Planning and control for robotic tasks with a human-in-the-loop

Abstract

The design of robotic tasks with a joint interaction with a human user (human-in-the-loop) is currently a highly popular topic in robotics research. One of the main reasons of interest is the possibility of combining the skills of both humans and robots to successfully perform complex tasks. In particular:

- Robots are extremely capable at autonomously executing specific and repetitive tasks, with great speed and precision, and they can operate in environments that are dangerous for a human operator. - With respect to robots, humans possess far superior cognitive capabilities and world awareness which allow them to tackle applications that involve unstructured environments or require taking difficult and quick decisions.

The co-participation of humans and robots to a task can also arise from other reasons, such as an implicit constraint of the task itself (wearable robots, motion simulators) or safety regulations that require a human to supervise the activity of robotic workers.

In view of these considerations, shared control (between human and robot) is a promising (and, in some fields, consolidated) approach to address a number of robotics applications. However, there are several open questions and challenges regarding the design of shared control architectures, such as choosing the role of the human in the task, devising suitable command interfaces and feedback algorithms that increase the situation awareness of the operator, and coping with the unpredictable signals or decisions from the human user.

In this doctoral thesis it is presented a study of some novel robotic tasks involving human-robot interaction. The original shared control architectures developed for these tasks illustrate several novel solutions to the aforementioned questions. Furthermore, the tasks considered in the thesis span various possibilities for the typical characteristics of shared control architectures in robotics, i.e.:

- the role of the human operator in the shared task and his/her interaction with the robot(s); - the typology and number of robots that participate to the shared task; - the feedback returned to the human operator.

Das Design von Aufgaben in der Robotik in Kooperation mit einer Bedienperson (human-in-the-loop) ist zur Zeit ein sehr weitverbreitetes Problem in der Forschung. Eine der Hauptgründe dieses Interesses ist die Möglichkeit, die Stärken sowohl des Menschen, als auch der Roboter zu kombinieren, um erfolgreich komplexe Aufgaben zu erfüllen Im Einzelnen:

- Roboter sind extrem gut darin, spezifische und sich wiederholende Aufgaben mit großer Geschwindigkeit und Präzision auszuführen und können in Umgebungen arbeiten, die gefährlich für einen Arbeiter sind. - Im Gegensatz zu Robotern besitzen Menschen weit bessere kognitive Fähigkeiten und ein Bewusstsein für ihre Umgebung, was ihnen erlaubt, Aufgaben in einer unstrukturierte Umwelt auszuführen, welche schwierige und schnelle Entscheidungen voraussetzen.

Gemeinsames Mitwirken von Menschen und Robotern an einer Aufgabe kann auch andere Gründe haben, wie zum Beispiel eine implizite Einschränkung der Aufgabe selbst (am Körper tragbare Roboter, Bewegungssimulatoren) oder Sicherheitsbestimmungen, die vorschreiben, dass ein Mensch die Aktivitäten eines Roboters überwacht.

In Bezug auf diese Überlegungen ist die gemeinsame Kontrolle (zwischen Mensch und Roboter) ein vielversprechender (und, in einigen Gebieten, fundierter) Ansatz, eine Großzahl von Anwendungen in der Robotik anzugehen. Jedoch gibt es verschiedene offene Fragen und Herausforderungen, die das Design der gemeinsamen Kontrollarchitektur betreffen, wie beispielsweise die Rolle des Menschen an der Aufgabe, die Bestimmung geeigneter Benutzeroberflächen, die das Bewusstsein des Bedieners für die Situation erweitern und Feedbackalgorithmen, die mit unvorhersehbaren Signalen und Entscheidungen des menschlichen Benutzers umgehen können.

In dieser Doktorarbeit wird eine Studie präsentiert, die neuartige Anwendungen in der Mensch-Maschine-Interaktion untersucht. Die einzigartigen geteilten Kontrollarchitekturen, die für diese Arbeit entworfen wurden, zeigen verschiedene neuartige Lösungen der vorhergehenden Fragen. Zusätzlich spannen die Anwendungen, die in dieser Arbeit berücksichtigt wurden, verschiedenste Möglichkeiten für die typischen Charakteristiken geteilter Kontrollarchitekturen in der Robotik:

- Die Rolle der Bedienperson in der geteilten Aufgabe und seine/ihre Interaktion mit den Robotern; - Den Typ und die Anzahl der Roboter die an der geteilten Aufgabe teilnehmen; - Das Feedback, das an die Bedienperson gegeben wird.