Since the '50s, robot teleoperation has been employed in a variety of applications where a human user is required to operate from a distance a robotic device, often a robot manipulator. The use of telerobotics is often motivated by the inaccessibility of the environment where the task must be performed, caused by hostile conditions, such as on-orbit maintenance, and decommissioning of hazardous materials, or simply by the different scale of the workspace in robot-assisted surgery. Currently, the topic of interaction between user and robotic devices has been receiving increasing attention from the research community and the industry. As teleoperation applications and platforms grow more complex, the employed control framework should be able to relieve the user of some of the burden caused by operating such devices, establishing a sort of shared control. This work aims at proposing a comprehensive control framework for teleoperation systems comprising robot manipulators. At a local lower control level, sliding mode control theory is employed to achieve a prescribed system behavior, by robustly shaping master and slave manipulators impedances irrespective of uncertainties. An outer hierarchical optimization layer considers control and motion constraints. To help and guide the operator, the specification of hard and soft virtual fixtures is tackled at this level, with virtual force feedback rendered through the analysis of the dual solution of the optimization. A stability analysis of the overall control scheme in presence of variable communication delays during contact is performed by relying on small gain theorem and absolute stability requirements, which provide clear tuning guidelines for master and slave robot control parameters. Furthermore, optical feedback by means of visual servoing is integrated and experimentally validated on a teleoperated dual-arm platform. The proposed controller helps the user in navigating cluttered environments and keep a line of sight with its target by completely avoiding occlusions, reducing the operator workload required to complete a reaching task. Finally, machine learning techniques are employed to infer the user intention and predict his/her motion to actively assist in task execution and reduce fatigue.

Dagli anni cinquanta, la teleoperazione di sistemi robotizzati è stata utilizzata in una vasta gamma di applicazioni in cui all'utente è richiesto di operare a distanza dei dispositivi meccatronici. L'uso di questa tecnologia è spesso motivata dall'inaccessibilità dell'ambiente dove certi compiti devono essere eseguiti, da condizioni sfavorevoli, come nella manutenzione di sistemi orbitali e lo stoccaggio di materiali pericolosi, oppure semplicemente dalla diversa scala dello spazio di lavoro in cui si è chiamati ad operare, come nella chirurgia robotica. Al momento, quello dell'interazione uomo-robot è un argomento che sta riscuotendo crescente interesse sia nell'industria che nella comunità scientifica. Con la sempre maggiore complessità delle applicazioni in cui è necessaria una qualche forma di teleoperazione, il sistema di controllo impiegato deve essere in grado di mitigare il carico fisico e cognitivo che grava sull'utente che opera questi dispositivi, instaurando una sorta di controllo condiviso. Questa tesi ha lo scopo di proporre una struttura di controllo completa per sistemi teleoperati costituiti da manipolatori robotici. Ad un livello locale, la teoria sliding mode è impiegata con lo scopo di ottenere un predeterminato comportamento dinamico, modificando in modo robusto l'impedenza dei manipolatori master e slave a prescindere dalle incertezze di modello. Un controllo di più alto livello, basato un algoritmo di ottimizzazione gerarchica, considera limitazioni e vincoli sul moto e sugli attuatori del robot. Al fine di aiutare e guidare l'operatore durante un compito, la specifica di virtual fixtures rigide e cedevoli è qui affrontata, con la restituzione di un feedback aptico calcolato attraverso lo studio della soluzione duale del problema di ottimizzazione. L'analisi di stabilità del sistema di controllo complessivo in presenza di ritardi di comunicazione durante il contatto con l'ambiente è condotta utilizzando il teorema del piccolo guadagno e requisiti di assoluta stabilità, che al contempo forniscono chiare linee guida per la taratura dei parametri di controllo delle stazioni master e slave. Inoltre, attraverso l'utilizzo di tecniche visual servoing, un feedback visivo è integrato e sperimentalmente validato su una piattaforma teleoperata a due bracci. Il controllore proposto facilita l'utente nella navigazione di ambienti complessi, mantenendo ben visibile in ogni istante il target richiesto, evitando fenomeni di occlusione, e limitando il carico di lavoro dell'operatore per afferrare l'oggetto desiderato. Infine, algoritmi di apprendimento automatico sono impiegati per inferire l'intenzione dell'utente e predire il suo movimento, con l'intento di assisterlo durante l'esecuzione della missione, riducendone stress e fatica.

