Switched teleoperation-autonomous control for human-robot cooperation using a quadrupedal mobile manipulator

The ongoing research in the field of teleoperation is driving the human towards the possibility of embodying a robot in a remote environment. This would enable him/her to carry out complex tasks thanks to the haptic feedback coming from the interaction of the robot with its surroundings. Despite the huge steps taken in this field, teleoperating a robot still demands high mental and physical effort, leading to worse teleoperation performance. Additionally, some tasks can be performed better by an autonomous robot rather than by a teleoperated one. Another hot topic in robotics is human-robot cooperation, where the robot becomes a trustworthy helper with superhuman capabilities. This thesis merges in one work the aforementioned topics: autonomous human-robot cooperation and teleoperation. In the scenario considered a human and a teleoperated quadrupedal mobile manipulator collaborate in carrying a bulky object over a large workspace. The human operator should be able to decide dynamically whether to command the robot or to let the robot act autonomously. Indeed, the advantages introduced by a shared autonomy framework are various: the human operator can rest during autonomous operation while supervising the robot and eventually taking over control, resulting in an enhancement of teleoperation performance and in an improvement of the system safety. Furthermore, the human operator can select the most convenient operational mode depending on the requirements of the task, exploiting the advantages either of the autonomous capabilities of a robot and of the flexibility of teleoperation. Therefore, the aim of the present work is to design a shared autonomy framework allowing the human operator to switch safely, rapidly and whenever needed between teleoperation and autonomous operation all along the duration of the cooperative object carrying task. The main challenges faced by this thesis are the design of a controller for autonomous human-robot cooperation for transporting a bulky object and the design of the control actions for switching safely and effectively between autonomous and teleoperation modes.

L'attuale ricerca nel campo della teleoperazione sta conducendo l'uomo verso la possibilità di personificare un robot in un ambiente remoto; ciò abiliterebbe l'uomo a portare a termine operazioni complesse in ambienti remoti grazie alla retroazione aptica che gli permette di immergersi quasi totalmente nell'ambiente in cui il robot viene controllato. Nonostante gli enormi passi avanti fatti in questo campo, teleoperare un robot richiede ancora oggi un grosso sforzo mentale e fisico, che a sua volta porta ad un peggioramento delle prestazioni. Inoltre, in alcuni casi il robot autonomo riesce a raggiungere delle prestazioni migliori del robot teleoperato. Un altro tema caldo nella robotica odierna è la cooperazione uomo-robot, in cui il robot diventa un affidabile aiutante dell'uomo dotato di capacità complementari alle sue. Questa tesi unisce cooperazione uomo-robot e teleoperazione in un unico lavoro. Nello scenario considerato, uomo e manipolatore mobile quadrupede teleoperato collaborano nel trasportare un oggetto ingombrante per lunghe distanze. L'operatore umano, ovvero colui che teleopera, deve poter decidere dinamicamente quando teleoperare il robot e quando invece lasciarlo agire in modalità autonoma. I vantaggi introdotti da un'architettura di controllo di autonomia condivisa (shared autonomy) sono vari: l'operatore umano può riposarsi e supervisionare il robot mentre quest'ultimo opera autonomamente, tenendosi pronto a riprendere in mano il controllo del robot nel caso ce ne fosse bisogno; questa architettura apporterebbe un miglioramento sia delle prestazioni di teleoperazione che della sicurezza del sistema. Inoltre, l'operatore umano sarebbe in grado di selezionare la modalità operativa più conveniente in base al tipo di mansione da portare a termine, sfruttando al massimo sia le capacità autonome del robot che la flessibilità della teleoperazione. Lo scopo di questo lavoro è dunque quello di progettare un'architettura di autonomia condivisa che garantisca all'operatore di cambiare tra modalità autonoma e teleoperazione durante tutta la durata dell'operazione in maniera sicura e rapida. Le principali sfide affrontate in questa tesi sono quindi la progettazione di un controllo autonomo per permettere il trasporto di un oggetto ingombrante in cooperazione con un umano e la progettazione di azioni di controllo che permettano all'operatore di cambiare da controllo autonomo a teleoperazione e viceversa durante il trasporto cooperativo dell'oggetto.