Learning Robot Motions from Visual Sensing

Learning from demonstration becomes increasingly popular as an efficient way of robot programming. Not only a scientific interest acts as an inspiration in this case but also the possibility of producing the machines that would find application in different areas of life: robots helping with daily routine at home, high performance automata in industries or friendly toys for children. One way to teach a robot to fulfill complex tasks is to start with simple training exercises, combining them to form more difficult behavior. The objective of the Master’s thesis work was to study robot programming with visual input. Dynamic movement primitives (DMPs) were chosen as a tool for motion learning and generation. Assuming a movement to be a spring system influenced by an external force, making this system move, DMPs represent the motion as a set of non-linear differential equations. During the experiments the properties of DMP, such as temporal and spacial invariance, were examined. The effect of the DMP parameters, including spring coefficient, damping factor, temporal scaling, on the trajectory generated were studied.

Learning Robot Environment through Simulation

Traditionally simulators have been used extensively in robotics to develop robotic systems without the need to build expensive hardware. However, simulators can be also be used as a “memory”for a robot. This allows the robot to try out actions in simulation before executing them for real. The key obstacle to this approach is an uncertainty of knowledge about the environment. The goal of the Master’s Thesis work was to develop a method, which allows updating the simulation model based on actual measurements to achieve a success of the planned task. OpenRAVE was chosen as an experimental simulation environment on planning,trial and update stages. Steepest Descent algorithm in conjunction with Golden Section search procedure form the principle part of optimization process. During experiments, the properties of the proposed method, such as sensitivity to different parameters, including gradient and error function, were examined. The limitations of the approach were established, based on analyzing the regions of convergence.

Learning Grasp Affordances from Vision

Monimutkaisissa ja muuttuvissa ympäristöissä työskentelevät robotit tarvitsevat kykyä manipuloida ja tarttua esineisiin. Tämä työ tutkii robottitarttumisen ja robottitartuntapis-teiden koneoppimisen aiempaa tutkimusta ja nykytilaa. Nykyaikaiset menetelmät käydään läpi, ja Le:n koneoppimiseen pohjautuva luokitin toteutetaan, koska se tarjoaa parhaan onnistumisprosentin tutkituista menetelmistä ja on muokattavissa sopivaksi käytettävissä olevalle robotille. Toteutettu menetelmä käyttää intensititeettikuvaan ja syvyyskuvaan po-hjautuvia ominaisuuksi luokitellakseen potentiaaliset tartuntapisteet. Tämän toteutuksen tulokset esitellään.

Clinical Learning Environment and Supervision. Development and Validation of the CLES Evaluation Scale

The purpose of the study is: (1) to describe how nursing students' experienced their clinical learning environment and the supervision given by staff nurses working in hospital settings; and (2) to develop and test an evaluation scale of Clinical Learning Environment and Supervision (CLES). The study has been carried out in different phases. The pilot study (n=163) explored the association between the characteristics of a ward and its evaluation as a learning environment by students. The second version of research instrument (which was developed by the results of this pilot study) were tested by an expert panel (n=9 nurse teachers) and test-retest group formed by student nurses (n=38). After this evaluative phase, the CLES was formed as the basic research instrument for this study and it was tested with the Finnish main sample (n=416). In this phase, a concurrent validity instrument (Dunn & Burnett 1995) was used to confirm the validation process of CLES. The international comparative study was made by comparing the Finnish main sample with a British sample (n=142). The international comparative study was necessary for two reasons. In the instrument developing process, there is a need to test the new instrument in some other nursing culture. Other reason for comparative international study is the reflecting the impact of open employment markets in the European Union (EU) on the need to evaluate and to integrate EU health care educational systems. The results showed that the individualised supervision system is the most used supervision model and the supervisory relationship with personal mentor is the most meaningful single element of supervision evaluated by nursing students. The ward atmosphere and the management style of ward manager are the most important environmental factors of the clinical ward. The study integrates two theoretical elements - learning environment and supervision - in developing a preliminary theoretical model. The comparative international study showed that, Finnish students were more satisfied and evaluated their clinical placements and supervision with higher scores than students in the United Kingdom (UK). The difference between groups was statistical highly significant (p= 0.000). In the UK, clinical placements were longer but students met their nurse teachers less frequently than students in Finland. Arrangements for supervision were similar. This research process has produced the evaluation scale (CLES), which can be used in research and quality assessments of clinical learning environment and supervision in Finland and in the UK. CLES consists of 27 items and it is sub-divided into five sub-dimensions. Cronbach's alpha coefficient varied from high 0.94 to marginal 0.73. CLES is a compact evaluation scale and user-friendliness makes it suitable for continuing evaluation.

