Planning and estimation algorithms for human-like grasping

Mención Internacional en el título de doctorThe use of robots in human-like environments requires them to be able to sense and model unstructured scenarios. Thus, their success will depend on their versatility for interacting with the surroundings. This interaction often includes manipulation of objects for accomplishing common daily tasks. Therefore, robots need to sense, understand, plan and perform; and this has to be a continuous loop. This thesis presents a framework which covers most of the phases encountered in a common manipulation pipeline. First, it is shown how to use the Fast Marching Squared algorithm and a leader-followers strategy to control a formation of robots, simplifying a high dimensional path-planning problem. This approach is evaluated with simulations in complex environments in which the formation control technique is applied. Results are evaluated in terms of distance to obstacles (safety) and the needed deformation. Then, a framework to perform the grasping action is presented. The necessary techniques for environment modelling and grasp synthesis and path planning and control are presented. For the motion planning part, the formation concept from the previous chapter is recycled. This technique is applied to the planning and control of the movement of a complex hand-arm system. Tests using robot Manfred show the possibilities of the framework when performing in real scenarios. Finally, under the assumption that the grasping actions may not always result as it was previously planned, a Bayesian-based state-estimation process is introduced to estimate the final in-hand object pose after a grasping action is done, based on the measurements of proprioceptive and tactile sensors. This approach is evaluated in real experiments with Reex Takktile hand. Results show good performance in general terms, while suggest the need of a vision system for a more precise outcome.La investigación en robótica avanza con la intención de evolucionar hacia el uso de los robots en entornos humanos. A día de hoy, su uso está prácticamente limitado a las fábricas, donde trabajan en entornos controlados realizando tareas repetitivas. Sin embargo, estos robots son incapaces de reaccionar antes los más mínimos cambios en el entorno o en la tarea a realizar. En el grupo de investigación del Roboticslab se ha construido un manipulador móvil, llamado Manfred, en el transcurso de los últimos 15 años. Su objetivo es conseguir realizar tareas de navegación y manipulación en entornos diseñados para seres humanos. Para las tareas de manipulación y agarre, se ha adquirido recientemente una mano robótica diseñada en la universidad de Gifu, Japón. Sin embargo, al comienzo de esta tesis, no se había realzado ningún trabajo destinado a la manipulación o el agarre de objetos. Por lo tanto, existe una motivación clara para investigar en este campo y ampliar las capacidades del robot, aspectos tratados en esta tesis. La primera parte de la tesis muestra la aplicación de un sistema de control de formaciones de robots en 3 dimensiones. El sistema explicado utiliza un esquema de tipo líder-seguidores, y se basa en la utilización del algoritmo Fast Marching Square para el cálculo de la trayectoria del líder. Después, mientras el líder recorre el camino, la formación se va adaptando al entorno para evitar la colisión de los robots con los obstáculos. El esquema de deformación presentado se basa en la información sobre el entorno previamente calculada con Fast Marching Square. El algoritmo es probado a través de distintas simulaciones en escenarios complejos. Los resultados son analizados estudiando principalmente dos características: cantidad de deformación necesaria y seguridad de los caminos de los robots. Aunque los resultados son satisfactorios en ambos aspectos, es deseable que en un futuro se realicen simulaciones más realistas y, finalmente, se implemente el sistema en robots reales. El siguiente capítulo nace de la misma idea, el control de formaciones de robots. Este concepto es usado para modelar el sistema brazo-mano del robot Manfred. Al igual que en el caso de una formación de robots, el sistema al completo incluye un número muy elevado de grados de libertad que dificulta la planificación de trayectorias. Sin embargo, la adaptación del esquema de control de formaciones para el brazo-mano robótico nos permite reducir la complejidad a la hora de hacer la planificación de trayectorias. Al igual que antes, el sistema se basa en el uso de Fast Marching Square. Además, se ha construido un esquema completo que permite modelar el entorno, calcular posibles posiciones para el agarre, y planificar los movimientos para realizarlo. Todo ello ha sido implementado en el robot Manfred, realizando pruebas de agarre con objetos reales. Los resultados muestran el potencial del uso de este esquema de control, dejando lugar para mejoras, fundamentalmente en el apartado de la modelización de objetos y en el cálculo y elección de los posibles agarres. A continuación, se trata de cerrar el lazo de control en el agarre de objetos. Una vez un sistema robótico ha realizado los movimientos necesarios para obtener un agarre estable, la posición final del objeto dentro de la mano resulta, en la mayoría de las ocasiones, distinta de la que se había planificado. Este hecho es debido a la acumulación de fallos en los sistemas de percepción y modelado del entorno, y los de planificación y ejecución de movimientos. Por ello, se propone un sistema Bayesiano basado en un filtro de partículas que, teniendo en cuenta la posición de la palma y los dedos de la mano, los datos de sensores táctiles y la forma del objeto, estima la posición del objeto dentro de la mano. El sistema parte de una posición inicial conocida, y empieza a ejecutarse después del primer contacto entre los dedos y el objeto, de manera que sea capaz de detectar los movimientos que se producen al realizar la fuerza necesaria para estabilizar el agarre. Los resultados muestran la validez del método. Sin embargo, también queda claro que, usando únicamente la información táctil y de posición, hay grados de libertad que no se pueden determinar, por lo que, para el futuro, resultaría aconsejable la combinación de este sistema con otro basado en visión. Finalmente se incluyen 2 anexos que profundizan en la implementación de la solución del algoritmo de Fast Marching y la presentación de los sistemas robóticos reales que se han usado en las distintas pruebas de la tesis.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Carlos Balaguer Bernaldo de Quirós.- Secretario: Raúl Suárez Feijoo.- Vocal: Pedro U. Lim

