Behavior-specific proprioception models for robotic force estimation: a machine learning approach

Robots that support humans in physically demanding tasks require accurate force sensing capabilities. A common way to achieve this is by monitoring the interaction with the environment directly with dedicated force sensors. Major drawbacks of such special purpose sensors are the increased costs and the reduced payload of the robot platform. Instead, this thesis investigates how the functionality of such sensors can be approximated by utilizing force estimation approaches. Most of today’s robots are equipped with rich proprioceptive sensing capabilities where even a robotic arm, e.g., the UR5, provides access to more than hundred sensor readings. Following this trend, it is getting feasible to utilize a wide variety of sensors for force estimation purposes. Human proprioception allows estimating forces such as the weight of an object by prior experience about sensory-motor patterns. Applying a similar approach to robots enables them to learn from previous demonstrations without the need of dedicated force sensors. This thesis introduces Behavior-Specific Proprioception Models (BSPMs), a novel concept for enhancing robotic behavior with estimates of the expected proprioceptive feedback. A main methodological contribution is the operationalization of the BSPM approach using data-driven machine learning techniques. During a training phase, the behavior is continuously executed while recording proprioceptive sensor readings. The training data acquired from these demonstrations represents ground truth about behavior-specific sensory-motor experiences, i.e., the influence of performed actions and environmental conditions on the proprioceptive feedback. This data acquisition procedure does not require expert knowledge about the particular robot platform, e.g., kinematic chains or mass distribution, which is a major advantage over analytical approaches. The training data is then used to learn BSPMs, e.g. using lazy learning techniques or artificial neural networks. At runtime, the BSPMs provide estimates of the proprioceptive feedback that can be compared to actual sensations. The BSPM approach thus extends classical programming by demonstrations methods where only movement data is learned and enables robots to accurately estimate forces during behavior execution

Enhanced robotic hand-eye coordination inspired from human-like behavioral patterns

Robotic hand-eye coordination is recognized as an important skill to deal with complex real environments. Conventional robotic hand-eye coordination methods merely transfer stimulus signals from robotic visual space to hand actuator space. This paper introduces a reverse method: Build another channel that transfers stimulus signals from robotic hand space to visual space. Based on the reverse channel, a human-like behavior pattern: “Stop-to-Fixate”, is imparted to the robot, thereby giving the robot an enhanced reaching ability. A visual processing system inspired by the human retina structure is used to compress visual information so as to reduce the robot’s learning complexity. In addition, two constructive neural networks establish the two sensory delivery channels. The experimental results demonstrate that the robotic system gradually obtains a reaching ability. In particular, when the robotic hand touches an unseen object, the reverse channel successfully drives the visual system to notice the unseen object

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

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

No abstract available

Designing Human-Centered Collective Intelligence

Human-Centered Collective Intelligence (HCCI) is an emergent research area that seeks to bring together major research areas like machine learning, statistical modeling, information retrieval, market research, and software engineering to address challenges pertaining to deriving intelligent insights and solutions through the collaboration of several intelligent sensors, devices and data sources. An archetypal contextual CI scenario might be concerned with deriving affect-driven intelligence through multimodal emotion detection sources in a bid to determine the likability of one movie trailer over another. On the other hand, the key tenets to designing robust and evolutionary software and infrastructure architecture models to address cross-cutting quality concerns is of keen interest in the “Cloud” age of today. Some of the key quality concerns of interest in CI scenarios span the gamut of security and privacy, scalability, performance, fault-tolerance, and reliability. I present recent advances in CI system design with a focus on highlighting optimal solutions for the aforementioned cross-cutting concerns. I also describe a number of design challenges and a framework that I have determined to be critical to designing CI systems. With inspiration from machine learning, computational advertising, ubiquitous computing, and sociable robotics, this literature incorporates theories and concepts from various viewpoints to empower the collective intelligence engine, ZOEI, to discover affective state and emotional intent across multiple mediums. The discerned affective state is used in recommender systems among others to support content personalization. I dive into the design of optimal architectures that allow humans and intelligent systems to work collectively to solve complex problems. I present an evaluation of various studies that leverage the ZOEI framework to design collective intelligence

The Future of Humanoid Robots

This book provides state of the art scientific and engineering research findings and developments in the field of humanoid robotics and its applications. It is expected that humanoids will change the way we interact with machines, and will have the ability to blend perfectly into an environment already designed for humans. The book contains chapters that aim to discover the future abilities of humanoid robots by presenting a variety of integrated research in various scientific and engineering fields, such as locomotion, perception, adaptive behavior, human-robot interaction, neuroscience and machine learning. The book is designed to be accessible and practical, with an emphasis on useful information to those working in the fields of robotics, cognitive science, artificial intelligence, computational methods and other fields of science directly or indirectly related to the development and usage of future humanoid robots. The editor of the book has extensive R&D experience, patents, and publications in the area of humanoid robotics, and his experience is reflected in editing the content of the book

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

From Constraints to Opportunities: Efficient Object Detection Learning for Humanoid Robots

Reliable perception and efficient adaptation to novel conditions are priority skills for robots that function in ever-changing environments. Indeed, autonomously operating in real world scenarios raises the need of identifying different context\u2019s states and act accordingly. Moreover, the requested tasks might not be known a-priori, requiring the system to update on-line. Robotic platforms allow to gather various types of perceptual information due to the multiple sensory modalities they are provided with. Nonetheless, latest results in computer vision motivate a particular interest in visual perception. Specifically, in this thesis, I mainly focused on the object detection task since it can be at the basis of more sophisticated capabilities. The vast advancements in latest computer vision research, brought by deep learning methods, are appealing in a robotic setting. However, their adoption in applied domains is not straightforward since adapting them to new tasks is strongly demanding in terms of annotated data, optimization time and computational resources. These requirements do not generally meet current robotics constraints. Nevertheless, robotic platforms and especially humanoids present opportunities that can be exploited. The sensors they are provided with represent precious sources of additional information. Moreover, their embodiment in the workspace and their motion capabilities allow for a natural interaction with the environment. Motivated by these considerations, in this Ph.D project, I mainly aimed at devising and developing solutions able to integrate the worlds of computer vision and robotics, by focusing on the task of object detection. Specifically, I dedicated a large amount of effort in alleviating state-of-the-art methods requirements in terms of annotated data and training time, preserving their accuracy by exploiting robotics opportunity