Integration of low-cost supervisory mobile robots in domestic wireless sensor networks

This paper presents a communication interface between supervisory low-cost mobile robots and domestic Wireless Sensor Network (WSN) based on the Zig Bee protocol from different manufacturers. The communication interface allows control and communication with other network devices using the same protocol. The robot can receive information from sensor devices (temperature, humidity, luminosity) and send commands to actuator devices (lights, shutters, thermostats) from different manufacturers. The architecture of the system, the interfaces and devices needed to establish the communication are described in the paper.

Control por modos deslizantes como estrategia de navegación en una flota de robots

En esta tesis se presenta el desarrollo de un esquema de cooperación entre vehículos terrestres (UGV) y aéreos (UAV) no tripulados, que sirve de base para conformar dos flotas de robots autónomos (denominadas FRACTAL y RoMA). Con el fin de comprobar, en diferentes escenarios y con diferente tareas, la validez de las estrategias de coordinación y cooperación propuestas en la tesis se utilizan los robots de la flota FRACTAL, que sirven como plataforma de prueba para tareas como el uso de vehículos aéreos y terrestres para apoyar labores de búsqueda y rescate en zonas de emergencia y la cooperación de una flota de robots para labores agrícolas. Se demuestra además, que el uso de la técnica de control no lineal conocida como Control por Modos Deslizantes puede ser aplicada no solo para conseguir la navegación autónoma individual de un robot aéreo o terrestre, sino también en tareas que requieren la navegación coordinada y sin colisiones de varios robots en un ambiente compartido. Para esto, se conceptualiza teóricamente el uso de la técnica de Control por Modos Deslizantes como estrategia de coordinación entre robots, extendiendo su aplicación a robots no-holonómicos en R2 y a robots aéreos en el espacio tridimensional. Después de dicha contextualización teórica, se analizan las condiciones necesarias para determinar la estabilidad del sistema multi-robot controlado y, finalmente, se comprueban las características de estabilidad y robustez ofrecidas por esta técnica de control. Tales comprobaciones se hacen simulando la navegación segura y eficiente de un grupo de UGVs para la detección de posibles riesgos ambientales, aprovechando la información aportada por un UAV. Para estas simulaciones se utilizan los modelos matemáticos de robots de la flota RoMA. Estas tareas coordinadas entre los robots se hacen posibles gracias a la efectividad, estabilidad y robustez de las estrategias de control que se desarrollan como núcleo fundamental de este trabajo de investigación. ABSTRACT This thesis presents the development of a cooperation scheme between unmanned ground (UGV) and aerial (UAV) vehicles. This scheme is the basis for forming two fleets of autonomous robots (called FRACTAL and RoMA). In order to assess, in different settings and on different tasks, the validity of the coordination and cooperation strategies proposed in the thesis, the FRACTAL fleet robots serves as a test bed for tasks like using coordinated aerial and ground vehicles to support search and rescue work in emergency scenarios or cooperation of a fleet of robots for agriculture. It is also shown that using the technique of nonlinear control known as Sliding Modes Control (SMC) can be applied not only for individual autonomous navigation of an aircraft or land robot, but also in tasks requiring the coordinated navigation of several robots, without collisions, in a shared environment. To this purpose, a strategy of coordination between robots using Sliding Mode Control technique is theoretically conceptualized, extending its application to non-holonomic robots in R2 and aerial robots in three-dimensional space. After this theoretical contextualization, the stability conditions of multi-robot system are analyzed, and finally, the stability and robustness characteristics are validated. Such validations are made with simulated experiments about the safe and efficient navigation of a group of UGV for the detection of possible environmental hazards, taking advantage of the information provided by a UAV. This simulations are made using mathematical models of RoMA fleet robots. These coordinated tasks of robots fleet are made possible thanks to the effectiveness, stability and robustness of the control strategies developed as core of this research.

