Development of training tools for haptic teleoperation of a humanoid robot

Abstract

In robotics, the teleoperation of biped humanoids is one of the most exciting topics. It has the possibility to bypass complex dynamic models with learning demonstration algorithms using human interaction. For this procedure, the Humanoid Project at the University of Aveiro - PHUA, ingrained in the production of a 27 degree-of-freedom full body humanoid platform teleoperated by means of haptic devices. The current project also comprises a robot model that has be imported into the Virtual Robot Experimentation Platform: V-REP. The usage of the simulator allows multiple exercises with greater speed and shorted setup times, when compared to the teleoperation of the real robot, besides providing more safety for the platform and the operator during the tests. By using the simulator, the user can perform tests and make achievements towards the reproduction of human movement with the interaction of two haptic devices providing force feedback to the operator. The performed maneuvers have their kinematic and dynamic data stored for later application in learning by demonstration algorithms. However, the production of more complex and detailed movements requires large amounts of motor skill from the operator. Due to the continuous change of users in the PHUA, an adaptation period is required for the newly arrived operators to develop an a nity with the complex control system. This work is focused on developing methodologies to lower the required time for the training process. Thanks to the versatility of customization provided by V-REP, it was possible to implement interfaces which utilized visual and haptic guidance to enhance the learning capabilities of the operator. A dedicate workstation, new formulations and support tools that control the simulation were developed in order to create a more intuitive control over the humanoid platform. Operators were instructed to reproduce complex 3D movements under several training conditions (with visual and haptic feedback, only haptic feedback, only visual feedback, with guidance tools and without guidance). Performance was measured in terms of speed, drift from intended trajectory, response to the drift and amplitude of the movement. Findings of this study indicate that, with the newly implemented mechanisms, operators are able to gain control over the humanoid platform within a relatively short period of training. Operators subjected to the guidance programs present an even shorter period of training needed, exhibiting high performance in the overall system. These facts support the role of haptic guidance in acquiring kinesthetic memory in high DOFs systems.

Em robótica, a teleoperação de robôs bípede humanóides é um dos tópicos mais emocionante. Tem a possibilidade de contornar modelos dinâmicos rígidos, com algoritmos de aprendizagem por demonstração utilizando interação humana. Para este procedimento, o Projeto Humanóide da Universidade de Aveiro - PHUA, empanha-se na produção de uma plataforma humanóide de corpo inteiro teleoperado com dispositivos hapticos. O estado presente do projeto apresenta um robô humanóide com 27 graus de liberdade. O projeto actual apresenta um modelo do robô importado para a Virtual Robot Exper- imentation Platform: V-REP. O uso do simulador permite vários exercícios com maior velocidade e tempos de preparação curtos, quando comparado com a teleoperação do robô real, além de proporcionar mais segurança para a plataforma e do operador durante os ensaios. Ao utilizar o simulador, o utilizador pode realizar testes à reprodução de movimento humano com a interacção de dois dispositivos de meios hápticos que fornecem força de retorno para o operador. As manobras realizadas têm os seus dados cinemáticos e dinâmicos armazenados para posterior aplicação na aprendizagem por algoritmos de demonstração. No entanto, a produção de movimentos mais complexos e detalhados requer grandes quantidades de habilidade motora do operador. Devido à mudança contínua de usuários no PHUA, um período de adaptação é necessário para os operadores recém-chegados a desenvolver uma a nidade com o complexo sistema de controlo. Este trabalho é focado no desenvolvimento de metodologias para diminuir o tempo necessário para o processo de formação dos utilizadores. Graças à versatilidade de personalização fornecidos pela V-REP, foi possível implementar interfaces que utilizaram orientação visual e haptica para melhorar as capacidades de aprendizagem do operador. Uma estação de trabalho, novas formulações e ferramentas de apoio que controlam a simulação foram desenvolvidos a m de criar um controle mais intuitivo sobre a plataforma humanóide. Os operadores foram instruídos a reproduzir movimentos complexos em 3D sob diversas condições de treino (com feedback visual e haptico, apenas feedback haptico, apenas feedback visual, com ferramentas de orientação e sem orientação). O desempenho foi medido em termos de velocidade, a desvio de trajectória pretendida, a resposta à desvio e o tempo gasto para a criação do movimento. Os resultados deste estudo indicam que, com os mecanismos recém-implementadas, os operadores são capazes de ganhar o controlo sobre a plataforma humanóide dentro de um período relativamente curto de treino. Operadores submetidos a programas de orientação apresentam um período ainda mais curto de formação necessária, exibindo alto desempenho no sistema global. Estes fatos justi cam o papel da orientação haptica em adquirir memória cinestésica em sistemas DOFs elevados.