From unimanual to bimanual manipulation in the anthropomorphic robot ARoS

Abstract

The field of anthropomorphic robotics is unanimously recognized as one of the major challenges of current robotics. The reason is due to the fact that anthropomorphic robots are expected to co-exist and work cooperatively with human users in everyday environments where they may be needed. It is known that social human-robot interaction, as well as physical communication is easier if the robot has human form and behave similarly to human beings (Fong et al., 2002; Duffy; 2003; Schaal, 2007). This implies that the robot should possess cognition and human movements. Considering that the majority of daily tasks and objects require bimanual manipulation (e.g. carry a tray, open a suitcase, cut bread), it is of outmost importance that humanoid robots are capable of cooperatively use both arms. Such tasks could either be performed by the robot itself or in collaboration with a human user. Taking this significant need into consideration, this master thesis entitled “From unimanual to bimanual manipulation in the anthropomorphic robot ARoS” emerges, also integrating the European project PF7 Marie Curie "NETT - Neural Engineering Transformative Technologies". The main goal of this master project is to design a real-time optimized movement planning for unimanual motions. Only afterwards it will be possible the planning and control system design for bimanual movements for au anthropomorphic robotic system with humanlike movement. This research project is under development at the Mobile and Anthropomorphic Robotics Laboratory (MARLab) of the Department of Industrial Electronics and the Algoritmi Center at the University of Minho (Campus Azurém). With the intent of ease the interaction between the human user and the robot, and to increase the number of tasks that the robot can perform alone, it is necessary to add a second arm, which will reduce limitations and open a new range of possibilities and bimanual applications. To coordinate two robotic arms with the main goal of executing a task in an independent or cooperative manner has been considered an enormous challenge in the development of personal robots. Some reasons for this perspective are mainly the elevated number of degrees of freedom (DOF) in the robotic arms that must be controlled, the unpredictability of daily tasks and the need to have a real-time system. The advantages of a robot capable of executing bimanual tasks are very alluring, the main are highlighted bellow: • The increase of range in applications. The second arm can hold an object while the other arm is in action, this will increase the capabilities of the robot in helping the human; • The increase of the robot's workspace (e.g. An object might be out of range of one arm and within range to the second one) • The increase of speed to which the task is executed. Since the main goal is to be able to produce a practical and highly adaptable solution, the effort is being applied in order to have no pre-programmed movements in both robotic arms. Service robots in very dynamic environments should not be pre-programmed, therefore it will be possible to have a solution that is able to act after reading its surroundings and be directly adapted. It is extremely important the usage of such specific platforms to enlarge the knowledge in this exciting area and conclude with the improvement of humanity life quality. Simulations and tests were conducted in two different scenarios named has "Toy-Vehicle" and "Space-Station". The results suggest that the above referred objectives and premises were accomplished, such has: i) Human-like movement, ii) Real-time planning and execution, iii) easy adaptation to dynamical scenarios cluttered with obstacles.

A área da robótica antropomórfica é unanimemente reconhecida como um dos grandes desafios da robótica atual. Tal deve-se ao facto de que se pretende que os robôs antropomórficos coexistam e trabalhem em cooperação com os utilizadores humanos em todos os ambientes em que estes possam ser necessários. Sabe-se que a interação social humano-robô, bem como a comunicação física é facilitada se o robô possuir forma humana e se comportar de forma semelhante aos humanos (Fong et al., 2002; Duffy, 2003; Schaal, 2007). Isto implica que o robô possua cognição e movimentos humanos (human like). Considerando que a maioria das tarefas do dia-a-dia exigem manipulação bimanual (e.g. carregar uma bandeja, abrir uma mala, cortar pão), é importante que os robôs humanóides sejam capazes de cooperar com o humano utilizando ambos os braços. Tais tarefas podem ser realizadas pelo robô de forma independente ou em colaboração com o parceiro humano. Tendo esta necessidade em consideração, foi proposto este projeto de mestrado intitulada "De Manipulação Unimanual para Bimanual no Robô Antropomórfico ARoS", integrado no projecto europeu PF7 Marie Curie" NETT - Neural Engineering Transformative Technologies". O sistema robótico antropomórfico desenvolvido irá interagir com um parceiro humano, sendo capaz de, não só executar tarefas que o utilizador humano não é capaz de realizar devido a algum tipo de incapacidade, mas também, quando é vantajoso cooperar com o parceiro humano em diferentes tipos de situações (e.g. manipular uma garrafa, passá-la de uma mão para a outra e entregá-la ao humano). Na anterior versão do ARoS vários problemas e limitações relacionados com interação entre o robô e o utilizador humano, surgiram devido ao fato de que esta versão da plataforma robótica exibia apenas um manipulador. Para facilitar a interação entre o utilizador humano e o ARoS, bem como para aumentar o número de tarefas que o robô pode executar autonomamente, tornou-se claro que a adição de um segundo braço robótico iria reduzir limitações do sistema robótico e tornar possível uma série de novas aplicações bimanuais. Coordenar dois braços robóticos com o objetivo de executar tarefas de forma independente ou cooperativa é considerado um grande desafio no desenvolvimento de robôs pessoais. Algumas das razões que suportam esta perspectiva estão relacionadas com o elevado número de graus de liberdade (DOF) que braços robóticos antropomórficos possuem. Note-se também que a imprevisibilidade das tarefas do dia-a-dia dão ênfase à necessidade de se obter um sistema capaz de planear o movimento de ambos os braços em tempo real. As vantagens de um robô capaz de executar tarefas bimanuais são por demais aliciantes entre as quais, pode ser destacadas as seguintes: • O aumento da gama de aplicações. Um braço pode segurar num objeto, enquanto que o outro está a executar a ação relativamente ao primeiro, permitindo assim o aumento das possíveis aplicações do robô enquanto ajudante. • O aumento do espaço de, trabalho do robô (e.g. um objeto pode estar fora do alcance de um braço e dentro do alcance do outro braço) • O aumento da velocidade com que a tarefa é executada. Uma vez que se pretende obter uma solução adaptável, o projeto foi conduzido no sentido de não possuir movimentos pré-programado em ambos os braços robóticos. Esta premissa trará vantagens quando o ARoS for testado em ambientes dinâmicos onde os objetos não têem uma posição fixa, obtendo-se assim um sistema robótico capaz de se adaptar a mudanças na sua área de trabalho. Foram feitas simulações e testes em dois cenários distintos "Construção de um brinquedo" (Toy Vehicle) e "Estação Espacial" (Space-Station) com resultados que comprovam as premissas acima descritas, tais como: 1) movimento idêntico ao do humano, ii) planeamento em tempo real, iii) adaptação a mudanças no meio, em ambientes com um elevado número de obstaculos.