspired robotics is leading to the study of innovative structures and computing with sensory–motor coordination and learning to achieve intelligence, flexibility, stability, and adaptation for emergent robotic applications, such as manipulation, learning, and control. This Special Issue invites original papers of innovative ideas and concepts, new discoveries and improvements, and novel applications and business models relevant to the selected topics of ``Bio-Inspired Robotics''. Bio-Inspired Robotics is a broad topic and an ongoing expanding field. This Special Issue collates 30 papers that address some of the important challenges and opportunities in this broad and expanding field

Decentralized Autonomous Navigation Strategies for Multi-Robot Search and Rescue

Use of multi-robot systems has many advantages over single robot systems in various applications. However, it comes with its own complexity and challenges. In this thesis, we try to improve the performance of existing approaches for search operations in multi-robot context. We propose three novel algorithms that are using a triangular grid pattern, i.e., robots certainly go through the vertices of a triangular grid during the search procedure. The main advantage of using a triangular grid pattern is that it is asymptotically optimal in terms of the minimum number of robots required for the complete coverage of an arbitrary bounded area. Therefore, using the vertices of this triangular grid coverage guarantees complete search of a region as well as shorter search duration. We use a new topological map which is made and shared by robots during the search operation. We consider an area that is unknown to the robots a priori with an arbitrary shape, containing some obstacles. Unlike many current heuristic algorithms, we give mathematically rigorous proofs of convergence with probability 1 of the algorithms. The computer simulation results for the proposed algorithms are presented using a simulator of real robots and environment. We evaluate the performance of the algorithms via experiments with real Pioneer 3DX mobile robots. We compare the performance of our own algorithms with three existing algorithms from other researchers. The results demonstrate the merits of our proposed solution. A further study on formation building with obstacle avoidance for a team of mobile robots is presented in this thesis. We propose a robust decentralized formation building with obstacle avoidance algorithm for a group of mobile robots to move in a defined geometric configuration. Furthermore, we consider a more complicated formation problem with a group of anonymous robots; these robots are not aware of their position in the final configuration and need to reach a consensus during the formation process. We propose a randomized algorithm for the anonymous robots that achieves the convergence to a desired configuration with probability 1. We also propose a novel obstacle avoidance rule, used in the formation building algorithm. A mathematically rigorous proof of the proposed algorithm is given. The performance and applicability of the proposed algorithm are confirmed by the computer simulation results