Diseño de una arquitectura robótica para mapear un lenguaje de acción a comandos de movimiento de bajo nivel para manipulación hábil

This paper gives an overview of a robotic architecture meant for skillful manipulation. This design is meant to close the gap between the high level layer (reasoning and planing layer) and the object model system (physical control layer). This architecture proposes an interface layer that allows, in a meaningful way, to connect atomic tasks with controller inputs. In this paper, we discuss how specific complex tasks can be resolved by this system; we analyze the affordance unit design and, we overview the future challenges in the implemenation of the whole system.Este artículo ofrece una visión general de una arquitectura robótica destinada a la manipulación hábil. Este diseño está destinado a cerrar la brecha entre la capa de alto nivel (capa de razonamiento y planificación) y el sistema de modelo de objetos (capa de control físico). Esta arquitectura propone una capa de interfaz que permite, de manera significativa, conectar tareas básicas con el controlador. En este artículo, discutimos cómo este sistema puede resolver tareas complejas específicas; analizamos el diseño de la unidad de accesibilidad y presentamos una visión general de los desafíos futuros en la implementación de todo el sistema.Universidad de Costa Rica/[322-B6-279]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

Force/Torque Sensor for Impedance control in the mobile platform of a humanoid robot

Se diseñó y construyó un prototipo en impresión 3D de un sensor de Fuerza/Torque de tres grados de libertad a partir de la modificación de una placa metálica que soporta el carruaje y motor de la base móvil de un robot humanoide. El sensor es capaz de soportar el peso del robot y los esfuerzos que actúan en la base sin comprometer su integridad estructural. La deformación debido a la elasticidad se midió con galgas extensiométricas que se colocaron en el cuerpo del sensor y esas mediciones se utilizaron para cualificar su comportamiento. Por medio de pruebas de deformación en el prototipo se observó que el sensor exhibe un comportamiento elástico apegado a la simulación en software FEM, y en pruebas de crosstalk con un micro controlador y software se determinó que es posible obtener separación entre los grados de libertad. Se concluyó que es necesario realizar modificaciones en la geometría del sensor para mejorar su desempeño. El robot humanoide se encuentra en desarrollo en el ARCOS-Lab de la Universidad de Costa Rica.A 3D printed prototype of a 3 axis Force/Torque Sensor was designed and built, based on the modification of a metallic plate that supports the undercarriage of the mobile platform of a humanoid robot. The sensor is capable of bearing the weight of the robot and withstand external forces without compromising its structural integrity. Deformation due to elasticity was measured with strain gauges installed in the sensor, these measurements were used to qualitatively describe its performance. Strain tests were conducted on the prototype and comparisons were made with FEM simulation results, where an elastic behavior was confirmed. It was found during crosstalk tests with a microcontroller and programming that axis separation can be achieved. Results showed that further alterations to the geometry of the sensor must be made in order to improve its performance. The humanoid robot is currently being developed in ARCOS-Lab from University of Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería Eléctric

Torque sensor geometry study on 3D simulated conditions for a Hollow robotic joint

El sensor de torque es el componente que le brinda a una articulación robótica la capacidad de ser amigable con su entorno, ya que posibilita a un brazo robótico a tomar acciones al captar disturbios externos mientras realiza cualquier labor de manipulación en cualquier tipo de entorno. Esta cualidad es indispensable en robots colaborativos que se desempeñan en espacios de trabajo poco controlados. En este trabajo se presenta el diseño de un sensor de torque para el prototipo de una articulación robótica hueca que integra refrigeración líquida en un actuador BLDC con devanado concentrado. Se muestra el tipo de simulación realizada para identificar la geometría que mejor se adapta a las necesidades del modelo propuesto en función de los esfuerzos que se necesitan captar al realizar tareas de manipulación en un brazo robótico humanoide. Seguidamente, se muestra el resultado de las simulaciones y como se definen las condiciones de borde y la estrategia de modificación geométrica para refinar los puntos máximos de esfuerzo.The torque sensor is the component that gives a robotic joint the ability to be friendly to its surroundings, since it allows a robotic arm to take action when capturing external disturbances while performing any manipulation work in any type of environment. This quality is indispensable in collaborative robots that work in poorly controlled work spaces. This paper presents the design of a torque sensor for a hollow robot joint prototype that integrates liquid cooling in a BLDC actuator with concentrated winding. It shows the type of simulation performed to identify the geometry that best suits the needs of the proposed model based on the efforts that need to be captured when performing manipulation tasks on a humanoid robotic arm. Next, the result of the simulations is shown and how the boundary conditions and the geometric modification strategy are defined to refine the maximum stress points.Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

