Planning simultaneous perception and manipulation

This thesis is concerned with deriving planning algorithms for robot manipulators. Manipulation has two effects, the robot has a physical effect on the object, and it also acquires information about the object. This thesis presents algorithms that treat both problems. First, I present an extension of the well-known piano mover’s problem where a robot pushing an object must plan its movements as well as those of the object. This requires simultaneous planning in the joint space of the robot and the configuration space of the object, in contrast to the original problem which only requires planning in the latter space. The effects of a robot action on the object configuration are determined by the non-invertible rigid body mechanics. To solve this a two-level planner is presented that coordinates planning in each space. Second, I consider planning under uncertainty and in particular planning for information effects. I consider the case where a robot has to reach and grasp an object under pose uncertainty caused by shape incompleteness. The main novel outcome is to enable tactile information gain planning for a dexterous, highdegree of freedom manipulator with non- Gaussian pose uncertainty. The method is demonstrated in trials with both simulated and real robots

Robot manipulator self-identification for surrounding obstacle detection

Obstacle detection plays an important role for robot collision avoidance and motion planning. This paper focuses on the study of the collision prediction of a dual-arm robot based on a 3D point cloud. Firstly, a self-identification method is presented based on the over-segmentation approach and the forward kinematic model of the robot. Secondly, a simplified 3D model of the robot is generated using the segmented point cloud. Finally, a collision prediction algorithm is proposed to estimate the collision parameters in real-time. Experimental studies using the KinectⓇ sensor and the BaxterⓇ robot have been performed to demonstrate the performance of the proposed algorithm

High-Dimensional Motion Planning and Learning Under Uncertain Conditions

Many existing path planning methods do not adequately account for uncertainty. Without uncertainty these existing techniques work well, but in real world environments they struggle due to inaccurate sensor models, arbitrarily moving obstacles, and uncertain action consequences. For example, picking up and storing childrens toys is a simple task for humans. Yet, for a robotic household robot the task can be daunting. The room must be modeled with sensors, which may or may not detect all the strewn toys. The robot must be able to detect and avoid the child who may be moving the very toys that the robot is tasked with cleaning. Finally, if the robot missteps and places a foot on a toy, it must be able to compensate for the unexpected consequences of its actions. This example demonstrates that even simple human tasks are fraught with uncertainties that must be accounted for in robotic path planning algorithms. This work presents the first steps towards migrating sampling-based path planning methods to real world environments by addressing three different types of uncertainty: (1) model uncertainty, (2) spatio-temporal obstacle uncertainty (moving obstacles) and (3) action consequence uncertainty. Uncertainty is encoded directly into path planning through a data structure in order to successfully and efficiently identify safe robot paths in sensed environments with noise. This encoding produces comparable clearance paths to other planning methods which are a known for high clearance, but at an order of magnitude less computational cost. It also shows that formal control theory methods combined with path planning provides a technique that has a 95% collision-free navigation rate with 300 moving obstacles. Finally, it demonstrates that reinforcement learning can be combined with planning data structures to autonomously learn motion controls of a seven degree of freedom robot despite a low computational cost despite the number of dimensions

Interleaving Planning and Control for Efficient Haptically-guided Reaching in Unknown Environments

©2014 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Presented at the IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), 18-20 November 2014, Madrid, Spain.We present a new method for reaching in an initially unknown environment with only haptic sensing. In this paper, we propose a haptically-guided interleaving planning and control (HIPC) method with a haptic mapping framework. HIPC runs two planning methods, interleaving a task-space and a joint-space planner, to provide fast reaching performance. It continually replans a valid trajectory, alternating between planners and quickly reflecting collected tactile information from an unknown environment. One key idea is that tactile sensing can be used to directly map an immediate cause of interference when reaching. The mapping framework efficiently assigns raw tactile information from whole-arm tactile sensors into a 3D voxel-based collision map. Our method uses a previously published contact-regulating controller based on model predictive control (MPC). In our evaluation with a physics simulation of a humanoid robot, interleaving was superior at reaching in the 9 types of environments we used

Design and testing of a Stewart Platform Augmented Manipulator for space applications

