Automated Deployment of Multi-Robot Collaborative Applications in Hybrid Settings

Robots are becoming increasingly important in our everyday life. In the past, they were employed only in industrial settings to replace labour-intensive human tasks or to boost production efficiency. Instead, nowadays robots are collaborating more closely with humans, physically interacting with them in situations where they had never been applied before, such as homes, offices and hospitals. This thesis will focus on healthcare applications of collaborative robotics, starting from an established framework that addresses scenarios involving a single mobile robot interacting with one or more humans, whose physical and behavioural characteristics are taken into account. The robot’s job is to perform a human’s request for a service, which is limited to moving from one place to another inside the closed environment. First, the framework was expanded to include situations in which multiple robots are present in the same simulation. This extension allowed the development of the synchronization between the robotic agents: when the robot executing the tasks discharges, another agent takes his place and continues the mission, while the aided robot goes to recharge. This extension was carried out using a decentralized control method, chosen because it is more innovative, flexible and fault tolerant with respect to a centralized one. Lastly, a hybrid environment was developed by pairing the simulated agents with a real robot, a Turtlebot3. Also in this setting, the ability of robots to synchronize was allowed, greatly improving the reliability of the data compared with the simulation. Finally, the latest changes made to the system have been validated through experiments of increasing difficulty, in both the simulated and hybrid environments.

I robot stanno diventando sempre più importanti nella nostra vita quotidiana. In passato venivano impiegati solo in ambito industriale per sostituire compiti umani ad alta intensità di lavoro o per aumentare l'efficienza della produzione. Oggi, invece, i robot collaborano sempre più strettamente con gli esseri umani, interagendo fisicamente con loro in situazioni in cui non erano mai stati applicati prima, come case, uffici e ospedali. Questa tesi si concentra sulle applicazioni sanitarie della robotica collaborativa, partendo da un framework consolidato che affronta scenari che coinvolgono un singolo robot mobile che interagisce con uno o più umani, le cui caratteristiche fisiche e comportamentali sono prese in considerazione. Il compito del robot è quello di eseguire la richiesta di un servizio da parte dell'uomo, dove il servizio riguarda esclusivamente lo spostamento all’interno dell’ambiente chiuso. In primo luogo, il framework è stato ampliato per includere situazioni in cui più robot sono presenti nella stessa simulazione. Questa estensione ha permesso di sviluppare la sincronizzazione tra gli agenti robotici: quando il robot che sta eseguendo i compiti si scarica, un altro agente prende il suo posto e continua la missione, mentre il robot assistito va a ricaricarsi. Questa estensione è stata realizzata utilizzando un metodo di controllo decentralizzato, scelto perché più innovativo, flessibile e tollerante ai guasti rispetto a uno centralizzato. Infine, è stato sviluppato un ambiente ibrido accoppiando gli agenti simulati con un robot reale, un Turtlebot3. Anche in questo scenario è stata sviluppata la capacità dei robot di sincronizzarsi, migliorando notevolmente l'affidabilità dei dati rispetto alla simulazione. Infine, le modifiche apportate al sistema sono state convalidate attraverso esperimenti di difficoltà crescente, sia in ambiente simulato che ibrido.