Cooperative haptics for humanoid robot teleoperation

Abstract

The high degree of complexity associated with the humanoid robotic platforms places some restrictions on the definition of accurate models to the study of motion patterns. Thus, in the context of the University of Aveiro Humanoid Project - PHUA, some work has been done on trying to take advantage of the new concept of robot learning from demonstration, where a human user teleoperates the robot in different motion and balance tasks using a haptic joystick. The data collected during the tests can be used in learning algorithms, so the robot will be able to move, balance and walk on its own. However, the complexity of its kinematic chains, as are the legs in motion and balance operations, makes the learning procedure a lot more challenging and complex due to the shortage of degrees-of-freedom available on the joystick, when compared to those available on the robot. The potential solution lies in the use of two joysticks, one for each leg, in an attempt to ensure a degrees-of-freedom matching between the joystick and the platform. On the other hand, it is also easily recognizable how difficult it could be to teleoperate the real system, not only because of its complexity in terms of degrees-of-freedom but also due to possible errors introduced by mechanical and electronic components. Hence, before trying this operation in the real PHUA platform, this approach is developed and tested in a simulation scenario, making use of an open-source robot simulator, the V-REP. Concomitantly, the haptic interface will generate a force feedback on the haptic device which will be felt by the user, based on the model dynamic response to motion and balance, besides some other disturbances.

O elevado grau de complexidade associado às plataformas robóticas humanóides impõe algumas restrições à definição de modelos rigorosos para o estudo de padrões de movimento e locomoção. Assim, no contexto do Projecto Humanóide da Universidade de Aveiro - PHUA, tem sido desenvolvido algum trabalho de forma a tirar partido do conceito de aprendizagem por demonstração, através da teleoperação humana com recurso a um joystick háptico. Os dados extraídos durante os testes serão depois usados em algoritmos de aprendizagem, tentando com que o robô seja capaz de se mover, equilibrar e andar autonomamente. Contudo, a complexidade das cadeias cinemáticas, como as pernas em tarefas de locomoção e equilíbrio, torna o processo de aprendizagem complexo e exigente pela escassez de graus de liberdade no comando, em comparação com aqueles presentes no modelo. Deste modo, a solução possível passa pelo uso de dois joysticks, um por cada perna, de forma a assegurar uma correspondência entre os graus-de-liberdade do joystick e do sistema real. Por outro lado, é também reconhecível a dificuldade em teleoperar o sistema real, não só por esta complexidade em termos de graus-de-liberdade, mas também pelos erros introduzidos por componentes mecânicos e electrónicos. Assim, antes da operação da plataforma real do PHUA será desenvolvida uma plataforma de simulação usando para isso um software livre, o V-REP. Simultaneamente, a interface háptica gerará um feedback de força no dispositivo háptico que será sentida pelo utilizador, baseada na resposta dinâmica do sistema a movimentos e equilíbrio, bem como outras perturbações externas.