An optimal open-loop strategy for handling a flexible beam with a robot manipulator

Fast and safe manipulation of flexible objects with a robot manipulator necessitates measures to cope with vibrations. Existing approaches either increase the task execution time or require complex models and/or additional instrumentation to measure vibrations. This paper develops a model-based method that overcomes these limitations. It relies on a simple pendulum-like model for modeling the beam, open-loop optimal control for suppressing vibrations, and does not require any exteroceptive sensors. We experimentally show that the proposed method drastically reduces residual vibrations -- at least 90% -- and outperforms the commonly used input shaping (IS) for the same execution time. Besides, our method can also execute the task faster than IS with a minor reduction in vibration suppression performance. The proposed method facilitates the development of new solutions to a wide range of tasks that involve dynamic manipulation of flexible objects.Comment: Submitted to ICRA 202

Pseudo-haptics survey: Human-computer interaction in extended reality & teleoperation

Pseudo-haptic techniques are becoming increasingly popular in human-computer interaction. They replicate haptic sensations by leveraging primarily visual feedback rather than mechanical actuators. These techniques bridge the gap between the real and virtual worlds by exploring the brain’s ability to integrate visual and haptic information. One of the many advantages of pseudo-haptic techniques is that they are cost-effective, portable, and flexible. They eliminate the need for direct attachment of haptic devices to the body, which can be heavy and large and require a lot of power and maintenance. Recent research has focused on applying these techniques to extended reality and mid-air interactions. To better understand the potential of pseudo-haptic techniques, the authors developed a novel taxonomy encompassing tactile feedback, kinesthetic feedback, and combined categories in multimodal approaches, ground not covered by previous surveys. This survey highlights multimodal strategies and potential avenues for future studies, particularly regarding integrating these techniques into extended reality and collaborative virtual environments.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Computational design of skinned Quad-Robots

We present a computational design system that assists users to model, optimize, and fabricate quad-robots with soft skins. Our system addresses the challenging task of predicting their physical behavior by fully integrating the multibody dynamics of the mechanical skeleton and the elastic behavior of the soft skin. The developed motion control strategy uses an alternating optimization scheme to avoid expensive full space time-optimization, interleaving space-time optimization for the skeleton, and frame-by-frame optimization for the full dynamics. The output are motor torques to drive the robot to achieve a user prescribed motion trajectory. We also provide a collection of convenient engineering tools and empirical manufacturing guidance to support the fabrication of the designed quad-robot. We validate the feasibility of designs generated with our system through physics simulations and with a physically-fabricated prototype

Learning-based methods for planning and control of humanoid robots

Nowadays, humans and robots are more and more likely to coexist as time goes by. The anthropomorphic nature of humanoid robots facilitates physical human-robot interaction, and makes social human-robot interaction more natural. Moreover, it makes humanoids ideal candidates for many applications related to tasks and environments designed for humans. No matter the application, an ubiquitous requirement for the humanoid is to possess proper locomotion skills. Despite long-lasting research, humanoid locomotion is still far from being a trivial task. A common approach to address humanoid locomotion consists in decomposing its complexity by means of a model-based hierarchical control architecture. To cope with computational constraints, simplified models for the humanoid are employed in some of the architectural layers. At the same time, the redundancy of the humanoid with respect to the locomotion task as well as the closeness of such a task to human locomotion suggest a data-driven approach to learn it directly from experience. This thesis investigates the application of learning-based techniques to planning and control of humanoid locomotion. In particular, both deep reinforcement learning and deep supervised learning are considered to address humanoid locomotion tasks in a crescendo of complexity. First, we employ deep reinforcement learning to study the spontaneous emergence of balancing and push recovery strategies for the humanoid, which represent essential prerequisites for more complex locomotion tasks. Then, by making use of motion capture data collected from human subjects, we employ deep supervised learning to shape the robot walking trajectories towards an improved human-likeness. The proposed approaches are validated on real and simulated humanoid robots. Specifically, on two versions of the iCub humanoid: iCub v2.7 and iCub v3

