Haptic interface for the tele-operation of a humanoid robot

Abstract

Robot learning from demonstration is a powerful approach which allows the robot to acquire training examples from human demonstrations. These demonstration examples can be obtained in di erent ways, such as recording state-action pairs whilst the robot is tele-operated by a human supervisor or recording the data as the robot observes the human teacher executing the desired behaviour. The tele-operation approach provides the most direct method for information transfer, but what is missing is an active and bidirectional interface in which both actors, the human teacher and the learner robot, can interact in order to improve the overall system's performance during the execution of a given task. The goal of this dissertation is the development of a haptic interface for the tele-operation of the lower limbs of a real humanoid robot during postural balance tasks. At the core of this co-adaptive design is the use of a Phantom Omni haptic device that provides the human teacher with information about the robot's state (e.g., robot's balance), its physical capabilities and/or limitations. This information from the environment is translated in force feedback to allow the user to guide and correct the executed behaviour. At the end of the demonstration phase, data logging of all the sensory information available (e.g, joint positions/velocities, ground reaction forces, inertial data) and the control commands supplied by the human operator are carried out by a suitable software architecture based on ROS (Robot Operating System). These recorded datasets may be useful in future works for implementing a learning algorithm, enabling the robot to reproduce the task without assistance.

A aprendizagem por demonstração aplicada a um robô e uma abordagem poderosa em que um robô adquire exemplos de demonstrações humanas. Estes exemplos podem ser obtidos das mais variadas formas, tais como a gravação do estado e dos comandos enviados para o robô enquanto o mesmo e teleoperado por um operador humano ou guardar os dados enquanto um robô observa um humano executando um determinado comportamento. A teleoperação e o método mais directo de transferência de informação. No entanto, continua a faltar uma interface activa e bidireccional em que o robô e o operador possam interagir para melhorar o desempenho de uma determinada tarefa. O objectivo desta dissertação e desenvolver uma interface háptica para a teleoperação dos membros inferiores de um robô humano de real em tarefas de equilíbrio postural. No centro desta interface encontra-se o uso de um joystick háptico Phantom Omni que fornece ao operador humano informação sobre o estado em que se encontra o robô, as suas capacidades f sicas e/ou limitações. Esta informação e transformada em realimentação de for cas e ir a assim ajudar o operador a guiar o robô correctamente na execução de um determinado comportamento. No m da fase de demonstração procede-se ao registo de toda a informação sensorial disponível (e.g., posições/velocidades angulares, for cas de reacção no solo, dados inercias) e dos comandos numa arquitectura de software baseada em ROS (Robot Operating System). Este conjunto de dados pode vir a ter um papel importante na implementação de algoritmos de aprendizagem, permitindo ao robô reproduzir uma determinada tarefa sem ajuda externa.