Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

Independientemente de la existencia de técnicas altamente sofisticadas y capacidades de cómputo cada vez más elevadas, los problemas asociados a los robots que interactúan con entornos no estructurados siguen siendo un desafío abierto en robótica. A pesar de los grandes avances de los sistemas robóticos autónomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusión nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y cirugía robótica. Esta necesidad se debe a que las tecnologías actuales no pueden realizar de forma fiable y autónoma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta métodos para la teleoperación de robots abarcando distintos niveles de abstracción que van desde el control supervisado, en el que un operador da instrucciones de alto nivel en la forma de acciones, hasta el control bilateral, donde los comandos toman la forma de señales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperación supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de búsqueda y rescate utilizando enlaces de comunicación limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos autónomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegación y manipulación mientras se permite cubrir grandes áreas de entornos remotos diseñados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los métodos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulación guiada. Se presenta una aplicación que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicación, se estudian las capacidades de adaptación introducidas por el factor humano y cómo estas pueden compensar la falta de sistemas robóticos de alta precisión. Este trabajo es el resultado de una colaboración entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Automática y Robótica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador háptico que combina velocidad y posición. Este controlador bilateral híbrido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperación de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo háptico pequeño como maestro. Se pueden cubrir amplias áreas de trabajo al cambiar automáticamente entre los modos de control de velocidad y posición. Este controlador háptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinemáticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El método es validado para realizar telemanipulación hábil de objetos con un robot industrial. Por último, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulación robótica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinemática inversa, llamado método iterativo de desacoplamiento cinemático. Este método se ha desarrollado para resolver el problema cinemático inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una solución cerrada no está disponible. La eficacia del método se compara con métodos numéricos convencionales. Además, se ha diseñado una taxonomía robusta de agarres que permite controlar diferentes manos robóticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano robótica. El gesto de la mano humana se identifica mediante la lectura de los movimientos relativos del índice, el pulgar y el dedo medio del usuario durante las primeras etapas del agarre. ABSTRACT Regardless of the availability of highly sophisticated techniques and ever increasing computing capabilities, the problems associated with robots interacting with unstructured environments remains an open challenge. Despite great advances in autonomous robotics, there are some situations where a humanin- the-loop is still required, such as, nuclear, space, subsea and robotic surgery operations. This is because the current technologies cannot reliably perform all kinds of task autonomously. This thesis presents methods for robot teleoperation strategies at different levels of abstraction ranging from supervisory control, where the operator gives high-level task actions, to bilateral teleoperation, where the commands take the form of low-level control inputs. These strategies contribute to improve the current human-robot interfaces specially in the case of slave robots deployed at large workspaces. First, an approach to perform supervisory teleoperation of humanoid robots is presented. The goal is to control ground robots capable of executing complex tasks in disaster relief environments under constrained communication links. This proposal incorporates autonomous behaviors that the operator can use to perform navigation and manipulation tasks which allow covering large human engineered areas of the remote environment. The experimental results demonstrate the efficiency of the proposed methods. Second, the use of cost-effective devices for guided telemanipulation is investigated. A case study involving a bimanual humanoid robot and an Inertial Measurement Unit (IMU) Motion Capture (MoCap) suit is introduced. Herein, it is corroborated how the adaptation capabilities offered by the human-in-the-loop factor can compensate for the lack of high-precision robotic systems. This work is the result of collaboration between researchers from the Harvard Biorobotics Laboratory and the Centre for Automation and Robotics UPM-CSIC. Thirdly, a new haptic rate-position controller is presented. This hybrid bilateral controller copes with the problems related to the teleoperation of a slave robot with large workspace using a small haptic device as master. Large workspaces can be covered by automatically switching between rate and position control modes. This haptic controller is ideal to couple kinematic dissimilar master-slave systems where the commands are transmitted in the task space of the remote environment. The method is validated to perform dexterous telemanipulation of objects with a robotic manipulator. Finally, two contributions for robotic manipulation are introduced. First, a new algorithm, the Iterative Kinematic Decoupling method, is presented. It is a numeric method developed to solve the Inverse Kinematics (IK) problem of a type of six-DoF robotic arms where a close-form solution is not available. The effectiveness of this IK method is compared against conventional numerical methods. Second, a robust grasp mapping has been conceived. It allows to control a wide range of different robotic hands using a gesture based correspondence between the human hand space and the robotic hand space. The human hand gesture is identified by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of grasping.