Comparative Efficiency Study of Two Proposed Designs Tested in Water and Air Cooling Conditions for a High Power Humanoid Robot Hollow Joint

When a robot is designed, usually the weight of the same motors limits the maximum payload of the robot. While the designer tries to increase the power of the motors to give the robot better payload capacity, by doing so, it also makes the robot itself heavier and then the improvement in payload capacity is lost in lifting the robot itself. Many approaches to improve payload capacity consist in using an existing commercial electric motor and modifying it by adding external accessories to avoid non-safe motor internal heat. They usually use a mechanic reduction to increase payload capacity, but they lose maximum speed at the same time. Currently, there are no proper solutions for a motor in a humanoid robot application that manages to lift very heavy objects at high speed and that at the same time the motors are small and lightweight. In order to obtained more power from the robot joint actuator, in this paper we propose and compared a new thermal channel and thermal sealed jacket design for a permanent magnet electric motor to solve this problem. The design takes advantage of the fractional-slot concentrated-winding motor configuration and its fill factor to force liquid and air directly to the winding separately, in order to examine their head extradition to increase its performance in a specify scenario. The propose design shows an improvement in relation to the head extraction of the sealed jacket design with respect to the thermal channels when forcing liquid through them. Both designs are simulated assuming an extreme scenario where the winding reaches 100 °C for validation purposes. The experiments were carried out in the Ansys CFD Software to evaluate their heat transfer behavior.Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

An Object Manipulation System Architecture for Humanoid Robots Based on Primate Cognition

Currently one of the most important challenges is to bring robots out of factory floors to work alongside humans. Because these environments are characterized by a very large variety of objects, a key factor is to provide them with better adaptive object manipulation skills. This means that robots are required to connect, in a meaningful way, a high level task to the robot body movements. Understanding the objects at a physical level can give a robot a connecting mechanism to the higher level system. A previous experiment showed that a robot can skillfully manipulate an object if it is provided with the right mathematical models and controllers [1]. We want to expand this experiment by creating a system that can generalize this type of object manipulation capabilities to many more objects and tasks. In this paper we propose an architecture that helps bridge this gap by using insights from primate cognition. This system enables robots to handle more objects, deal better with tools, and facilitate the process of reasoning about actions and their expected outcomes. We exercised our implementation with some simple testing object models, and were able to corroborate its proper behavior under the proposed circumstances.Universidad de Costa Rica/[322-B6-279]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII

Integración de un torso, base móvil y una cabeza, para un robot humanoide

En el ARCOS-Lab, se tiene como proyecto principal, la construcción de un robot humanoide de cuerpo completo, capaz de realizar tareas de manipulación de objetos a un nivel elevado de precisión y complejidad. Para ello, el robot cuenta con una base móvil omnidireccional para desplazarse con facilidad, con un torso móvil que soporta dos brazos robóticos KUKA LWR 4+, de 7 grados de libertad, y una mano robótica con 5 dedos; tanto los brazos como la mano, poseen un control suave, llamado control por impedancia, que facilita la interacción con fuerzas externas y por tanto, las tareas de manipulación. Además, para el tema de percepción, se tiene una cabeza con dos cámaras de alta resolución, un Kinect V2.0 y una cámara térmica; junto con una estructura de cejas, boca y orejas que junto con matrices de LED conforman la cara emocional del robot, permitiéndole generar mayor empatía con los humanos de su entorno, mostrando felicidad, tristeza, asombro, y otras emociones. Para nuestro robot humanoide se plantean distintos ambientes de trabajo, el primero es una cocina inteligente, de una casa; este escenario representa un reto importante ya que al cocinar, los humanos llevamos acabo tareas cotidianas ante nuestros ojos, pero complejas de desarrollar para un robot. El otro escenario propuesto es un ambiende de bodega de una fábrica donde el robot sirva como asistente ó bodeguero, facilitandole equipo o herramientas a un operario, ó inclusive, colaborando junto con una persona en una etapa de ensamble de producto. En este artículo se explicarán las diferentes partes que componen el robot humanoide así como un resumen del proceso de diseño y construcción y los retos encontrados durante la ejecución del proyecto.ARCOS-Lab is currently building a whole body humanoid robot, capable to manipulate objects skillfully, in a complex and uncontrolled environment. To achieve that, the robot has an omnidirectional mobile base, a mobile torso that supports two KUKA LWR 4+ robotic arms with 7 degrees of freedom, and a robotic hand with 5 fingers; the arms and the hand have a smooth control called impedance control, that will allow the robot to perceive external forces, giving the robot an advantage to manipulation tasks. Also, to perceive the objects in different ways, the robot has a head with two high resolution cameras, a Kinect V2.0 and a thermal camera; the head also has an emotional face structure based on eyebrows, ears, a mouth and two LED matrices to give the robot the capability to show emotions and better interact with the people. Our robot is pretending to work on different scenarios, one of them is a smart kitchen, which is an important challenge because the complexity needed to develop tasks like cooking. Other of the scenarios is a warehouse environment where the robot will be an assistant, giving equipment and tools to the operators, or even helping them to assembly some product, working on a collaborative way. In this paper we will explain the different parts that our robot is composed of. We will describe the design and construction process and also many of the challengues encounter during its development.Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