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 1990.Includes bibliographical references (p. 129-130).Sponsored by NASA. NAGW-21Terrence W. Fong.M.S

Combining Model-Based with Learning-Based Approaches for Autonomous Manipulation

Kollaboration zwischen Menschen und Robotern gewinnt zunehmend an Bedeutung in der Industrie und Forschung. Manipulation ist eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Kollaboration und deshalb eine grundlegende Forschungsfrage in der Robotik. Bei der Manipulation von Objekten, zum Beispiel beim Greifen eines Bohrers, müssen Roboter mit einer dynamischen Umgebungen, partieller Wahrnehmung, Model- und Ausführungsunsicherheit zurechtkommen. In dieser Arbeit identifizieren wir Einschränkungen von modellbasierten Ansätzen des gegenwärtigen Standes der Technik für Manipulationsaufgaben und untersuchen wie man diese mit Lernverfahren kombinieren und verbessern kann, um autonome Manipulation zu ermöglichen. Maschinelle Lernverfahren wie $\textit{neuronale Netze}$, die mithilfe von großen Datenmengen ein gutes Modell lernen, sind sehr geeignet für die Robotik, da Roboter ihre Umgebung mithilfe von einer Vielzahl an Sensoren wahrnehmen und dadurch eine Fülle von Daten erzeugen. Im Gegensatz zu anderen Forschungsgebieten, wie zum Beispiel Sprach- und Bildverarbeitung, interagieren Roboter mit ihrer Umgebung, sodass Vorhersagen einen physikalischen Einfluss auf die Umgebung haben. Aufgrund der Interaktion mit der Umgebung und der kontinuierlichen Wahrnehmung ergibt sich eine Rückkopplungsschleife die neue Herangehensweisen erfordert um Sicherheitsbedenken und Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen. Das Ziel dieser Dissertation ist es zu untersuchen, wie man bestehende $\textit{modellbasierte}$ Robotersysteme mithilfe von $\textit{Lernverfahren}$ verbessern kann. Dabei ist es wichtig das vorhandene domänenspezifische Wissen nicht zu vernachlässigen, sondern in die $\textit{Lernverfahren}$ zu integrieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass $\textit{lernbasierte}$ Ansätze $\textit{modellbasierte}$ Methoden sehr gut ergänzen und es ermöglichen Probleme, die ansonsten unlösbar wären, zu lösen. Wir zeigen, wie man bestehende Modelle zum Trainieren von Lernverfahren verwenden kann. Dadurch wird problemspezifisches Expertenwissen in den Datengenerierungsprozess integriert und somit an das gelernte Modell weitergegeben. Wir entwickeln außerdem ein neues Optimierungsverfahren, das während der Optimierung etwas über den Vorgang an sich lernt. Ein solches Verfahren ist sehr relevant für eine Vielzahl von Problemen in der Robotik, da $\textit{autonome}$ Manipulationssysteme kontinuierlich neue Aufgaben lösen müssen. Im Folgenden stellen wir die Hauptbeiträge dieser Dissertation vor, eingebettet in den Kontext von Manipulationsaufgaben. $\textbf{Visuelle Wahrnehmung in Echtzeit trifft auf reaktive Bewegungsplanung}$ Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist ein voll integriertes Manipulationssystem das erste einheitliche Experimente und dadurch empirische Ergebnisse ermöglicht. Diese zeigen eindeutig, dass kontinuierliche, zeitnahe Wahrnehmung und die Integration mit schnellen Verfahren zur Erzeugung von reaktiven Bewegungen essenziell für erfolgreiche Manipulation in dynamischen Szenarien ist. Wir vergleichen drei verschiedene Systeme, welche die gängigsten Architekturen im Bereich Robotik für Manipulation repräsentieren: (i) Ein traditioneller $\textit{Sense-Plan-Act}$ Ansatz (aktuell am weitesten verbreitet), (ii) einen myopischen Regelungsansatz, der nur auf lokale Veränderungen reagiert und (iii) ein reaktives Planungsverfahren, das auf Änderungen der Umgebung reagiert diese in die Bewegungsplanung einbezieht und den aktuellen Plan transparent an einen schnelleres lokales Regelungsverfahren übergibt. Unser Gesamtsystem ist rein $\textit{modellbasiert}$ und umfangreich auf einer realen Roboterplattform in vier Szenarien empirisch evaluiert worden. Unsere experimentellen Szenarien beinhalten anspruchsvolle Geometrien im Arbeitsraum des Roboters, dynamische Umgebungen und Objekte mit denen der Roboter interagieren muss. Diese Arbeit zeigt den aktuellen Stand der Forschung, der mit einem \textit{modellbasierten} Manipulationssystem