Análisis de las tecnologías de comunicación entre robots y humanos para su aplicación en grupos de robots

En los últimos tiempos los esfuerzos se están centrando en mejorar los métodos de interacción entre el humano y el robot. El objetivo es conseguir que esa relación parezca simple y que se produzca de la manera más natural posible entre el humano y el robot. Para ese fin se está investigando en métodos de reconocimiento e interpretación del lenguaje corporal, gestos, expresiones de la cara y de sonidos que emite el humano para que la máquina se de cuenta de las intenciones y deseos de los humanos sin recibir órdenes muy específicas. Por otro lado interesa saber cómo se podría aplicar estas técnicas a la comunicación entre robots, pensando aquí en grupos de robots que trabajan en equipos realizando tareas ya asignadas. Estas máquinas se tienen que comunicar para entender las situaciones, detectar necesidades puntuales (si una máquina falla y necesita refuerzo, si pasan acontecimientos inesperados) y reaccionar a ello. Ejecutar estas tareas y realizar las comunicaciones para desarrollar las tareas entre las máquinas resultan especialmente difíciles en entornos hostiles, p.ej. debajo del agua, por lo que el objetivo de este proyecto fin de carrera es investigar las posibles aplicaciones de las técnicas de comunicación entre humanos y máquinas a grupos de robots, como refuerzo o sustitución de los métodos de comunicación clásicos. ABSTRACT. During the last years, many efforts are made to improve the interaction between humans and robots. The aim is to make this relationship simpler and the most natural as possible. For these purpose investigations on the recognition and interpretation of body language, gestures, facial expressions etc are carried out, in order to understand human intentions and desires without receiving specific orders. On the other hand, it is of interest investigate how these techniques could be applied to the communication among robots themselves, e.g. groups of robots which are working in teams resolving certain tasks. These machines have to communicate in order to understand the situations, detect punctual necessities and react to them (e.g. if a machines fails and needs some support, or when some unexpected event happens). The execution of certain tasks and the involved communication, happen to be especially hard in hostile environments, i.e. under water. The objective of this final thesis is to investigate the possible applications of the communication techniques between human and machines to groups of robots, as reinforcement or substitution for the classical communication methods.

Multiple Robots, Single Operator: Considerations About Information And Commanding

Multiple robot, single operator scenarios suppose a challenge in terms of human factors. Two relevant issues are keeping the situational awareness and managing the workload of operators. In order to address these problems, this work analyses the management of information and commands in multi-robot missions. About the information, this paper proposes a selection based on mission and operator states. Regarding the commands, this work reflects about the levels of automation and the methods of commanding.

Planificación y supervisión de flotas de robots autónomos en tareas agrícolas

El control seguro y efectivo de las malas hierbas según los principios establecidos por la Agricultura de Precisión requiere una tecnología específica, avanzada y de coste asumible dentro de los márgenes de beneficio. El uso de plataformas móviles autónomas tanto terrestres como aéreas equipadas con sistemas de percepción innovadores, sistemas inteligentes de toma de decisión y herramientas que permitan la aplicación precisa de los tratamientos herbicidas, reduce el coste asociado a la operación así como los potenciales daños ambientales y el riesgo para los agricultores. Varios son los grupos internacionales de investigación dedicados al desarrollo de tecnologías basadas en sistemas robóticos capaces de optimizar las operaciones complejas implicadas en este tipo de tratamientos de precisión. El desarrollo de sistemas autónomos de ayuda al tratamiento preciso, tanto de cultivos extensivos (malas hierbas) como de leñosos, es el objetivo principal del proyecto RHEA (Robot Fleets for Highly Effective Agriculture and Forestry Management), financiado por el 7º Programa Marco de la CE y dirigido a minimizar los insumos (agroquímicos, combustible, etc.) a la vez que garantizar la calidad y seguridad del producto así como cubrir totalmente el campo independientemente del tamaño que éste tenga. RHEA propone utilizar una flota de robots pequeños/medianos tanto aéreos como terrestres para la inspección/monitorización y posterior aplicación de fitosanitarios, lo que presenta múltiples ventajas frente al tratamiento basado en la habitual máquina de mayores dimensiones y más tradicional. Entre otras, una flota de robots de tamaño pequeño/mediano reduce el impacto sobre la compactación del suelo e interactúa de un modo más seguro con los operarios, ya que la detección e interacción se puede distribuir en varios sistemas de detección y gestión de fallos como los propuestos en la presente tesis. El trabajo de investigación presentado en esta tesis se ha desarrollado dentro de este proyecto europeo y está relacionado con el diseño, desarrollo y evaluación del nivel más alto de la arquitectura RHEA, en otras palabras, con los tres aspectos fundamentales para conseguir que los robots de la flota ejecuten el trabajo eficientemente y sin intervención humana, es decir, con la planificación, la supervisión y la gestión completa e integrada de las tareas de inspección y tratamiento...

