Tactile Guidance for Policy Adaptation

Demonstration learning is a powerful and practical technique to develop robot behaviors. Even so, development remains a challenge and possible demonstration limitations, for example correspondence issues between the robot and demonstrator, can degrade policy performance. This work presents an approach for policy improvement through a tactile interface located on the body of the robot. We introduce the Tactile Policy Correction (TPC) algorithm, that employs tactile feedback for the refinement of a demonstrated policy, as well as its reuse for the development of other policies. The TPC algorithm is validated on humanoid robot performing grasp positioning tasks. The performance of the demonstrated policy is found to improve with tactile corrections. Tactile guidance also is shown to enable the development of policies able to successfully execute novel, undemonstrated, tasks. We further show that different modalities, namely teleoperation and tactile control, provide information about allowable variability in the target behavior in different areas of the state space

Smart Navigation in Surgical Robotics

La cirugía mínimamente invasiva, y concretamente la cirugía laparoscópica, ha supuesto un gran cambio en la forma de realizar intervenciones quirúrgicas en el abdomen. Actualmente, la cirugía laparoscópica ha evolucionado hacia otras técnicas aún menos invasivas, como es la cirugía de un solo puerto, en inglés Single Port Access Surgery. Esta técnica consiste en realizar una única incisión, por la que son introducidos los instrumentos y la cámara laparoscópica a través de un único trocar multipuerto. La principal ventaja de esta técnica es una reducción de la estancia hospitalaria por parte del paciente, y los resultados estéticos, ya que el trocar se suele introducir por el ombligo, quedando la cicatriz oculta en él. Sin embargo, el hecho de que los instrumentos estén introducidos a través del mismo trocar hace la intervención más complicada para el cirujano, que necesita unas habilidades específicas para este tipo de intervenciones. Esta tesis trata el problema de la navegación de instrumentos quirúrgicos mediante plataformas robóticas teleoperadas en cirugía de un solo puerto. En concreto, se propone un método de navegación que dispone de un centro de rotación remoto virtual, el cuál coincide con el punto de inserción de los instrumentos (punto de fulcro). Para estimar este punto se han empleado las fuerzas ejercidas por el abdomen en los instrumentos quirúrgicos, las cuales han sido medidas por sensores de esfuerzos colocados en la base de los instrumentos. Debido a que estos instrumentos también interaccionan con tejido blando dentro del abdomen, lo cual distorsionaría la estimación del punto de inserción, es necesario un método que permita detectar esta circunstancia. Para solucionar esto, se ha empleado un detector de interacción con tejido basado en modelos ocultos de Markov el cuál se ha entrenado para detectar cuatro gestos genéricos. Por otro lado, en esta tesis se plantea el uso de guiado háptico para mejorar la experiencia del cirujano cuando utiliza plataformas robóticas teleoperadas. En concreto, se propone la técnica de aprendizaje por demostración (Learning from Demonstration) para generar fuerzas que puedan guiar al cirujano durante la resolución de tareas específicas. El método de navegación propuesto se ha implantado en la plataforma quirúrgica CISOBOT, desarrollada por la Universidad de Málaga. Los resultados experimentales obtenidos validan tanto el método de navegación propuesto, como el detector de interacción con tejido blando. Por otro lado, se ha realizado un estudio preliminar del sistema de guiado háptico. En concreto, se ha empleado una tarea genérica, la inserción de una clavija, para realizar los experimentos necesarios que permitan demostrar que el método propuesto es válido para resolver esta tarea y otras similares