Advancing proxy-based haptic feedback in virtual reality

This thesis advances haptic feedback for Virtual Reality (VR). Our work is guided by Sutherland's 1965 vision of the ultimate display, which calls for VR systems to control the existence of matter. To push towards this vision, we build upon proxy-based haptic feedback, a technique characterized by the use of passive tangible props. The goal of this thesis is to tackle the central drawback of this approach, namely, its inflexibility, which yet hinders it to fulfill the vision of the ultimate display. Guided by four research questions, we first showcase the applicability of proxy-based VR haptics by employing the technique for data exploration. We then extend the VR system's control over users' haptic impressions in three steps. First, we contribute the class of Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) alongside two novel concepts for conveying kinesthetic properties, like virtual weight and shape, through weight-shifting and drag-changing proxies. Conceptually orthogonal to this, we study how visual-haptic illusions can be leveraged to unnoticeably redirect the user's hand when reaching towards props. Here, we contribute a novel perception-inspired algorithm for Body Warping-based Hand Redirection (HR), an open-source framework for HR, and psychophysical insights. The thesis concludes by proving that the combination of DPHF and HR can outperform the individual techniques in terms of the achievable flexibility of the proxy-based haptic feedback.Diese Arbeit widmet sich haptischem Feedback für Virtual Reality (VR) und ist inspiriert von Sutherlands Vision des ultimativen Displays, welche VR-Systemen die Fähigkeit zuschreibt, Materie kontrollieren zu können. Um dieser Vision näher zu kommen, baut die Arbeit auf dem Konzept proxy-basierter Haptik auf, bei der haptische Eindrücke durch anfassbare Requisiten vermittelt werden. Ziel ist es, diesem Ansatz die für die Realisierung eines ultimativen Displays nötige Flexibilität zu verleihen. Dazu bearbeiten wir vier Forschungsfragen und zeigen zunächst die Anwendbarkeit proxy-basierter Haptik durch den Einsatz der Technik zur Datenexploration. Anschließend untersuchen wir in drei Schritten, wie VR-Systeme mehr Kontrolle über haptische Eindrücke von Nutzern erhalten können. Hierzu stellen wir Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) vor, sowie zwei Verfahren, die kinästhetische Eindrücke wie virtuelles Gewicht und Form durch Gewichtsverlagerung und Veränderung des Luftwiderstandes von Requisiten vermitteln. Zusätzlich untersuchen wir, wie visuell-haptische Illusionen die Hand des Nutzers beim Greifen nach Requisiten unbemerkt umlenken können. Dabei stellen wir einen neuen Algorithmus zur Body Warping-based Hand Redirection (HR), ein Open-Source-Framework, sowie psychophysische Erkenntnisse vor. Abschließend zeigen wir, dass die Kombination von DPHF und HR proxy-basierte Haptik noch flexibler machen kann, als es die einzelnen Techniken alleine können

ADD: Analytically Differentiable Dynamics for Multi-Body Systems with Frictional Contact

We present a differentiable dynamics solver that is able to handle frictional contact for rigid and deformable objects within a unified framework. Through a principled mollification of normal and tangential contact forces, our method circumvents the main difficulties inherent to the non-smooth nature of frictional contact. We combine this new contact model with fully-implicit time integration to obtain a robust and efficient dynamics solver that is analytically differentiable. In conjunction with adjoint sensitivity analysis, our formulation enables gradient-based optimization with adaptive trade-offs between simulation accuracy and smoothness of objective function landscapes. We thoroughly analyse our approach on a set of simulation examples involving rigid bodies, visco-elastic materials, and coupled multi-body systems. We furthermore showcase applications of our differentiable simulator to parameter estimation for deformable objects, motion planning for robotic manipulation, trajectory optimization for compliant walking robots, as well as efficient self-supervised learning of control policies.Comment: Moritz Geilinger and David Hahn contributed equally to this wor

Generating whole body movements for dynamics anthropomorphic systems under constraints