Emotions in a Web-based Learning Environment

The aim of this thesis was to examine emotions in a web-based learning environment (WBLE). Theoretically, the thesis was grounded on the dimensional model of emotions. Four empirical studies were conducted. Study I focused on students’ anxiety and their self-efficacy in computer-using situations. Studies II and III examined the influence of experienced emotions on students’ collaborative visible and non-collaborative invisible activities and lurking in a WBLE. Study II also focused on the antecedents of the emotions students experience in a web-based learning environment. Study IV concentrated on clarifying the differences between emotions experienced in face-to-face and web-based collaborative learning. The results of these studies are reported in four original research articles published in scientific journals. The present studies demonstrate that emotions are important determinants of student behaviour in a web-based learning, and justify the conclusion that interactions on the web can and do have an emotional content. Based on the results of these empirical studies, it can be concluded that the emotions students experience during the web-based learning result mostly from the social interactions rather than from the technological context. The studies indicate that the technology itself is not the only antecedent of students’ emotional reactions in the collaborative web-based learning situations. However, the technology itself also exerted an influence on students’ behaviour. It was found that students’ computer anxiety was associated with their negative expectations of the consequences of using technology-based learning environments in their studies. Moreover, the results also indicated that student behaviours in a WBLE can be divided into three partially overlapping classes: i) collaborative visible ii) non-collaborative invisible activities, and iii) lurking. What is more, students’ emotions experienced during the web-based learning affected how actively they participated in such activities in the environment. Especially lurkers, i.e. students who seldom participated in discussions but frequently visited the online environment, experienced more negatively valenced emotions during the courses than did the other students. This result indicates that such negatively toned emotional experiences can make the lurking individuals less eager to participate in other WBLE courses in the future. Therefore, future research should also focus more precisely on the reasons that cause individuals to lurk in online learning groups, and the development of learning tasks that do not encourage or permit lurking or inactivity. Finally, the results from the study comparing emotional reactions in web-based and face-to-face collaborative learning indicated that the learning by means of web-based communication resulted in more affective reactivity when compared to learning in a face-to-face situation. The results imply that the students in the web-based learning group experienced more intense emotions than the students in the face-to-face learning group.The interpretations of this result are that the lack of means for expressing emotional reactions and perceiving others’ emotions increased the affectivity in the web-based learning groups. Such increased affective reactivity could, for example, debilitate individual’s learning performance, especially in complex learning tasks. Therefore, it is recommended that in the future more studies should be focused on the possibilities to express emotions in a text-based web environment to ensure better means for communicating emotions, and subsequently, possibly decrease the high level of affectivity. However, we do not yet know whether the use of means for communicating emotional expressions via the web (for example, “smileys” or “emoticons”) would be beneficial or disadvantageous in formal learning situations. Therefore, future studies should also focus on assessing how the use of such symbols as a means for expressing emotions in a text-based web environment would affect students’ and teachers’ behaviour and emotional state in web-based learning environments.

Coarse Global Visual Localization of a Mobile Robot

Localization, which is the ability of a mobile robot to estimate its position within its environment, is a key capability for autonomous operation of any mobile robot. This thesis presents a system for indoor coarse and global localization of a mobile robot based on visual information. The system is based on image matching and uses SIFT features as natural landmarks. Features extracted from training images arestored in a database for use in localization later. During localization an image of the scene is captured using the on-board camera of the robot, features are extracted from the image and the best match is searched from the database. Feature matching is done using the k-d tree algorithm. Experimental results showed that localization accuracy increases with the number of training features used in the training database, while, on the other hand, increasing number of features tended to have a negative impact on the computational time. For some parts of the environment the error rate was relatively high due to a strong correlation of features taken from those places across the environment.