im Bereich der Robotik unter Verwendung von schnellen Rückkopplungen und langsamerer reaktiver Planung möglich ist. Angesichts des Interesses in der Robotikforschung $\textit{modellbasierte}$ Systeme mit $\textit{Ende-zu-Ende Lernansätzen}$ ganzheitlich zu ersetzen, ist es wichtig ein performantes $\textit{modellbasiertes}$ Referenzsystem zu haben um neue Methoden qualitativ in Hinblick auf ihre Fähigkeiten und ihre Generalisierbarkeit zu vergleichen. Weiterhin erlaubt ein solches System Probleme mit $\textit{modellbasierten}$ Ansätzen zu identifizieren und diese mithilfe von $\textit{learnbasierten}$ Methoden zu verbessern. $\textbf{Online Entscheidungsfindung für Manipulation}$ Die meisten Robotermanipulationssysteme verfügen über viele Sensoren mit unterschiedlichen Modalitäten und Rauschverhalten. Die Entwicklung von $\textit{Modellen}$ für alle Sensoren ist nicht trivial und die resultierende Modelle zu komplex für Echtzeitverarbeitung in $\textit{modellbasierten}$ Manipulationssystem. Planen mit vielen Sensormodalitäten ist besonders komplex aufgrund der vielen Modellunsicherheiten. Dies ist besonders ausgeprägt für Manipulationsaufgaben bei denen Kontakte zwischen Roboter und Objekten von Bedeutung sind. Eine der Hauptherausforderung für autonome Manipulation ist daher die Erzeugung geeigneter multimodaler Referenztrajektorien, die es ermöglichen Steuerbefehle für Regelungssysteme zu berechnen die nicht modellierte Störungen kompensieren und damit die Erfüllung der gestellten Manipulationsaufgabe ermöglichen. In dieser Arbeit stellen wir einen $\textit{lernbasierten}$ Ansatz zur inkrementellen Erfassung von Referenzsignalen vor, der in Echtzeit entscheidet $\textit{wann}$ ein Verhalten abgebrochen und zu $\textit{welchem}$ Verhalten gewechselt werden sollte, um eine erfolgreiche Ausführung zu gewährleisten. Wir formulieren dieses Online-Entscheidungsproblem als zwei miteinander verbundene Klassifikationsprobleme. Beide verarbeiten die aktuellen Sensormesswerte, zusammengesetzt aus mehreren Sensormodalitäten, in Echtzeit (in 30 Hz). Dieser Ansatz basiert auf unserem domänenspezifischen Problemverständnis, dass stereotypische Bewegungsgenerierung ähnliche Sensordaten erzeugt. Unsere Experimente zeigen, dass dieser Ansatz es ermöglicht schwierige kontextbasierte Aufgaben zu erlernen, die präzise Manipulation von relativ kleinen Objekten voraussetzen. Um eine solche Aufgabe zu erlernen, benötigt ein Benutzer unseres Systems kein Expertenwissen. Das System benötigt nur kinästhetische Demonstrationen und Unterbrechungen in Fehlersituationen. Die gelernte Aufgabenausführung ist robust gegen Störeinflüsse und Sensorrauschen, da unsere Methode online entscheidet, ob sie aufgrund von unerwarteter sensorischer Signale zu einer anderen Ausführung wechseln sollte oder nicht. $\textbf{Big-Data Greifen}$ Greifen ist ein wichtiges Forschungsproblem in der Robotik, da es eine Grundvoraussetzung für Manipulation darstellt. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf das Problem der Vorhersage von Position und Orientierung bevor ein Kontakt zwischen Objekt und Endeffektor eintritt. Für diesen grundlegenden Schritt um “erfolgreich zu greifen” stehen nur visuelle Sensordaten wie 2D-Bilder und/oder 3D-Punktwolken zur Verfügung. Die Verwendung von $\textit{modellbasierten}$ Greifplanern ist in solchen Situationen nicht optimal, da präzise Simulationen zu rechenintensiv sind und alle Objekte bekannt, erkannt und visuell verfolgt werden müssen. $\textit{Lernbasierte}$ Verfahren die direkt von visuellen Sensordaten stabile Griffe vorhersagen sind sehr effizient in der Auswertung jedoch benötigen die aktuell vielversprechendsten Verfahren, neuronale Netze, eine Vielzahl von annotierten Beispielen um diese Abbildung zu lernen. Im Rahmen dieser Arbeit stellen wir eine umfangreichen Datenbank mit einer Vielzahl von Objekten aus sehr unterschiedlichen Kategorien vor. Auf Basis dieser Datenbank analysieren wir drei Aspekte: (i) Eine Crowdsourcing Studie zeigt, dass unsere neu vorgestellte Metrik auf Basis einer physikalischen Simulation ein besserer Indikator für Greiferfolg im Vergleich zu der bestehenden Standard ϵ-Metrik ist. Darüber hinaus deutet unsere Studie darauf