Estimación bayesiana de características en robots móviles mediante muestreo de la densidad a posteriori

Comunicación presentada en el I Congrés Català d’Intel·ligència Artificial, Tarragona, Octubre de 1998.

Multi-agent system for control of robots inspired on the distributed activity and hormonal regulation of humans

Robotics is an emerging field with great activity. Robotics is a field that presents several problems because it depends on a large number of disciplines, technologies, devices and tasks. Its expansion from perfectly controlled industrial environments toward open and dynamic environment presents a many new challenges. New uses are, for example, household robots or professional robots. To facilitate the low cost, rapid development of robotic systems, reusability of code, its medium and long term maintainability and robustness are required novel approaches to provide generic models and software systems who develop paradigms capable of solving these problems. For this purpose, in this paper we propose a model based on multi-agent systems inspired by the human nervous system able to transfer the control characteristics of the biological system and able to take advantage of the best properties of distributed software systems. Specifically, we model the decentralized activity and hormonal variation.

Model of Competencies for Decomposition of Human Behavior: Application to Control System of Robots

Humans and machines have shared the same physical space for many years. To share the same space, we want the robots to behave like human beings. This will facilitate their social integration, their interaction with humans and create an intelligent behavior. To achieve this goal, we need to understand how human behavior is generated, analyze tasks running our nerves and how they relate to them. Then and only then can we implement these mechanisms in robotic beings. In this study, we propose a model of competencies based on human neuroregulator system for analysis and decomposition of behavior into functional modules. Using this model allow separate and locate the tasks to be implemented in a robot that displays human-like behavior. As an example, we show the application of model to the autonomous movement behavior on unfamiliar environments and its implementation in various simulated and real robots with different physical configurations and physical devices of different nature. The main result of this study has been to build a model of competencies that is being used to build robotic systems capable of displaying behaviors similar to humans and consider the specific characteristics of robots.

Dynamic Visual Servoing With Chaos Control for Redundant Robots

This paper presents a new dynamic visual control system for redundant robots with chaos compensation. In order to implement the visual servoing system, a new architecture is proposed that improves the system maintainability and traceability. Furthermore, high performance is obtained as a result of parallel execution of the different tasks that compose the architecture. The control component of the architecture implements a new visual servoing technique for resolving the redundancy at the acceleration level in order to guarantee the correct motion of both end-effector and joints. The controller generates the required torques for the tracking of image trajectories. However, in order to guarantee the applicability of this technique, a repetitive path tracked by the robot-end must produce a periodic joint motion. A chaos controller is integrated in the visual servoing system and the correct performance is observed in low and high velocities. Furthermore, a method to adjust the chaos controller is proposed and validated using a real three-link robot.

Control and Guidance of Low-Cost Robots via Gesture Perception for Monitoring Activities in the Home

This paper describes the development of a low-cost mini-robot that is controlled by visual gestures. The prototype allows a person with disabilities to perform visual inspections indoors and in domestic spaces. Such a device could be used as the operator's eyes obviating the need for him to move about. The robot is equipped with a motorised webcam that is also controlled by visual gestures. This camera is used to monitor tasks in the home using the mini-robot while the operator remains quiet and motionless. The prototype was evaluated through several experiments testing the ability to use the mini-robot’s kinematics and communication systems to make it follow certain paths. The mini-robot can be programmed with specific orders and can be tele-operated by means of 3D hand gestures to enable the operator to perform movements and monitor tasks from a distance.

Toward Never-Ending Object Learning for Robots

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06