Cette thèse étudie la question de la génération de mouvements corps-complet pour des systèmes anthropomorphes. Elle considère le problème de la modélisation et de la commande en abordant la question difficile de la génération de mouvements ressemblant à ceux de l'homme. En premier lieu, un modèle dynamique du robot humanoïde HRP-2 est élaboré à partir de l'algorithme récursif de Newton-Euler pour les vecteurs spatiaux. Un nouveau schéma de commande dynamique est ensuite développé, en utilisant une cascade de programmes quadratiques (QP) optimisant des fonctions coûts et calculant les couples de commande en satisfaisant des contraintes d'égalité et d'inégalité. La cascade de problèmes quadratiques est définie par une pile de tâches associée à un ordre de priorité. Nous proposons ensuite une formulation unifiée des contraintes de contacts planaires et nous montrons que la méthode proposée permet de prendre en compte plusieurs contacts non coplanaires et généralise la contrainte usuelle du ZMP dans le cas où seulement les pieds sont en contact avec le sol. Nous relions ensuite les algorithmes de génération de mouvement issus de la robotique aux outils de capture du mouvement humain en développant une méthode originale de génération de mouvement visant à imiter le mouvement humain. Cette méthode est basée sur le recalage des données capturées et l'édition du mouvement en utilisant le solveur hiérarchique précédemment introduit et la définition de tâches et de contraintes dynamiques. Cette méthode originale permet d'ajuster un mouvement humain capturé pour le reproduire fidèlement sur un humanoïde en respectant sa propre dynamique. Enfin, dans le but de simuler des mouvements qui ressemblent à ceux de l'homme, nous développons un modèle anthropomorphe ayant un nombre de degrés de liberté supérieur à celui du robot humanoïde HRP2. Le solveur générique est utilisé pour simuler le mouvement sur ce nouveau modèle. Une série de tâches est définie pour décrire un scénario joué par un humain. Nous montrons, par une simple analyse qualitative du mouvement, que la prise en compte du modèle dynamique permet d'accroitre naturellement le réalisme du mouvement.This thesis studies the question of whole body motion generation for anthropomorphic systems. Within this work, the problem of modeling and control is considered by addressing the difficult issue of generating human-like motion. First, a dynamic model of the humanoid robot HRP-2 is elaborated based on the recursive Newton-Euler algorithm for spatial vectors. A new dynamic control scheme is then developed adopting a cascade of quadratic programs (QP) optimizing the cost functions and computing the torque control while satisfying equality and inequality constraints. The cascade of the quadratic programs is defined by a stack of tasks associated to a priority order. Next, we propose a unified formulation of the planar contact constraints, and we demonstrate that the proposed method allows taking into account multiple non coplanar contacts and generalizes the common ZMP constraint when only the feet are in contact with the ground. Then, we link the algorithms of motion generation resulting from robotics to the human motion capture tools by developing an original method of motion generation aiming at the imitation of the human motion. This method is based on the reshaping of the captured data and the motion editing by using the hierarchical solver previously introduced and the definition of dynamic tasks and constraints. This original method allows adjusting a captured human motion in order to reliably reproduce it on a humanoid while respecting its own dynamics. Finally, in order to simulate movements resembling to those of humans, we develop an anthropomorphic model with higher number of degrees of freedom than the one of HRP-2. The generic solver is used to simulate motion on this new model. A sequence of tasks is defined to describe a scenario played by a human. By a simple qualitative analysis of motion, we demonstrate that taking into account the dynamics provides a natural way to generate human-like movements