hin, dass unsere Datengenerierung keine manuelle Datenannotation benötigt. (ii) Die daraus resultierende Datenbank ermöglicht die Optimierung von parametrischen Lernverfahren wie neuronale Netze. Dadurch, dass wir eine Abbildung von Sensordaten zu möglichen Griffen lernen, muss das Objekt, seine Position und Orientierung nicht bekannt sein. Darüber hinaus zeigen wir, dass einfachere Methoden wie logistische Regression nicht die Kapazität haben um die Komplexität unserer Daten zu erfassen. (iii) Roboter nehmen ein Szenario typischerweise aus einem Blickwinkel wahr und versuchen ein Objekt mit dem ersten Versuch zu greifen. Klassifikationsverfahren sind nicht speziell für diese Verwendung optimiert, weshalb wir eine neue Formulierung erarbeiten, welche die beste, $\textit{top-1}$ Hypothese aus den jeweiligen Teilmengen auswählt. Diese neuartige Optimierungszielsetzung ermöglicht dies selbst auf unserem binären Datensatz, da das Lernverfahren selbst die Daten ordnet und somit einfach zu erkennende Griffe selbst auswählen kann. $\textbf{Lernen von inversen Dynamikmodellen für Manipulationsaufgaben}$ Sichere Bewegungsausführung auf Basis von Regelungskreisen sind entscheidend für Roboter die mit Menschen kollaborativ Manipulationsaufgaben lösen. Daher werden neue Methoden benötigt, die es ermöglichen inversen Dynamikmodelle zu lernen und bestehende Modelle zu verbessern, um Verstärkungsgrößen in Regelungskreisen zu minimieren. Dies ist besonders wichtig, wenn Objekte manipuliert werden, da sich das bekannte inverse Dynamikmodell dadurch verändert. Aktuelle Verfahren, welche Fehlermodelle zu bestehenden $\textit{modellbasierten}$ Regler für die inverse Dynamik zu lernen, werden auf Basis der erzielten Beschleunigungen und Drehmomenten optimiert. Da die tatsächlich realisierten Beschleunigungen, eine indirekte Datenquelle, jedoch nicht die gewünschten Beschleunigungen darstellen, werden hohe Verstärkungen im Regelkreis benötigt, um relevantere Daten zu erhalten die es erlauben ein gutes Modell zu lernen. Hohe Verstärkung im Regelkreis ist wiederum schlecht für die Sicherheit. In dieser Arbeit leiten wir ein zusätzliches Trainingssignal her, das auf der gewünschten Beschleunigungen basiert und von dem Rückkopplungssignal abgeleitet werden kann. Wir analysieren die Nutzung beider Datenquellen in Simulation und demonstrieren ihre Wirksamkeit auf einer realen Roboterplattform. Wir zeigen, dass das System das gelernte inverse Dynamikmodell inkrementell verbessert. Durch die Kombination beider Datenquellen kann ein neues Modell konsistenter und schneller gelernt werden und zusätzlich werden keine hohen Verstärkungen im Regelungskreis benötigt. $\textbf{Lernen wie man lernt, während man lernt}$ Menschen sind bemerkenswert gut darin, neue oder angepasste Fähigkeiten schnell zu erlernen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass wir nicht jede neue Fähigkeit von Grund auf neu erlernen, sondern stattdessen auf den bereits gewonnenen Fertigkeiten aufbauen. Die meisten robotergestützten Lernaufgaben würden davon profitieren, wenn sie ein solches abstraktes Meta-Lernverfahren zur Verfügung hätten. Ein solcher Ansatz ist von großer Bedeutung für die Robotik, da autonomes Lernen ein inhärent inkrementelles Problem ist. In dieser Arbeit stellen wir einen neuen $\textit{Meta-Lernansatz}$ vor, der es erstmals ermöglicht die Roboterdynamik online zu erlernen und auf neue Probleme zu übertragen. Während der Optimierung lernt unser Verfahren die Struktur der Optimierungsprobleme, welche für neue Aufgaben verwendet werden kann, was zu einer schnelleren Konvergenz führt. Das vorgeschlagene $\textit{Meta-Lernverfahren}$ kann zudem mit jedem beliebigen gradientenbasierten Optimierungsansatz verwendet werden. Wir zeigen, dass unser Ansatz die Dateneffizienz für inkrementelles Lernen erhöht. Weiterhin ist unser Verfahren für das $\textit{online Lernen}$ mit korrelierten Daten geeignet, zum Beispiel für inverse Dynamikmodelle. Der vorgestellte Ansatz eröffnet zusätzlich völlig neue Wege um in Simulation gewonnene Erfahrungen in die reale Welt zu transferieren. Dadurch kann möglicherweise bestehendes Domänenwissen in Form von $\textit{modellbasierter}$ Simulation auf völlig neue Weise verwendet werden