A general framework for shared control in robot teleoperation with force and visual feedback

NICOLIS, DAVIDE

Abstract

Since the '50s, robot teleoperation has been employed in a variety of applications where a human user is required to operate from a distance a robotic device, often a robot manipulator. The use of telerobotics is often motivated by the inaccessibility of the environment where the task must be performed, caused by hostile conditions, such as on-orbit maintenance, and decommissioning of hazardous materials, or simply by the different scale of the workspace in robot-assisted surgery. Currently, the topic of interaction between user and robotic devices has been receiving increasing attention from the research community and the industry. As teleoperation applications and platforms grow more complex, the employed control framework should be able to relieve the user of some of the burden caused by operating such devices, establishing a sort of shared control. This work aims at proposing a comprehensive control framework for teleoperation systems comprising robot manipulators. At a local lower control level, sliding mode control theory is employed to achieve a prescribed system behavior, by robustly shaping master and slave manipulators impedances irrespective of uncertainties. An outer hierarchical optimization layer considers control and motion constraints. To help and guide the operator, the specification of hard and soft virtual fixtures is tackled at this level, with virtual force feedback rendered through the analysis of the dual solution of the optimization. A stability analysis of the overall control scheme in presence of variable communication delays during contact is performed by relying on small gain theorem and absolute stability requirements, which provide clear tuning guidelines for master and slave robot control parameters. Furthermore, optical feedback by means of visual servoing is integrated and experimentally validated on a teleoperated dual-arm platform. The proposed controller helps the user in navigating cluttered environments and keep a line of sight with its target by completely avoiding occlusions, reducing the operator workload required to complete a reaching task. Finally, machine learning techniques are employed to infer the user intention and predict his/her motion to actively assist in task execution and reduce fatigue.
PERNICI, BARBARA
BASCETTA, LUCA
11-feb-2019
Dagli anni cinquanta, la teleoperazione di sistemi robotizzati è stata utilizzata in una vasta gamma di applicazioni in cui all'utente è richiesto di operare a distanza dei dispositivi meccatronici. L'uso di questa tecnologia è spesso motivata dall'inaccessibilità dell'ambiente dove certi compiti devono essere eseguiti, da condizioni sfavorevoli, come nella manutenzione di sistemi orbitali e lo stoccaggio di materiali pericolosi, oppure semplicemente dalla diversa scala dello spazio di lavoro in cui si è chiamati ad operare, come nella chirurgia robotica. Al momento, quello dell'interazione uomo-robot è un argomento che sta riscuotendo crescente interesse sia nell'industria che nella comunità scientifica. Con la sempre maggiore complessità delle applicazioni in cui è necessaria una qualche forma di teleoperazione, il sistema di controllo impiegato deve essere in grado di mitigare il carico fisico e cognitivo che grava sull'utente che opera questi dispositivi, instaurando una sorta di controllo condiviso. Questa tesi ha lo scopo di proporre una struttura di controllo completa per sistemi teleoperati costituiti da manipolatori robotici. Ad un livello locale, la teoria sliding mode è impiegata con lo scopo di ottenere un predeterminato comportamento dinamico, modificando in modo robusto l'impedenza dei manipolatori master e slave a prescindere dalle incertezze di modello. Un controllo di più alto livello, basato un algoritmo di ottimizzazione gerarchica, considera limitazioni e vincoli sul moto e sugli attuatori del robot. Al fine di aiutare e guidare l'operatore durante un compito, la specifica di virtual fixtures rigide e cedevoli è qui affrontata, con la restituzione di un feedback aptico calcolato attraverso lo studio della soluzione duale del problema di ottimizzazione. L'analisi di stabilità del sistema di controllo complessivo in presenza di ritardi di comunicazione durante il contatto con l'ambiente è condotta utilizzando il teorema del piccolo guadagno e requisiti di assoluta stabilità, che al contempo forniscono chiare linee guida per la taratura dei parametri di controllo delle stazioni master e slave. Inoltre, attraverso l'utilizzo di tecniche visual servoing, un feedback visivo è integrato e sperimentalmente validato su una piattaforma teleoperata a due bracci. Il controllore proposto facilita l'utente nella navigazione di ambienti complessi, mantenendo ben visibile in ogni istante il target richiesto, evitando fenomeni di occlusione, e limitando il carico di lavoro dell'operatore per afferrare l'oggetto desiderato. Infine, algoritmi di apprendimento automatico sono impiegati per inferire l'intenzione dell'utente e predire il suo movimento, con l'intento di assisterlo durante l'esecuzione della missione, riducendone stress e fatica.
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