Human-robot interaction and computer-vision-based services for autonomous robots

L'Aprenentatge per Imitació (IL), o Programació de robots per Demostració (PbD), abasta mètodes pels quals un robot aprèn noves habilitats a través de l'orientació humana i la imitació. La PbD s'inspira en la forma en què els éssers humans aprenen noves habilitats per imitació amb la finalitat de desenvolupar mètodes pels quals les noves tasques es poden transferir als robots. Aquesta tesi està motivada per la pregunta genèrica de "què imitar?", Que es refereix al problema de com extreure les característiques essencials d'una tasca. Amb aquesta finalitat, aquí adoptem la perspectiva del Reconeixement d'Accions (AR) per tal de permetre que el robot decideixi el què cal imitar o inferir en interactuar amb un ésser humà. L'enfoc proposat es basa en un mètode ben conegut que prové del processament del llenguatge natural: és a dir, la bossa de paraules (BoW). Aquest mètode s'aplica a grans bases de dades per tal d'obtenir un model entrenat. Encara que BoW és una tècnica d'aprenentatge de màquines que s'utilitza en diversos camps de la investigació, en la classificació d'accions per a l'aprenentatge en robots està lluny de ser acurada. D'altra banda, se centra en la classificació d'objectes i gestos en lloc d'accions. Per tant, en aquesta tesi es demostra que el mètode és adequat, en escenaris de classificació d'accions, per a la fusió d'informació de diferents fonts o de diferents assajos. Aquesta tesi fa tres contribucions: (1) es proposa un mètode general per fer front al reconeixement d'accions i per tant contribuir a l'aprenentatge per imitació; (2) la metodologia pot aplicar-se a grans bases de dades, que inclouen diferents modes de captura de les accions; i (3) el mètode s'aplica específicament en un projecte internacional d'innovació real anomenat Vinbot.El Aprendizaje por Imitación (IL), o Programación de robots por Demostración (PbD), abarca métodos por los cuales un robot aprende nuevas habilidades a través de la orientación humana y la imitación. La PbD se inspira en la forma en que los seres humanos aprenden nuevas habilidades por imitación con el fin de desarrollar métodos por los cuales las nuevas tareas se pueden transferir a los robots. Esta tesis está motivada por la pregunta genérica de "qué imitar?", que se refiere al problema de cómo extraer las características esenciales de una tarea. Con este fin, aquí adoptamos la perspectiva del Reconocimiento de Acciones (AR) con el fin de permitir que el robot decida lo que hay que imitar o inferir al interactuar con un ser humano. El enfoque propuesto se basa en un método bien conocido que proviene del procesamiento del lenguaje natural: es decir, la bolsa de palabras (BoW). Este método se aplica a grandes bases de datos con el fin de obtener un modelo entrenado. Aunque BoW es una técnica de aprendizaje de máquinas que se utiliza en diversos campos de la investigación, en la clasificación de acciones para el aprendizaje en robots está lejos de ser acurada. Además, se centra en la clasificación de objetos y gestos en lugar de acciones. Por lo tanto, en esta tesis se demuestra que el método es adecuado, en escenarios de clasificación de acciones, para la fusión de información de diferentes fuentes o de diferentes ensayos. Esta tesis hace tres contribuciones: (1) se propone un método general para hacer frente al reconocimiento de acciones y por lo tanto contribuir al aprendizaje por imitación; (2) la metodología puede aplicarse a grandes bases de datos, que incluyen diferentes modos de captura de las acciones; y (3) el método se aplica específicamente en un proyecto internacional de innovación real llamado Vinbot.Imitation Learning (IL), or robot Programming by Demonstration (PbD), covers methods by which a robot learns new skills through human guidance and imitation. PbD takes its inspiration from the way humans learn new skills by imitation in order to develop methods by which new tasks can be transmitted to robots. This thesis is motivated by the generic question of “what to imitate?” which concerns the problem of how to extract the essential features of a task. To this end, here we adopt Action Recognition (AR) perspective in order to allow the robot to decide what has to be imitated or inferred when interacting with a human kind. The proposed approach is based on a well-known method from natural language processing: namely, Bag of Words (BoW). This method is applied to large databases in order to obtain a trained model. Although BoW is a machine learning technique that is used in various fields of research, in action classification for robot learning it is far from accurate. Moreover, it focuses on the classification of objects and gestures rather than actions. Thus, in this thesis we show that the method is suitable in action classification scenarios for merging information from different sources or different trials. This thesis makes three contributions: (1) it proposes a general method for dealing with action recognition and thus to contribute to imitation learning; (2) the methodology can be applied to large databases which include different modes of action captures; and (3) the method is applied specifically in a real international innovation project called Vinbot