A Multi-Robot Cooperation Framework for Sewing Personalized Stent Grafts

This paper presents a multi-robot system for manufacturing personalized medical stent grafts. The proposed system adopts a modular design, which includes: a (personalized) mandrel module, a bimanual sewing module, and a vision module. The mandrel module incorporates the personalized geometry of patients, while the bimanual sewing module adopts a learning-by-demonstration approach to transfer human hand-sewing skills to the robots. The human demonstrations were firstly observed by the vision module and then encoded using a statistical model to generate the reference motion trajectories. During autonomous robot sewing, the vision module plays the role of coordinating multi-robot collaboration. Experiment results show that the robots can adapt to generalized stent designs. The proposed system can also be used for other manipulation tasks, especially for flexible production of customized products and where bimanual or multi-robot cooperation is required.Comment: 10 pages, 12 figures, accepted by IEEE Transactions on Industrial Informatics, Key words: modularity, medical device customization, multi-robot system, robot learning, visual servoing, robot sewin

A Multi-Robot Cooperation Framework for Sewing Personalized Stent Grafts

This paper presents a multi-robot system for manufacturing personalized medical stent grafts. The proposed system adopts a modular design, which includes: a (personalized) mandrel module, a bimanual sewing module, and a vision module. The mandrel module incorporates the personalized geometry of patients, while the bimanual sewing module adopts a learning-by-demonstration approach to transfer human hand-sewing skills to the robots. The human demonstrations were firstly observed by the vision module and then encoded using a statistical model to generate the reference motion trajectories. During autonomous robot sewing, the vision module plays the role of coordinating multi-robot collaboration. Experiment results show that the robots can adapt to generalized stent designs. The proposed system can also be used for other manipulation tasks, especially for flexible production of customized products and where bimanual or multi-robot cooperation is required.Comment: 10 pages, 12 figures, accepted by IEEE Transactions on Industrial Informatics, Key words: modularity, medical device customization, multi-robot system, robot learning, visual servoing, robot sewin

HEAP: A Sensory Driven Distributed Manipulation System

We address the problems of locating, grasping, and removing one or more unknown objects from a given area. In order to accomplish the task we use HEAP, a system of coordinating the motions of the hand and arm. HEAP also includes a laser range finer, mounted at the end of a PUMA 560, allowing the system to obtain multiple views of the workspace. We obtain volumetric information of the objects we locate by fitting superquadric surfaces on the raw range data. The volumetric information is used to ascertain the best hand configuration to enclose and constrain the object stably. The Penn Hand used to grasp the object, is fitted with 14 tactile sensors to determine the contact area and the normal components of the grasping forces. In addition the hand is used as a sensor to avoid any undesired collisions. The objective in grasping the objects is not to impart arbitrary forces on the object, but instead to be able to grasp a variety of objects using a simple grasping scheme assisted with a volumetric description and force and touch sensing

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

A multi-robot cooperation framework for sewing personalized stent grafts

This paper presents a multi-robot system for manufacturing personalized medical stent grafts. The proposed system adopts a modular design, which includes: a (personalized) mandrel module, a bimanual sewing module, and a vision module. The mandrel module incorporates the personalized geometry of patients, while the bimanual sewing module adopts a learning-by-demonstration approach to transfer human hand-sewing skills to the robots. The human demonstrations were firstly observed by the vision module and then encoded using a statistical model to generate the reference motion trajectories. During autonomous robot sewing, the vision module plays the role of coordinating multi-robot collaboration. Experiment results show that the robots can adapt to generalized stent designs. The proposed system can also be used for other manipulation tasks, especially for flexible production of customized products and where bimanual or multi-robot cooperation is required

Motion Primitives and Planning for Robots with Closed Chain Systems and Changing Topologies

When operating in human environments, a robot should use predictable motions that allow humans to trust and anticipate its behavior. Heuristic search-based planning offers predictable motions and guarantees on completeness and sub-optimality of solutions. While search-based planning on motion primitive-based (lattice-based) graphs has been used extensively in navigation, application to high-dimensional state-spaces has, until recently, been thought impractical. This dissertation presents methods we have developed for applying these graphs to mobile manipulation, specifically for systems which contain closed chains. The formation of closed chains in tasks that involve contacts with the environment may reduce the number of available degrees-of-freedom but adds complexity in terms of constraints in the high-dimensional state-space. We exploit the dimensionality reduction inherent in closed kinematic chains to get efficient search-based planning. Our planner handles changing topologies (switching between open and closed-chains) in a single plan, including what transitions to include and when to include them. Thus, we can leverage existing results for search-based planning for open chains, combining open and closed chain manipulation planning into one framework. Proofs regarding the framework are introduced for the application to graph-search and its theoretical guarantees of optimality. The dimensionality-reduction is done in a manner that enables finding optimal solutions to low-dimensional problems which map to correspondingly optimal full-dimensional solutions. We apply this framework to planning for opening and navigating through non-spring and spring-loaded doors using a Willow Garage PR2. The framework motivates our approaches to the Atlas humanoid robot from Boston Dynamics for both stationary manipulation and quasi-static walking, as a closed chain is formed when both feet are on the ground

Learning Human-Robot Collaboration Insights through the Integration of Muscle Activity in Interaction Motion Models

Recent progress in human-robot collaboration makes fast and fluid interactions possible, even when human observations are partial and occluded. Methods like Interaction Probabilistic Movement Primitives (ProMP) model human trajectories through motion capture systems. However, such representation does not properly model tasks where similar motions handle different objects. Under current approaches, a robot would not adapt its pose and dynamics for proper handling. We integrate the use of Electromyography (EMG) into the Interaction ProMP framework and utilize muscular signals to augment the human observation representation. The contribution of our paper is increased task discernment when trajectories are similar but tools are different and require the robot to adjust its pose for proper handling. Interaction ProMPs are used with an augmented vector that integrates muscle activity. Augmented time-normalized trajectories are used in training to learn correlation parameters and robot motions are predicted by finding the best weight combination and temporal scaling for a task. Collaborative single task scenarios with similar motions but different objects were used and compared. For one experiment only joint angles were recorded, for the other EMG signals were additionally integrated. Task recognition was computed for both tasks. Observation state vectors with augmented EMG signals were able to completely identify differences across tasks, while the baseline method failed every time. Integrating EMG signals into collaborative tasks significantly increases the ability of the system to recognize nuances in the tasks that are otherwise imperceptible, up to 74.6% in our studies. Furthermore, the integration of EMG signals for collaboration also opens the door to a wide class of human-robot physical interactions based on haptic communication that has been largely unexploited in the field.Comment: 7 pages, 2 figures, 2 tables. As submitted to Humanoids 201