Reconstruction and recognition of confusable models using three-dimensional perception

Perception is one of the key topics in robotics research. It is about the processing of external sensor data and its interpretation. The necessity of fully autonomous robots makes it crucial to help them to perform tasks more reliably, flexibly, and efficiently. As these platforms obtain more refined manipulation capabilities, they also require expressive and comprehensive environment models: for manipulation and affordance purposes, their models have to involve each one of the objects present in the world, coincidentally with their location, pose, shape and other aspects. The aim of this dissertation is to provide a solution to several of these challenges that arise when meeting the object grasping problem, with the aim of improving the autonomy of the mobile manipulator robot MANFRED-2. By the analysis and interpretation of 3D perception, this thesis covers in the first place the localization of supporting planes in the scenario. As the environment will contain many other things apart from the planar surface, the problem within cluttered scenarios has been solved by means of Differential Evolution, which is a particlebased evolutionary algorithm that evolves in time to the solution that yields the cost function lowest value. Since the final purpose of this thesis is to provide with valuable information for grasping applications, a complete model reconstructor has been developed. The proposed method holdsmany features such as robustness against abrupt rotations, multi-dimensional optimization, feature extensibility, compatible with other scan matching techniques, management of uncertain information and an initialization process to reduce convergence timings. It has been designed using a evolutionarybased scan matching optimizer that takes into account surface features of the object, global form and also texture and color information. The last tackled challenge regards the recognition problem. In order to procure with worthy information about the environment to the robot, a meta classifier that discerns efficiently the observed objects has been implemented. It is capable of distinguishing between confusable objects, such as mugs or dishes with similar shapes but different size or color. The contributions presented in this thesis have been fully implemented and empirically evaluated in the platform. A continuous grasping pipeline covering from perception to grasp planning including visual object recognition for confusable objects has been developed. For that purpose, an indoor environment with several objects on a table is presented in the nearby of the robot. Items are recognized from a database and, if one is chosen, the robot will calculate how to grasp it taking into account the kinematic restrictions associated to the anthropomorphic hand and the 3D model for this particular object. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La percepción es uno de los temas más relevantes en el mundo de la investigaci ón en robótica. Su objetivo es procesar e interpretar los datos recibidos por un sensor externo. La gran necesidad de desarrollar robots autónomos hace imprescindible proporcionar soluciones que les permita realizar tareas más precisas, flexibles y eficientes. Dado que estas plataformas cada día adquieren mejores capacidades para manipular objetos, también necesitarán modelos expresivos y comprensivos: para realizar tareas de manipulación y prensión, sus modelos han de tener en cuenta cada uno de los objetos presentes en su entorno, junto con su localizaci ón, orientación, forma y otros aspectos. El objeto de la presente tesis doctoral es proponer soluciones a varios de los retos que surgen al enfrentarse al problema del agarre, con el propósito final de aumentar la capacidad de autonomía del robot manipulador MANFRED-2. Mediante el análisis e interpretación de la percepción tridimensional, esta tesis cubre en primer lugar la localización de planos de soporte en sus alrededores. Dado que el entorno contendrá muchos otros elementos aparte de la superficie de apoyo buscada, el problema en entornos abarrotados ha sido solucionado mediante Evolución Diferencial, que es un algoritmo evolutivo basado en partículas que evoluciona temporalmente a la solución que contempla el menor resultado en la función de coste. Puesto que el propósito final de este trabajo de investigación es proveer de información valiosa a las aplicaciones de prensión, se ha desarrollado un reconstructor de modelos completos. El método propuesto posee diferentes características como robustez a giros abruptos, optimización multidimensional, extensión a otras características, compatibilidad con otras técnicas de reconstrucción, manejo de incertidumbres y un proceso de inicialización para reducir el tiempo de convergencia. Ha sido diseñado usando un registro optimizado mediante técnicas evolutivas que tienen en cuenta las particularidades de la superficie del objeto, su forma global y la información relativa a la textura. El último problema abordado está relacionado con el reconocimiento de objetos. Con la intención de abastecer al robot con la mayor información posible sobre el entorno, se ha implementado un meta clasificador que diferencia de manera eficaz los objetos observados. Ha sido capacitado para distinguir objetos confundibles como tazas o platos con formas similares pero con diferentes colores o tamaños. Las contribuciones presentes en esta tesis han sido completamente implementadas y probadas de manera empírica en la plataforma. Se ha desarrollado un sistema que cubre el problema de agarre desde la percepción al cálculo de la trayectoria incluyendo el sistema de reconocimiento de objetos confundibles. Para ello, se ha presentado una mesa con objetos en un entorno cerrado cercano al robot. Los elementos son comparados con una base de datos y si se desea agarrar uno de ellos, el robot estimará cómo cogerlo teniendo en cuenta las restricciones cinemáticas asociadas a una mano antropomórfica y el modelo tridimensional generado del objeto en cuestión