Peripersonal Space in the Humanoid Robot iCub

Developing behaviours for interaction with objects close to the body is a primary goal for any organism to survive in the world. Being able to develop such behaviours will be an essential feature in autonomous humanoid robots in order to improve their integration into human environments. Adaptable spatial abilities will make robots safer and improve their social skills, human-robot and robot-robot collaboration abilities. This work investigated how a humanoid robot can explore and create action-based representations of its peripersonal space, the region immediately surrounding the body where reaching is possible without location displacement. It presents three empirical studies based on peripersonal space findings from psychology, neuroscience and robotics. The experiments used a visual perception system based on active-vision and biologically inspired neural networks. The first study investigated the contribution of binocular vision in a reaching task. Results indicated the signal from vergence is a useful embodied depth estimation cue in the peripersonal space in humanoid robots. The second study explored the influence of morphology and postural experience on confidence levels in reaching assessment. Results showed that a decrease of confidence when assessing targets located farther from the body, possibly in accordance to errors in depth estimation from vergence for longer distances. Additionally, it was found that a proprioceptive arm-length signal extends the robot’s peripersonal space. The last experiment modelled development of the reaching skill by implementing motor synergies that progressively unlock degrees of freedom in the arm. The model was advantageous when compared to one that included no developmental stages. The contribution to knowledge of this work is extending the research on biologically-inspired methods for building robots, presenting new ways to further investigate the robotic properties involved in the dynamical adaptation to body and sensing characteristics, vision-based action, morphology and confidence levels in reaching assessment.CONACyT, Mexico (National Council of Science and Technology