A multinational SDI-based system to facilitate disaster risk management in the Andean Community

A useful strategy for improving disaster risk management is sharing spatial data across different technical organizations using shared information systems. However, the implementation of this type of system requires a large effort, so it is difficult to find fully implemented and sustainable information systems that facilitate sharing multinational spatial data about disasters, especially in developing countries. In this paper, we describe a pioneer system for sharing spatial information that we developed for the Andean Community. This system, called SIAPAD (Andean Information System for Disaster Prevention and Relief), integrates spatial information from 37 technical organizations in the Andean countries (Bolivia, Colombia, Ecuador, and Peru). SIAPAD was based on the concept of a thematic Spatial Data Infrastructure (SDI) and includes a web application, called GEORiesgo, which helps users to find relevant information with a knowledge-based system. In the paper, we describe the design and implementation of SIAPAD together with general conclusions and future directions which we learned as a result of this work.

An Ant Colony System adaptation to deal with accessibility issues after a disaster

One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work tasks to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. Previous research focused on speeding up repair work or on selecting the location of health centers to minimize transport times for injured citizens. In spite of the good results, this research does not take into account another key factor: survivor accessibility to resources. In this paper we account for the accessibility issue, that is, we maximize the number of survivors that reach the nearest regional center (cities where economic and social activity is concentrated) in a minimum time by planning which rural roads should be repaired given the available financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of connections between cities and regional centers grows exponentially with the problem size, and exact methods are no good for achieving an optimum solution. In order to solve the problem we propose using an Ant Colony System adaptation, which is based on ants? foraging behavior. Ants stochastically build minimal paths to regional centers and decide if damaged roads are repaired on the basis of pheromone levels, accessibility heuristic information and the available budget. The proposed algorithm is illustrated by means of an example regarding the 2010 Haiti earthquake, and its performance is compared with another metaheuristic, GRASP.

Risk sharing with Multilateral Financial Institutions in infrastructure and energy project financing : effect on capital relief for commercial banks