Control hardware and Condition Monitoring System for Intersector Weld/Cut Robot

Työ sisältää ohjaislaitteiston vertailun ja valinnan rinnakkaisrakenteista robottia varten sekä kunnonvalvontajärjestelmän periaatteiden laadinnan kyseistä robottia varten. Ohjauslaitteisto sisältää teollisuustietokoneen sekä kenttäväylän. Sekä tietokoneesta että väylästä on teoriaosuus ja yksityiskohtaisempi valintaosuus. Teoriaosuudessa selitetään tarkemmin laitteiden toimintaperiaatteista. Valintaosuudessa kerrotaanmiksi jokin tietty laite on valittu käytettäväksi robotin ohjauksessa. Kunnonvalvontateoria ja rinnakkaisrakenteisen robotin kunnonvalvonnan keinot ovat työn toinen osa. Teoriaosa sisältää yleisluonteisen selvityksen vikaantumisesta ja valvonnasta. Erikoisrobotin kunnonvalvonnan keinot esitetään työssä tietyssä järjestyksessä. Ensin esitetään mahdolliset vikatilanteet. Toisessa kohdassa havainnollistetaan vikojen havaitseminen.

Learning in Product Development Projects - Responding to challenges in global industrial company

Verkostoitunut kansainvälinen tuotekehitys on tärkeä osa menestystä nykypäivän muuttuvassa yritysmaailmassa. Toimintojen tehostamiseksi myös projektitoiminnot on sopeutettava kansainväliseen toimintaympäristöön. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi projektitoimintoja on lisäksi jatkuvasti tehostettava. Yhtenäkeinona nähdään projektioppiminen, jota voidaan edistää monin eri tavoin. Tässätyössä keskitytään projektitiedonhallinnan kehittämisen tuomiin oppimismahdollisuuksiin. Kirjallisuudessa kerrotaan, että projektitiedon jakaminen ja sen hyödyntäminen seuraavissa projekteissa on eräs projektioppimisen edellytyksistä. Tämäon otettu keskeiseksi näkökulmaksi tässä tutkimuksessa. Lisäksi tutkimusalueen rajaamiseksi työ tarkastelee erityisesti projektioppimista kansainvälisten tuotekehitysprojektien välillä. Työn tavoitteena on esitellä keskeisiä projektioppimisen haasteita ja etsiä konkreettinen ratkaisu vastaamaan näihin haasteisiin. Tuotekehitystoiminnot ja kansainvälinen hajautettu projektiorganisaatio kohtaavat lisäksi erityisiä haasteita, kuten tiedon hajautuneisuus, projektihenkilöstön vaihtuvuus, tiedon luottamuksellisuus ja maantieteelliset haasteet (esim. aikavyöhykkeet ja toimipisteen sijainti). Nämä erityishaasteet on otettu huomioon ratkaisua etsittäessä. Haasteisiin päädyttiin vastaamaan tietotekniikkapohjaisella ratkaisulla, joka suunniteltiin erityisesti huomioiden esimerkkiorganisaation tarpeet ja haasteet. Työssä tarkastellaan suunnitellun ratkaisun vaikutusta projektioppimiseen ja kuinka se vastaa havaittuihin haasteisiin. Tuloksissa huomattiin, että projektioppimista tapahtui, vaikka oppimista oli vaikea suoranaisesti huomata tutkimusorganisaation jäsenten keskuudessa. Projektioppimista voidaan kuitenkin sanoa tapahtuvan, jos projektitieto on helposti koko projektiryhmän saatavilla ja se on hyvin järjesteltyä. Muun muassa nämä ehdot täyttyivät. Projektioppiminen nähdään yleisesti haastavana kehitysalueena esimerkkiorganisaatiossa. Suuri osa tietämyksestä on niin sanottua hiljaistatietoa, jota on hankala tai mahdoton saattaa kirjalliseen muotoon. Näin olleen tiedon siirtäminen jää suurelta osin henkilökohtaisen vuorovaikutuksen varaan. Siitä huolimatta projektioppimista on mahdollista kehittää erilaisin toimintamallein ja menetelmin. Kehitys vaatii kuitenkin resursseja, pitkäjänteisyyttä ja aikaa. Monet muutokset voivat vaatia myös organisaatiokulttuurin muutoksen ja vaikuttamista organisaation jäseniin. Motivaatio, positiiviset mielikuvat ja selkeät strategiset tavoitteet luovat vakaan pohjan projektioppimisen kehittämiselle.

