Nonlinear Control Strategies for Cooperative Control of Multi-Robot Systems

This thesis deals with distributed control strategies for cooperative control of multi-robot systems. Specifically, distributed coordination strategies are presented for groups of mobile robots. The formation control problem is initially solved exploiting artificial potential fields. The purpose of the presented formation control algorithm is to drive a group of mobile robots to create a completely arbitrarily shaped formation. Robots are initially controlled to create a regular polygon formation. A bijective coordinate transformation is then exploited to extend the scope of this strategy, to obtain arbitrarily shaped formations. For this purpose, artificial potential fields are specifically designed, and robots are driven to follow their negative gradient. Artificial potential fields are then subsequently exploited to solve the coordinated path tracking problem, thus making the robots autonomously spread along predefined paths, and move along them in a coordinated way. Formation control problem is then solved exploiting a consensus based approach. Specifically, weighted graphs are used both to define the desired formation, and to implement collision avoidance. As expected for consensus based algorithms, this control strategy is experimentally shown to be robust to the presence of communication delays. The global connectivity maintenance issue is then considered. Specifically, an estimation procedure is introduced to allow each agent to compute its own estimate of the algebraic connectivity of the communication graph, in a distributed manner. This estimate is then exploited to develop a gradient based control strategy that ensures that the communication graph remains connected, as the system evolves. The proposed control strategy is developed initially for single-integrator kinematic agents, and is then extended to Lagrangian dynamical systems.

Teoria del consenso e applicazione al problema del coordinamento del moto di robot.

Il sempre crescente numero di applicazioni di reti di sensori, robot cooperanti e formazioni di veicoli, ha fatto sì che le problematiche legate al coordinamento di sistemi multi-agente (MAS) diventassero tra le più studiate nell’ambito della teoria dei controlli. Esistono numerosi approcci per affrontare il problema, spesso profondamente diversi tra loro. La strategia studiata in questa tesi è basata sulla Teoria del Consenso, che ha una natura distribuita e completamente leader-less; inoltre il contenuto informativo scambiato tra gli agenti è ridotto al minimo. I primi 3 capitoli introducono ed analizzano le leggi di interazione (Protocolli di Consenso) che permettono di coordinare un Network di sistemi dinamici. Nel capitolo 4 si pensa all'applicazione della teoria al problema del "loitering" circolare di più robot volanti attorno ad un obiettivo in movimento. Si sviluppa a tale scopo una simulazione in ambiente Matlab/Simulink, che genera le traiettorie di riferimento di raggio e centro impostabili, a partire da qualunque posizione iniziale degli agenti. Tale simulazione è stata utilizzata presso il “Center for Research on Complex Automated Systems” (CASY-DEI Università di Bologna) per implementare il loitering di una rete di quadrirotori "CrazyFlie". I risultati ed il setup di laboratorio sono riportati nel capitolo 5. Sviluppi futuri si concentreranno su algoritmi locali che permettano agli agenti di evitare collisioni durante i transitori: il controllo di collision-avoidance dovrà essere completamente indipendente da quello di consenso, per non snaturare il protocollo di Consenso stesso.

Stato dell'arte della progettazione automatica di programmi per robot

La comprensione delle proprietà e delle meccaniche di funzionamento dei sistemi complessi e dinamici che ci circondano è uno degli obiettivi principali delle discipline ingegneristiche e scientifiche. Lo sviluppo nel campo dell'Intelligenza Artificiale ha permesso la creazione di entità robotiche sempre più intelligenti, in grado di manifestare comportamenti notevoli e di raggiungere gli obiettivi prefissati: la progettazione di software di controllo ha velocemente ricevuto una crescente responsabilità. Questo elaborato si propone di inquadrare in generale la situazione della progettazione di software di controllo robotici, focalizzandosi in particolare sulle tecniche di progettazione automatica di programmi per robot: dopo aver inquadrato il background su cui si basa la progettazione automatica ed aver mostrato una panoramica dei principali metodi di progettazione diretta, vengono elencate e spiegate le tecniche più utilizzate ed interessanti della progettazione automatica di programmi per robot.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Extracting FSA descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed controller networks

Automatic design has become a common approach to evolve complex networks, such as artificial neural networks (ANNs) and random boolean networks (RBNs), and many evolutionary setups have been discussed to increase the efficiency of this process. However networks evolved in this way have few limitations that should not be overlooked. One of these limitations is the black-box problem that refers to the impossibility to analyze internal behaviour of complex networks in an efficient and meaningful way. The aim of this study is to develop a methodology that make it possible to extract finite-state automata (FSAs) descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed complex controller networks. These FSAs unlike complex networks from which they're extracted are both readable and editable thus making the resulting designs much more valuable.

Tesi sperimentale per valutare l'esperienza chirurgica nell'uso del robot Da Vinci Si

Questa tesi si compone di due parti tra loro correlate. Nella prima viene analizzato l’attuale stato dell’arte in ambito di robot chirurgici e, successivamente, sono illustrate le caratteristiche tecniche e funzionali del robot chirurgico Da Vinci Si e ne viene evidenziata la mancanza di sensori in grado di fornire all’utilizzatore un feedback aptico. La seconda parte propone uno studio che ha lo scopo di dimostrare come l’esperienza del chirurgo riesca a sopperire alla mancanza di un sensore in grado di fornire un riscontro della forza impressa sugli strumenti nel campo operatorio. A questo proposito, vengono illustrati i risultati del test appositamente costruito, cui è stato sottoposto un campione di chirurghi di diversi ambiti specialistici, per dimostrare come l’esperienza e la destrezza consentono all’utilizzatore del robot Da Vinci Si di ricevere un’indicazione della forza impressa sui tessuti del campo operatorio tramite un riscontro visivo.