(Matsukawa and Habeck, 2007) analyse the main instruments for risk mitigation in infrastructure financing with Multilateral Financial Institutions (MFIs). Their review coincided with the global financial crisis of 2007-08, and is highly relevant in current times considering the sovereign debt crisis, the lack of available capital and the increases in bank regulation in Western economies. The current macroeconomic environment has seen a slowdown in the level of finance for infrastructure projects, as they pose a higher credit risk given their requirements for long term investments. The rationale for this work is to look for innovative solutions that are focused on the credit risk mitigation of infrastructure and energy projects whilst optimizing the economic capital allocation for commercial banks. This objective is achieved through risk-sharing with MFIs and looking for capital relief in project finance transactions. This research finds out the answer to the main question: "What is the impact of risk-sharing with MFIs on project finance transactions to increase their efficiency and viability?", and is developed from the perspective of a commercial bank assessing the economic capital used and analysing the relevant variables for it: Probability of Default, Loss Given Default and Recovery Rates, (Altman, 2010). An overview of project finance for the infrastructure and energy sectors in terms of the volume of transactions worldwide is outlined, along with a summary of risk-sharing financing with MFIs. A review of the current regulatory framework beneath risk-sharing in structured finance with MFIs is also analysed. From here, the impact of risk-sharing and the diversification effect in infrastructure and energy projects is assessed, from the perspective of economic capital allocation for a commercial bank. CreditMetrics (J. P. Morgan, 1997) is applied over an existing well diversified portfolio of project finance infrastructure and energy investments, working with the main risk capital measures: economic capital, RAROC, and EVA. The conclusions of this research show that economic capital allocation on a portfolio of project finance along with risk-sharing with MFIs have a huge impact on capital relief whilst increasing performance profitability for commercial banks. There is an outstanding diversification effect due to the portfolio, which is combined with risk mitigation and an improvement in recovery rates through Partial Credit Guarantees issued by MFIs. A stress test scenario analysis is applied to the current assumptions and credit risk model, considering a downgrade in the rating for the commercial bank (lender) and an increase of default in emerging countries, presenting a direct impact on economic capital, through an increase in expected loss and a decrease in performance profitability. Getting capital relief through risk-sharing makes it more viable for commercial banks to finance infrastructure and energy projects, with the beneficial effect of a direct impact of these investments on GDP growth and employment. The main contribution of this work is to promote a strategic economic capital allocation in infrastructure and energy financing through innovative risk-sharing with MFIs and economic pricing to create economic value added for banks, and to allow the financing of more infrastructure and energy projects. This work suggests several topics for further research in relation to issues analysed. (Matsukawa and Habeck, 2007) analizan los principales instrumentos de mitigación de riesgos en las Instituciones Financieras Multilaterales (IFMs) para la financiación de infraestructuras. Su presentación coincidió con el inicio de la crisis financiera en Agosto de 2007, y sus consecuencias persisten en la actualidad, destacando la deuda soberana en economías desarrolladas y los problemas capitalización de los bancos. Este entorno macroeconómico ha ralentizado la financiación de proyectos de infraestructuras. El actual trabajo de investigación tiene su motivación en la búsqueda de soluciones para la financiación de proyectos de infraestructuras y de energía, mitigando los riesgos inherentes, con el objeto de reducir el consumo de capital económico en los bancos financiadores. Este objetivo se alcanza compartiendo el riesgo de la financiación con IFMs, a través de estructuras de risk-sharing. La investigación responde la pregunta: "Cuál es el impacto de risk-sharing con IFMs, en la financiación de proyectos para aumentar su eficiencia y viabilidad?". El trabajo se desarrolla desde el enfoque de un banco comercial, estimando el consumo de capital económico en la financiación de proyectos y analizando las principales variables del riesgo de crédito, Probability of Default, Loss Given Default and Recovery Rates, (Altman, 2010). La investigación presenta las cifras globales de Project Finance en los sectores de infraestructuras y de energía, y analiza el marco regulatorio internacional en relación al consumo de capital económico en la financiación de proyectos en los que participan IFMs. A continuación, el trabajo modeliza una cartera real, bien diversificada, de Project Finance de infraestructuras y de energía, aplicando la metodología CreditMet- rics (J. P. Morgan, 1997). Su objeto es estimar el consumo de capital económico y la rentabilidad de la cartera de proyectos a través del RAROC y EVA. La modelización permite estimar el efecto diversificación y la liberación de capital económico consecuencia del risk-sharing. Los resultados muestran el enorme impacto del efecto diversificación de la cartera, así como de las garantías parciales de las IFMs que mitigan riesgos, mejoran el recovery rate de los proyectos y reducen el consumo de capital económico para el banco comercial, mientras aumentan la rentabilidad, RAROC, y crean valor económico, EVA. En escenarios económicos de inestabilidad, empeoramiento del rating de los bancos, aumentos de default en los proyectos y de correlación en las carteras, hay un impacto directo en el capital económico y en la pérdida de rentabilidad. La liberación de capital económico, como se plantea en la presente investigación, permitirá financiar más proyectos de infraestructuras y de energía, lo que repercutirá en un mayor crecimiento económico y creación de empleo. La principal contribución de este trabajo es promover la gestión activa del capital económico en la financiación de infraestructuras y de proyectos energéticos, a través de estructuras innovadoras de risk-sharing con IFMs y de creación de valor económico en los bancos comerciales, lo que mejoraría su eficiencia y capitalización. La aportación metodológica del trabajo se convierte por su originalidad en una contribución, que sugiere y facilita nuevas líneas de investigación académica en las principales variables del riesgo de crédito que afectan al capital económico en la financiación de proyectos.

