Mobile robot teleoperation through eye-gaze (telegaze)

In most teleoperation applications the human operator is required to monitor the status of the robot, as well as, issue controlling commands for the whole duration of the operation. Using a vision based feedback system, monitoring the robot requires the operator to look at a continuous stream of images displayed on an interaction screen. The eyes of the operator therefore, are fully engaged in monitoring and the hands in controlling. Since the eyes of the operator are engaged in monitoring anyway, inputs from their gaze can be used to aid in controlling. This frees the hands of the operator, either partially or fully, from controlling which can then be used to perform any other necessary tasks. However, the challenge here lies in distinguishing between the inputs that can be used for controlling and the inputs that can be used for monitoring. In mobile robot teleoperation, controlling is mainly composed of issuing locomotion commands to drive the robot. Monitoring on the other hand, is looking where the robot goes and looking for any obstacles in the route. Interestingly, there exist a strong correlation between human's gazing behaviours and their moving intentions. This correlation has been exploited in this thesis to investigate novel means for mobile robot teleoperation through eye-gaze, which has been named TeleGaze for short

Towards a framework for socially interactive robots

250 p.En las últimas décadas, la investigación en el campo de la robótica social ha crecido considerablemente. El desarrollo de diferentes tipos de robots y sus roles dentro de la sociedad se están expandiendo poco a poco. Los robots dotados de habilidades sociales pretenden ser utilizados para diferentes aplicaciones; por ejemplo, como profesores interactivos y asistentes educativos, para apoyar el manejo de la diabetes en niños, para ayudar a personas mayores con necesidades especiales, como actores interactivos en el teatro o incluso como asistentes en hoteles y centros comerciales.El equipo de investigación RSAIT ha estado trabajando en varias áreas de la robótica, en particular,en arquitecturas de control, exploración y navegación de robots, aprendizaje automático y visión por computador. El trabajo presentado en este trabajo de investigación tiene como objetivo añadir una nueva capa al desarrollo anterior, la capa de interacción humano-robot que se centra en las capacidades sociales que un robot debe mostrar al interactuar con personas, como expresar y percibir emociones, mostrar un alto nivel de diálogo, aprender modelos de otros agentes, establecer y mantener relaciones sociales, usar medios naturales de comunicación (mirada, gestos, etc.),mostrar personalidad y carácter distintivos y aprender competencias sociales.En esta tesis doctoral, tratamos de aportar nuestro grano de arena a las preguntas básicas que surgen cuando pensamos en robots sociales: (1) ¿Cómo nos comunicamos (u operamos) los humanos con los robots sociales?; y (2) ¿Cómo actúan los robots sociales con nosotros? En esa línea, el trabajo se ha desarrollado en dos fases: en la primera, nos hemos centrado en explorar desde un punto de vista práctico varias formas que los humanos utilizan para comunicarse con los robots de una maneranatural. En la segunda además, hemos investigado cómo los robots sociales deben actuar con el usuario.Con respecto a la primera fase, hemos desarrollado tres interfaces de usuario naturales que pretenden hacer que la interacción con los robots sociales sea más natural. Para probar tales interfaces se han desarrollado dos aplicaciones de diferente uso: robots guía y un sistema de controlde robot humanoides con fines de entretenimiento. Trabajar en esas aplicaciones nos ha permitido dotar a nuestros robots con algunas habilidades básicas, como la navegación, la comunicación entre robots y el reconocimiento de voz y las capacidades de comprensión.Por otro lado, en la segunda fase nos hemos centrado en la identificación y el desarrollo de los módulos básicos de comportamiento que este tipo de robots necesitan para ser socialmente creíbles y confiables mientras actúan como agentes sociales. Se ha desarrollado una arquitectura(framework) para robots socialmente interactivos que permite a los robots expresar diferentes tipos de emociones y mostrar un lenguaje corporal natural similar al humano según la tarea a realizar y lascondiciones ambientales.La validación de los diferentes estados de desarrollo de nuestros robots sociales se ha realizado mediante representaciones públicas. La exposición de nuestros robots al público en esas actuaciones se ha convertido en una herramienta esencial para medir cualitativamente la aceptación social de los prototipos que estamos desarrollando. De la misma manera que los robots necesitan un cuerpo físico para interactuar con el entorno y convertirse en inteligentes, los robots sociales necesitan participar socialmente en tareas reales para las que han sido desarrollados, para así poder mejorar su sociabilida

Development of an assisted-teleoperation system for a dual-manipulator nuclear decommissioning robot

This thesis concerns a robotic platform that is being used for research into assisted tele–operation for common nuclear decommissioning tasks, such as remote handling and pipe cutting. The machine consists of dual, seven–function, hydraulically actuated HYDROLEK manipulators mounted (in prior research) on a mobile BROKK base unit. Whilst the original system was operated by remote control, the present thesis focusses on the development of a visual servoing system, in which the user selects the object of interest from an on–screen image, whilst the computer control system determines and implements via feedback control the required position and orientation of the manipulators. Novel research contributions are made in three main areas: (i) the development of a detailed mechanistic model of the system; (ii) the development and preliminary testing in the laboratory of the new assisted–teleoperation user interface; and (iii) the development of improved control systems for joint angle set point tracking, and their systematic, quantitative comparison via simulation and experiment. The mechanistic model builds on previous work, while the main novelty in this thesis relates to the hydraulic component of the model, and the development and evaluation of a multi–objective genetic algorithm framework to identify the unknown parameter values. To improve on the joystick direct teleoperation currently used as standard in the nuclear industry, which is slow and requires extensive operator training, the proposed assisted–teleoperation makes use of a camera mounted on the robot. Focussing on pipe cutting as an example, the new system ensures that one manipulator automatically grasps the user–selected pipe, and appropriately positions the second for a cutting operation. Initial laboratory testing (using a plastic pipe) shows the efficacy of the approach for positioning the manipulators, and suggests that for both experienced and inexperienced users, the task is completed significantly faster than via tele-operation. Finally, classical industrial, fuzzy logic, and novel state dependent parameter approaches to control are developed and compared, with the aim being to determine a relatively simple controller that yields good performance for the hydraulic manipulators. An improved, more structured method of dealing with the dead–zone characteristics is developed and implemented, replacing the rather ad hoc approach that had been utilised in previous research for the same machine

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