Un’applicazione di elaborazione del linguaggio naturale per il gioco di "Indovina chi?" su robot umanoide

La tesi è stata incentrata sul gioco «Indovina chi?» per l’identificazione da parte del robot Nao di un personaggio tramite la sua descrizione. In particolare la descrizione avviene tramite domande e risposte L’obiettivo della tesi è la progettazione di un sistema in grado di capire ed elaborare dei dati comunicati usando un sottoinsieme del linguaggio naturale, estrapolarne le informazioni chiave e ottenere un riscontro con informazioni date in precedenza. Si è quindi programmato il robot Nao in modo che sia in grado di giocare una partita di «Indovina chi?» contro un umano comunicando tramite il linguaggio naturale. Sono state implementate regole di estrazione e categorizzazione per la comprensione del testo utilizzando Cogito, una tecnologia brevettata dall'azienda Expert System. In questo modo il robot è in grado di capire le risposte e rispondere alle domande formulate dall'umano mediante il linguaggio naturale. Per il riconoscimento vocale è stata utilizzata l'API di Google e PyAudio per l'utilizzo del microfono. Il programma è stato implementato in Python e i dati dei personaggi sono memorizzati in un database che viene interrogato e modificato dal robot. L'algoritmo del gioco si basa su calcoli probabilistici di vittoria del robot e sulla scelta delle domande da proporre in base alle risposte precedentemente ricevute dall'umano. Le regole semantiche realizzate danno la possibilità al giocatore di formulare frasi utilizzando il linguaggio naturale, inoltre il robot è in grado di distinguere le informazioni che riguardano il personaggio da indovinare senza farsi ingannare. La percentuale di vittoria del robot ottenuta giocando 20 partite è stata del 50%. Il data base è stato sviluppato in modo da poter realizzare un identikit completo di una persona, oltre a quello dei personaggi del gioco. È quindi possibile ampliare il progetto per altri scopi, oltre a quello del gioco, nel campo dell'identificazione.

Installazione del navigation stack su rover terrestre e applicazione del kinect nello human-robot interaction.

Progetto SHERPA. Installazione e configurazione del Navigaton Stack su Rover terrestre. Utilizzo e configurazione di LMS151 Sick. Utilizzo e configurazione di Asus Xtion Pro. Progettazione di software per la localizzazione e l'inseguimento di persone tramite camera di profondita.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

Retraining of interjoint arm coordination after stroke using robot-assisted time-independent functional training

We have developed a haptic-based approach for retraining of interjoint coordination following stroke called time-independent functional training (TIFT) and implemented this mode in the ARMin III robotic exoskeleton. The ARMin III robot was developed by Drs. Robert Riener and Tobias Nef at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, or ETH Zurich), in Zurich, Switzerland. In the TIFT mode, the robot maintains arm movements within the proper kinematic trajectory via haptic walls at each joint. These arm movements focus training of interjoint coordination with highly intuitive real-time feedback of performance; arm movements advance within the trajectory only if their movement coordination is correct. In initial testing, 37 nondisabled subjects received a single session of learning of a complex pattern. Subjects were randomized to TIFT or visual demonstration or moved along with the robot as it moved though the pattern (time-dependent [TD] training). We examined visual demonstration to separate the effects of action observation on motor learning from the effects of the two haptic guidance methods. During these training trials, TIFT subjects reduced error and interaction forces between the robot and arm, while TD subject performance did not change. All groups showed significant learning of the trajectory during unassisted recall trials, but we observed no difference in learning between groups, possibly because this learning task is dominated by vision. Further testing in stroke populations is warranted.

A self-developed and constructed robot for minimally invasive cochlear implantation

Conclusion: A robot built specifically for stereotactic cochlear implantation provides equal or better accuracy levels together with a better integration into a clinical environment, when compared to existing approaches based on industrial robots. Objectives: To evaluate the technical accuracy of a robotic system developed specifically for lateral skull base surgery in an experimental setup reflecting the intended clinical application. The invasiveness of cochlear electrode implantation procedures may be reduced by replacing the traditional mastoidectomy with a small tunnel slightly larger in diameter than the electrode itself. Methods: The end-to-end accuracy of the robot system and associated image-guided procedure was evaluated on 15 temporal bones of whole head cadaver specimens. The main components of the procedure were as follows: reference screw placement, cone beam CT scan, computer-aided planning, pair-point matching of the surgical plan, robotic drilling of the direct access tunnel, and post-operative cone beam CT scan and accuracy assessment. Results: The mean accuracy at the target point (round window) was 0.56 ± 41 mm with an angular misalignment of 0.88 ± 0.41°. The procedural time of the registration process through the completion of the drilling procedure was 25 ± 11 min. The robot was fully operational in a clinical environment.