Developing Processes and Learning in a Project-based Firm

Tämän diplomityön tavoitteena on kuvata tiedonkulkua projektiliiketoimintaa harjoittavassa yrityksessä sekä analysoida kuvausta määrittäen mahdolliset kehityskohdat. Työssätuotetut kuvaukset ja kehityskohtien määrittäminen toimivat pohjana yrityksen kehittäessä projektien hallintaansa tulevaisuudessa. Työssä valitaan tietojohtamisen näkökulma sopivaksi lähestymistavaksi yrityksen toiminnananalysointiin. Haastatteluin kerätyn tutkimusmateriaalin perusteella luodaan prosessikuvaukset jotka mallintavat tietovirtoja yrityksen projektien aikana tapahtuvien prosessien välillä. Kuvausta peilataan tietämyksen luomisen sekä projektien tietojohtamisen teoriaan ja määritetään kehityskohteita. Kehityskohteiden määrittämisen lisäksi ehdotetaan mahdollisia toimenpiteitä tiedon ja tietämyksen hallinnan kehittämiseksi. Kokemusten ja opittujen asioiden sekäpalautteen kerääminen projektien aikana sekä niiden jälkeen havaittiin tärkeimmäksi kehityskohdaksi. Näiden keräämisen voidaan todeta vaativan järjestelmällisyyttä jotta projektien onnistumiset sekä niissä saavutetut parannukset voidaan toistaa jatkossa ja virheet sekä epäonnistumiset sitä vastoin välttää.

The Roles of Cultural, Functional and Value Diversity in Innovativeness and Learning

Tutkielman tavoite on tutkia kulttuurista, funktionaalista ja arvojen diversiteettiä, niiden suhdetta innovatiivisuuteen ja oppimiseen sekä tarjota keinoja diversiteetin johtamiseen. Tämän lisäksi selvitetään linjaesimiesten haastattelujen kautta miten diversiteetti case -organisaatiossa tällä hetkellä koetaan. Organisaation diversiteetin tämänhetkisen tilan tunnistamisen kautta voidaan esittää parannusehdotuksia diversiteetin hallintaan. Tutkimus- ja tiedonkeruumenetelmänä käytetään kvalitatiivista focus group haastattelumenetelmää. Tutkimuksessa saatiin selkeä kuva kulttuurisen, funktionaalisen ja arvojen diversiteetin merkityksistä organisaation innovatiivisuudelle ja oppimiselle sekä löydettiin keinoja näiden diversiteetin tyyppien johtamiseen. Tutkimuksen tärkeä löydös on se, että diversiteetti vaikuttaa positiivisesti organisaation innovatiivisuuteen kun sitä johdetaan tehokkaasti ja kun organisaatioympäristö tukee avointa keskustelua ja mielipiteiden jakamista. Case organisaation tämänhetkistä diversiteetin tilaa selvitettäessä havaittiin että ongelma organisaatiossa ei ole diversiteetin puute, vaan paremminkin se, ettei diversiteettia osata hyödyntää. Organisaatio ei tue erilaisten näkemysten ja mielipiteiden vapaata esittämistä jahyväksikäyttöä ja siksi diversiteetin hyödyntäminen on epätäydellistä. Haastatteluissa tärkeinä seikkoina diversiteetin hyödyntämisen parantamisessa nähtiin kulttuurin muuttaminen avoimempaan suuntaan ja johtajien esimiestaitojen parantaminen.