The robot null space : new uses for new robotic systems

Abstract

This doctoral thesis deals with the use of the robot redundancy to execute several tasks simultaneously at different levels of priority and its application to two different robotic systems. In particular, new uses of the robotic null-space are proposed. One of the robotic systems is studied in this thesis. The thesis memory is divided in two parts, according to the involved robotic system. The first robotic system is a humanoid robot on which a novel use of the null-space is presented: its use to transmit emotions to the users as a low priority task while the robot is executing a task with higher priority. A mapping to translate emotions as points in a three dimensional space to motions of the robot to be fed to the null-space is proposed. The proposed model is implemented and verified in a Pepper robot through a user study. In this study, a salutation motion is executed as the highest priority task, and the null-space is used to generate emotional motions. The analysis of the user study shows that the null-space is a proper mean to convey emotions to the user. The second robotic system is a novelty in itself: it consists of a teleoperation robotic system composed of a mobile manipulator, a UAV with a camera, and a haptic device. The operator teleoperates the mobile manipulator through the haptic device while getting visual feedback from the camera of the drone. The kinematic model of the robotic system, and an algorithm to coordinate the robot and the UAV so that the operator is released from the explicit command of the drone, are proposed. The results of a user study show that the proposed algorithm is appropriate in terms of the operator workload and the learning curve. A null-space algorithm is proposed to avoid own-occlusions of the robot end-effector, that is, situations where parts of the robot occlude the view from the camera of the object at the end-effector. An algorithm for the activation of the camera movements that guarantees that the operator does not lose sight of the teleoperated object, and which is only activated when the robot is about to leave the camera field of view, is presented. Additionally, the continuous inverse, a mathematical operator well suited for smooth transitions between the different levels of priority, is studied; two enhancements are proposed to avoid instabilities and that the lower priority tasks affect the higher priority tasks during transitions. The proposed algorithms are verified in simulations and in real experiments.

Esta tesis doctoral se enmarca en el uso de la redundancia de un robot para ejecutar varias tareas simultáneamente con distintos niveles de prioridad en dos sistemas robóticos distintos. La memoria de la tesis se estructura en dos partes, de acuerdo con el sistema robótico tratado. El primer sistema es un robot humanoide sobre el que se propone un uso novedoso de su espacio nulo: su potencial para transmitir emociones como una tarea secundaria mientras el robot está ejecutando otra tarea con máxima prioridad. Se propone un mapa para convertir emociones descritas como puntos en un espacio tridimensional a movimientos del robot, que se utilizan para alimentar el espacio nulo. El modelo propuesto ha sido implementado y validado en un robot Pepper mediante un estudio con usuarios. En este estudio se ejecuta un movimiento de saludo como tarea principal, y se utiliza el espacio nulo para dotar al robot de movimientos con carga emocional. De los resultados del estudio se concluye que el espacio nulo de un robot es un mecanismo apropiado para transmitir emociones. El segundo sistema robótico estudiado es una novedad en sí mismo: consiste en un sistema robótico teleoperado formado por un manipulador móbil, un dron con cámara de visióny un dispositivo háptico. El operador teleopera el manipulador móbil mediante el dispositivo háptico, utilizando la realimentación visual que le proporciona la cámara del dron. Se plantea el modelo cinemático del sistema robótico y se propone un algoritmo para la coordinación del robot y el dron que evite el control explícito del éste, a fin de reducir la carga de trabajo del operador. Se presentan los resultados de un estudio con usuarios para validar que el nivel de carga de trabajo del operador y la curva de aprendizaje son adecuados. Se propone también el uso del espacio nulo del manipulador móbil para evitar que el robot se interponga entre el objeto en el elemento terminal del robot y la cámara, lo que entorpecería la teleoperación. Se propone un algoritmo para la activación del movimiento de la cámara que garantiza que el operador no pierde de vista el objeto teleoperado y que únicamente se activa cuando el robot está a punto de salir de su campo de visión. Adicionalmente, se estudia la inversa continua, un operador matemático que utiliza el espacio nulo y que es indicado para ejecutar transiciones suaves entre varias tareas con distintos niveles de prioridad; se proponen dos mejoras que evitan la aparición de inestabilidades y que las tareas de menor prioridad afecten a las de mayor prioridad durante las transiciones. Los algoritmos propuestos son validades mediante simulaciones y experimentación real.