Télé-opération Corps Complet de Robots Humanoïdes

This thesis aims to investigate systems and tools for teleoperating a humanoid robot. Robotteleoperation is crucial to send and control robots in environments that are dangerous or inaccessiblefor humans (e.g., disaster response scenarios, contaminated environments, or extraterrestrialsites). The term teleoperation most commonly refers to direct and continuous control of a robot.In this case, the human operator guides the motion of the robot with her/his own physical motionor through some physical input device. One of the main challenges is to control the robot in a waythat guarantees its dynamical balance while trying to follow the human references. In addition,the human operator needs some feedback about the state of the robot and its work site through remotesensors in order to comprehend the situation or feel physically present at the site, producingeffective robot behaviors. Complications arise when the communication network is non-ideal. Inthis case the commands from human to robot together with the feedback from robot to human canbe delayed. These delays can be very disturbing for the human operator, who cannot teleoperatetheir robot avatar in an effective way.Another crucial point to consider when setting up a teleoperation system is the large numberof parameters that have to be tuned to effectively control the teleoperated robots. Machinelearning approaches and stochastic optimizers can be used to automate the learning of some of theparameters.In this thesis, we proposed a teleoperation system that has been tested on the humanoid robotiCub. We used an inertial-technology-based motion capture suit as input device to control thehumanoid and a virtual reality headset connected to the robot cameras to get some visual feedback.We first translated the human movements into equivalent robot ones by developping a motionretargeting approach that achieves human-likeness while trying to ensure the feasibility of thetransferred motion. We then implemented a whole-body controller to enable the robot to trackthe retargeted human motion. The controller has been later optimized in simulation to achieve agood tracking of the whole-body reference movements, by recurring to a multi-objective stochasticoptimizer, which allowed us to find robust solutions working on the real robot in few trials.To teleoperate walking motions, we implemented a higher-level teleoperation mode in whichthe user can use a joystick to send reference commands to the robot. We integrated this setting inthe teleoperation system, which allows the user to switch between the two different modes.A major problem preventing the deployment of such systems in real applications is the presenceof communication delays between the human input and the feedback from the robot: evena few hundred milliseconds of delay can irremediably disturb the operator, let alone a few seconds.To overcome these delays, we introduced a system in which a humanoid robot executescommands before it actually receives them, so that the visual feedback appears to be synchronizedto the operator, whereas the robot executed the commands in the past. To do so, the robot continuouslypredicts future commands by querying a machine learning model that is trained on pasttrajectories and conditioned on the last received commands.Cette thèse vise à étudier des systèmes et des outils pour la télé-opération d’un robot humanoïde.La téléopération de robots est cruciale pour envoyer et contrôler les robots dans des environnementsdangereux ou inaccessibles pour les humains (par exemple, des scénarios d’interventionen cas de catastrophe, des environnements contaminés ou des sites extraterrestres). Le terme téléopérationdésigne le plus souvent le contrôle direct et continu d’un robot. Dans ce cas, l’opérateurhumain guide le mouvement du robot avec son propre mouvement physique ou via un dispositifde contrôle. L’un des principaux défis est de contrôler le robot de manière à garantir son équilibredynamique tout en essayant de suivre les références humaines. De plus, l’opérateur humain abesoin d’un retour d’information sur l’état du robot et de son site via des capteurs à distance afind’appréhender la situation ou de se sentir physiquement présent sur le site, produisant des comportementsde robot efficaces. Des complications surviennent lorsque le réseau de communicationn’est pas idéal. Dans ce cas, les commandes de l’homme au robot ainsi que la rétroaction du robotà l’homme peuvent être retardées. Ces délais peuvent être très gênants pour l’opérateur humain,qui ne peut pas télé-opérer efficacement son avatar robotique.Un autre point crucial à considérer lors de la mise en place d’un système de télé-opérationest le grand nombre de paramètres qui doivent être réglés pour contrôler efficacement les robotstélé-opérés. Des approches d’apprentissage automatique et des optimiseurs stochastiques peuventêtre utilisés pour automatiser l’apprentissage de certains paramètres.Dans cette thèse, nous avons proposé un système de télé-opération qui a été testé sur le robothumanoïde iCub. Nous avons utilisé une combinaison de capture de mouvement basée sur latechnologie inertielle comme périphérique de contrôle pour l’humanoïde et un casque de réalitévirtuelle connecté aux caméras du robot pour obtenir un retour visuel. Nous avons d’abord traduitles mouvements humains en mouvements robotiques équivalents en développant une approchede retargeting de mouvement qui atteint la ressemblance humaine tout en essayant d’assurer lafaisabilité du mouvement transféré. Nous avons ensuite implémenté un contrôleur du corps entierpour permettre au robot de suivre le mouvement humain reciblé. Le contrôleur a ensuite étéoptimisé en simulation pour obtenir un bon suivi des mouvements de référence du corps entier,en recourant à un optimiseur stochastique multi-objectifs, ce qui nous a permis de trouver dessolutions robustes fonctionnant sur le robot réel en quelques essais.Pour télé-opérer les mouvements de marche, nous avons implémenté un mode de télé-opérationde niveau supérieur dans lequel l’utilisateur peut utiliser un joystick pour envoyer des commandesde référence au robot. Nous avons intégré ce paramètre dans le système de télé-opération, ce quipermet à l’utilisateur de basculer entre les deux modes différents.Un problème majeur empêchant le déploiement de tels systèmes dans des applications réellesest la présence de retards de communication entre l’entrée humaine et le retour du robot: mêmequelques centaines de millisecondes de retard peuvent irrémédiablement perturber l’opérateur,encore plus quelques secondes. Pour surmonter ces retards, nous avons introduit un système danslequel un robot humanoïde exécute des commandes avant de les recevoir, de sorte que le retourvisuel semble être synchronisé avec l’opérateur, alors que le robot exécutait les commandes dansle passé. Pour ce faire, le robot prédit en permanence les commandes futures en interrogeant unmodèle d’apprentissage automatique formé sur les trajectoires passées et conditionné aux dernièrescommandes reçues