Shadow Analysis of Soil Surface Roughness Compared to the Chain Set Method and Direct Measurement of Micro-relief.

Erosion potential and the effects of tillage can be evaluated from quantitative descriptions of soil surface roughness. The present study therefore aimed to fill the need for a reliable, low-cost and convenient method to measure that parameter. Based on the interpretation of micro-topographic shadows, this new procedure is primarily designed for use in the field after tillage. The principle underlying shadow analysis is the direct relationship between soil surface roughness and the shadows cast by soil structures under fixed sunlight conditions. The results obtained with this method were compared to the statistical indexes used to interpret field readings recorded by a pin meter. The tests were conducted on 4-m2 sandy loam and sandy clay loam plots divided into 1-m2 subplots tilled with three different tools: chisel, tiller and roller. The highly significant correlation between the statistical indexes and shadow analysis results obtained in the laboratory as well as in the field for all the soil?tool combinations proved that both variability (CV) and dispersion (SD) are accommodated by the new method. This procedure simplifies the interpretation of soil surface roughness and shortens the time involved in field operations by a factor ranging from 12 to 20.

Análisis de la eficiencia de los sistemas de colonias de hormigas para problemas de accesibilidad

A pesar de los avances en materia de predicción, los desastres naturales siguen teniendo consecuencias devastadoras. Entre los principales problemas a los que se enfrentan los equipos de ayuda y rescate después de un desastre natural o provocado por el hombre se encuentra la planificación de las tareas de reparación de carreteras para conseguir la máxima ventaja de los limitados recursos económicos y humanos. En la presente Tesis Fin de Máster se intenta dar solución al problema de la accesibilidad, es decir, maximizar el número de supervivientes que consiguen alcanzar el centro regional más cercano en un tiempo mínimo mediante la planificación de qué carreteras rurales deberían ser reparadas dados unos recursos económicos y humanos limitados. Como se puede observar, es un problema combinatorio ya que el número de planes de reparación y conexiones entre las ciudades y los centros regionales crece de forma exponencial con el tamaño del problema. Para la resolución del problema se comienza analizando una adaptación básica de los sistemas de colonias de hormigas propuesta por otro autor y se proponen múltiples mejoras sobre la misma. Posteriormente, se propone una nueva adaptación más avanzada de los sistemas de colonias de hormiga al problema, el ACS con doble hormiga. Este sistema hace uso de dos tipos distintos de hormigas, la exploradora y la trabajadora, para resolver simultáneamente el problema de encontrar los caminos más rápidos desde cada ciudad a su centro regional más cercano (exploradora), y el de obtener el plan óptimo de reparación que maximice la accesibilidad de la red (trabajadora). El algoritmo propuesto se ilustra por medio de un ejemplo de gran tamaño que simula el desastre natural ocurrido en Haití, y su rendimiento es comparado con la combinación de dos metaheurísticas, GRASP y VNS.---ABSTRACT---In spite of the advances in forecasting, natural disaster continue to ocasionate devastating consequences. One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. In this Master´s Final Project we account for the accesability issue, that is, to maximize the number of survivors that reach the nearest regional center in a minimum time by planning whic rural roads should be repaired given the limited financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of possible repairing solutions and connections between cities and regional centers grows exponentially with the size of the problem. In order to solve the problem, we analyze the basic ant colony system adaptation proposed by another author and point out multiple improvements on it. Then, we propose a novel and more advance adaptation of the ant colony systems to the problem, the double- ant ACS. This system makes use of two diferent type of ants, the explorer and the worker, to simultaneously solve the problem of finding the shorthest paths from each city to their nearest regional center (explorer), and the problem of identifying the optimal repairing plan that maximize the network accesability (worker). The proposed algorithm is illustrated by means of a big size example that simulates the natural disaster occurred in Haiti, and its performance is compared with a combination of two metaheuristics, GRASP and VNS.