Dynamic state estimation for mobile robots

The scientific goal of this thesis is to tackle different approaches for effective state estimation and modelling of relevant problems in the context of mobile robots. The starting point of this dissertation is the concept of probabilistic robotics, an emerging paradigm that combines state-of-the-art methods with the classic probabilistic theory, developing stochastic frameworks for understanding the uncertain nature of the interaction between a robot and its environment. This allows introducing relevant concepts which are the foundation of the localisation system implemented on the main experimental platform used on this dissertation. An accurate estimation of the position of a robot with respect to a fixed frame is fundamental for building navigation systems that can work in dynamic unstructured environments. This development also allows introducing additional contributions related with global localisation, dynamic obstacle avoidance, path planning and position tracking problems. Kinematics on generalised manipulators are characterised for dealing with complex nonlinear systems. Nonlinear formulations are needed to properly model these systems, which are not always suitable for real-time realisation, lacking analytic formulations in most cases. In this context, this thesis tackles the serial-parallel dual kinematic problem with a novel approach, demonstrating state-of-the-art accuracy and real-time performance. With a spatial decomposition method, the forward kinematics problem on parallel robots and the inverse kinematics problem on serial manipulators is solved modelling the nonlinear behaviour of the pose space using Support Vector Machines. The results are validated on different topologies with the analytic solution for such manipulators, which demonstrates the applicability of the proposed method. Modelling and control of complex dynamical systems is another relevant field with applications on mobile robots. Nonlinear techniques are usually applied to tackle problems like feature or object tracking. However, some nonlinear integer techniques applied for tasks like position tracking in mobile robots with complex dynamics have limited success when modelling such systems. Fractional calculus has demonstrated to be suitable to model complex processes like viscoelasticity or super diffusion. These tools, that take advantage of the generalization of the derivative and integral operators to a fractional order, have been applied to model and control different topics related with robotics in recent years with remarkable success. With the proposal of a fractional-order PI controller, a suitable controller design method is presented to solve the position tracking problem. This is applied to control the distance of a self-driving car with respect to an objective, which can also be applied to other tracking applications like following a navigation path. Furthermore, this thesis introduces a novel fractional-order hyperchaotic system, stabilised with a full-pseudo-state-feedback controller and a located feedback method. This theoretical contribution of a chaotic system is introduced hoping to be useful in this context. Chaos theory has recently started to be applied to study manipulators, biped robots and autonomous navigation, achieving new and promising results, highlighting the uncertain and chaotic nature which also has been found on robots. All together, this thesis is devoted to different problems related with dynamic state estimation for mobile robots, proposing specific contributions related with modelling and control of complex nonlinear systems. These findings are presented in the context of a self-driving electric car, Verdino, jointly developed in collaboration with the Robotics Group of Universidad de La Laguna (GRULL)

Integrating Recognition and Decision Making to Close the Interaction Loop for Autonomous Systems

Intelligent systems are becoming increasingly ubiquitous in daily life. Mobile devices are providing machine-generated support to users, robots are coming out of their cages in manufacturing to interact with co-workers, and cars with various degrees of self-driving capabilities operate amongst pedestrians and the driver. However, these interactive intelligent systems\u27 effectiveness depends on their understanding and recognition of human activities and goals, as well as their responses to people in a timely manner. The average person does not follow instructions step-by-step or act in a formulaic manner, but instead varies the order of actions and timing when performing a given task. People explore their surroundings, make mistakes, and may interrupt an activity to handle more urgent matters. The decisions that an autonomous intelligent system makes should account for such noise and variance regardless of the form of interaction, which includes adapting action choices and possibly its own goals.While most people take these aspects of interaction for granted, they are complex and involve many specific tasks that have primarily been studied independently within artificial intelligence. This results in open-loop interactive experiences where the user must perform a fixed input command or the intelligent system performs a hard-coded output response---one of the components of the interaction cannot adapt with respect to the other for longer-term back-and-forth interactions. This dissertation explores how developments in plan recognition, activity recognition, intent recognition, and autonomous planning can work together to develop more adaptive interactive experiences between autonomous intelligent systems and the people around them. In particular, we consider a unifying perspective of recognition algorithms that provides sufficient information to dynamically produce short-term automated planning problems, and we present ways to run these algorithms faster for the real-time needs of interaction. This exploration leads to the introduction of the Planning and Recognition Together Close the Interaction Loop (PReTCIL) framework that serves as a first step towards identifying how we can address the problem of closing the interaction loop, in addition to new questions that need to be considered