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 284)

This bibliography lists 974 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in Oct. 1992. The coverage includes documents on design, construction, evaluation, testing, operation, and performance of aircraft (including aircraft engines) and associated components, equipment, and systems. It also includes research and development in aerodynamics, aeronautics, and ground support equipment for aeronautical vehicles

Robotics 2010

Without a doubt, robotics has made an incredible progress over the last decades. The vision of developing, designing and creating technical systems that help humans to achieve hard and complex tasks, has intelligently led to an incredible variety of solutions. There are barely technical fields that could exhibit more interdisciplinary interconnections like robotics. This fact is generated by highly complex challenges imposed by robotic systems, especially the requirement on intelligent and autonomous operation. This book tries to give an insight into the evolutionary process that takes place in robotics. It provides articles covering a wide range of this exciting area. The progress of technical challenges and concepts may illuminate the relationship between developments that seem to be completely different at first sight. The robotics remains an exciting scientific and engineering field. The community looks optimistically ahead and also looks forward for the future challenges and new development

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 286)

This bibliography lists 845 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in Dec. 1992. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment, and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Humanoid Robots

For many years, the human being has been trying, in all ways, to recreate the complex mechanisms that form the human body. Such task is extremely complicated and the results are not totally satisfactory. However, with increasing technological advances based on theoretical and experimental researches, man gets, in a way, to copy or to imitate some systems of the human body. These researches not only intended to create humanoid robots, great part of them constituting autonomous systems, but also, in some way, to offer a higher knowledge of the systems that form the human body, objectifying possible applications in the technology of rehabilitation of human beings, gathering in a whole studies related not only to Robotics, but also to Biomechanics, Biomimmetics, Cybernetics, among other areas. This book presents a series of researches inspired by this ideal, carried through by various researchers worldwide, looking for to analyze and to discuss diverse subjects related to humanoid robots. The presented contributions explore aspects about robotic hands, learning, language, vision and locomotion

Multi-Robot Systems: Challenges, Trends and Applications

This book is a printed edition of the Special Issue entitled “Multi-Robot Systems: Challenges, Trends, and Applications” that was published in Applied Sciences. This Special Issue collected seventeen high-quality papers that discuss the main challenges of multi-robot systems, present the trends to address these issues, and report various relevant applications. Some of the topics addressed by these papers are robot swarms, mission planning, robot teaming, machine learning, immersive technologies, search and rescue, and social robotics

Cadet Bugler, 1951-1954 (1951)

Student news on items related to campus life and alumni from 1951 to 1954. You can also view this on https://archive.org/details/cadetbugler1951113nort/mode/2uphttps://digitalcommons.northgeorgia.edu/cadetbugler/1001/thumbnail.jp