Learning the prediction error for improving an analytical-based prediction (object-model) system for manipulation tasks

One of the main tasks in robotics today, is to bring robots closer to humans in everyday situations. This requires the robot to understand how its environment (objects, people, conditions) behaves. One method that tries to connect the environment to the robot is called object model. This proposed system (object model) is able to give the robot an understanding of the physics of the environment. Object models have been used to give robots the ability to understand and control object behavior. This information helps robots to be more capable for skilled manipulation tasks, by predicting how the object will react to external stimulus. The object model used as case of study in this paper, uses an analytical representation for describing object behavior. This analytical representation has the advantage of using meaningful object properties and quickly allowing the robot to manipulate the object without doing a lot of trial and error repetitions. A challenge of this approach is that it can be very difficult to derive a mathematical/mechanical model of the object behavior. Therefore, this model, in most cases, will not describe all the peculiarities and details of object behavior. As a result, predictions are good but not perfect. This paper proposes a method to improve the prediction performance of such system, by learning the error of the analytical model and using this to correct the original prediction. Our results show that such a system is able to improve the prediction performance of the system. A quantitative evaluation using cross validation is provided to demonstrate the ability of our system to reduce the error exhibited by the prediction system (object model).Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

Analysis of Atomic Manipulation Tasks in human- shared scenarios (a Kitchen and a Collaborative Workshop Table) for a Humanoid Robot

In this paper we analyze the vocabulary of an action description language to be used, together with a low level object controller, by a humanoid robot in two specific scenarios: a kitchen and a collaborative workshop table. A methodology to acquire this knowledge is presented and then it is applied to these two scenarios. The collected data allows to establish a priority of which actions needs to be implemented with robot controllers, which objects need to be manipulated and how much variation they exhibit between different scenarios or different complex tasks.Universidad de Costa Rica/[322-B6-279]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería EléctricaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Sistema de Estudios de Posgrado::Ingeniería::Maestría Académica en Ingeniería Eléctric

Estudio biblográfico de percepción 3D para tareas robóticas de manipulación de objetos

Un sistema confiable de manipulación de objetos requiere de percepción sofisticada. Aspectos importantes de este sistema es ser capaz de detectar la forma, tamaño y pose de los objetos a manipular. Estas capacidades se han mostrado antes en la literatura pero sin demostrar altos grados de confiabilidad en ambientes no controlados. Las soluciones actuales tienen muchas limitaciones para lograr un manejo adecuado de los objetos. El objetivo principal de este estudio es revisar las técnicas de percepción más relevantes al problema, sus características y limitaciones. Esto será de utilidad para dirigir el trabajo futuro a los aspectos que un robot (como el desarrollado en el ARCOS-Lab) necesita para manipular objetos en ambientes humanos no controlados cotidianos, como las cocinasA reliable object manipulation system requires a sophisticated perception. Important aspects that are required for this type of manipulation are been able to detect the shape, size and pose of the objects to manipulate. These capabilities have been shown before but their reliability is usually not high enough to achieve proper object manipulation in uncontrolled environments. Many are the limitations of current solutions and many are the requirements for this type of manipulation. The main goal of this survey is to study the current most relevant methods, their features and limitations. This will be useful to concentrate future work on the missing aspects that our robots will need to achieve a reliable object manipulation in unconstrained every day human environments such as kitchens.Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ingeniería::Instituto Investigaciones en Ingeniería (INII)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería Eléctric