Sistema de manteniment de l'equilibri per a un robot bípede

Dins el departament d’Electrònica, Informàtica i Automàtica de la Universitat de Girona s’han dissenyat i construït dues plataformes bípedes per a l’ús docent. La més evolucionada d’elles, finalitzada l’any 1999, està composada per dues cames d’alumini amb tres actuadors lineals cada una, simulant la funció del turmell, del genoll i del maluc. Els objectius que es pretenen aconseguir amb aquest projecte són molt concrets i tots ells estan destinats a millorar el funcionament del robot bípede. Aquests objectius són: (1) dissenyar dos graus de llibertat lineals en forma de pla XY per moure el pes que convingui per assegurar l’equilibri durant el moviment de la plataforma bípede, (2) dissenyar una placa amb una FPGA que generi senyals PWM pels vuit motors disponibles, que llegeixi els dos encoders dels motors del pla XY i que es comuniqui amb un PC equipat amb una tarja d’adquisició de dades específica, (3) dissenyar una placa de potència adequada pel control dels motors, (4) finalment realitzar un programa per comprovar el correcte funcionament de les plaques, dels actuadors i dels sensors utilitzats en la plataforma bípede

Gradient-based reinforcement learning techniques for underwater robotics behavior learning

Darrerament, l'interès pel desenvolupament d'aplicacions amb robots submarins autònoms (AUV) ha crescut de forma considerable. Els AUVs són atractius gràcies al seu tamany i el fet que no necessiten un operador humà per pilotar-los. Tot i això, és impossible comparar, en termes d'eficiència i flexibilitat, l'habilitat d'un pilot humà amb les escasses capacitats operatives que ofereixen els AUVs actuals. L'utilització de AUVs per cobrir grans àrees implica resoldre problemes complexos, especialment si es desitja que el nostre robot reaccioni en temps real a canvis sobtats en les condicions de treball. Per aquestes raons, el desenvolupament de sistemes de control autònom amb l'objectiu de millorar aquestes capacitats ha esdevingut una prioritat. Aquesta tesi tracta sobre el problema de la presa de decisions utilizant AUVs. El treball presentat es centra en l'estudi, disseny i aplicació de comportaments per a AUVs utilitzant tècniques d'aprenentatge per reforç (RL). La contribució principal d'aquesta tesi consisteix en l'aplicació de diverses tècniques de RL per tal de millorar l'autonomia dels robots submarins, amb l'objectiu final de demostrar la viabilitat d'aquests algoritmes per aprendre tasques submarines autònomes en temps real. En RL, el robot intenta maximitzar un reforç escalar obtingut com a conseqüència de la seva interacció amb l'entorn. L'objectiu és trobar una política òptima que relaciona tots els estats possibles amb les accions a executar per a cada estat que maximitzen la suma de reforços totals. Així, aquesta tesi investiga principalment dues tipologies d'algoritmes basats en RL: mètodes basats en funcions de valor (VF) i mètodes basats en el gradient (PG). Els resultats experimentals finals mostren el robot submarí Ictineu en una tasca autònoma real de seguiment de cables submarins. Per portar-la a terme, s'ha dissenyat un algoritme anomenat mètode d'Actor i Crític (AC), fruit de la fusió de mètodes VF amb tècniques de PG.

A formalization for multi-agent decision support in cooperative environments. A framework for situated agents

La tesis propone un marco de trabajo para el soporte de la toma de decisiones adecuado para soportar la ejecución distribuida de acciones cooperativas en entornos multi-agente dinámicos y complejos. Soporte para la toma de decisiones es un proceso que intenta mejorar la ejecución de la toma de decisiones en escenarios cooperativos. Este proceso ocurre continuamente en la vida diaria. Los humanos, por ejemplo, deben tomar decisiones acerca de que ropa usar, que comida comer, etc. En este sentido, un agente es definido como cualquier cosa que está situada en un entorno y que actúa, basado en su observación, su interpretación y su conocimiento acerca de su situación en tal entorno para lograr una acción en particular.Por lo tanto, para tomar decisiones, los agentes deben considerar el conocimiento que les permita ser consientes en que acciones pueden o no ejecutar. Aquí, tal proceso toma en cuenta tres parámetros de información con la intención de personificar a un agente en un entorno típicamente físico. Así, el mencionado conjunto de información es conocido como ejes de decisión, los cuales deben ser tomados por los agentes para decidir si pueden ejecutar correctamente una tarea propuesta por otro agente o humano. Los agentes, por lo tanto, pueden hacer mejores decisiones considerando y representando apropiadamente tal información. Los ejes de decisión, principalmente basados en: las condiciones ambientales, el conocimiento físico y el valor de confianza del agente, provee a los sistemas multi-agente un confiable razonamiento para alcanzar un factible y exitoso rendimiento cooperativo.Actualmente, muchos investigadores tienden a generar nuevos avances en la tecnología agente para incrementar la inteligencia, autonomía, comunicación y auto-adaptación en escenarios agentes típicamente abierto y distribuidos. En este sentido, esta investigación intenta contribuir en el desarrollo de un nuevo método que impacte tanto en las decisiones individuales como colectivas de los sistemas multi-agente. Por lo tanto, el marco de trabajo propuesto ha sido utilizado para implementar las acciones concretas involucradas en el campo de pruebas del fútbol robótico. Este campo emula los juegos de fútbol real, donde los agentes deben coordinarse, interactuar y cooperar entre ellos para solucionar tareas complejas dentro de un escenario dinámicamente cambiante y competitivo, tanto para manejar el diseño de los requerimientos involucrados en las tareas como para demostrar su efectividad en trabajos colectivos. Es así que los resultados obtenidos tanto en el simulador como en el campo real de experimentación, muestran que el marco de trabajo para el soporte de decisiones propuesto para agentes situados es capaz de mejorar la interacción y la comunicación, reflejando en un adecuad y confiable trabajo en equipo dentro de entornos impredecibles, dinámicos y competitivos. Además, los experimentos y resultados también muestran que la información seleccionada para generar los ejes de decisión para situar a los agentes, es útil cuando tales agentes deben ejecutar una acción o hacer un compromiso en cada momento con la intención de cumplir exitosamente un objetivo colectivo. Finalmente, algunas conclusiones enfatizando las ventajas y utilidades del trabajo propuesto en la mejora del rendimiento colectivo de los sistemas multi-agente en situaciones tales como tareas coordinadas y asignación de tareas son presentadas.

A Multi-agent Architecture with Distributed Coordination for an Autonomous Robot

Aquest treball proposa una nova arquitectura de control amb coordinació distribuïda per a un robot mòbil (ARMADiCo). La metodologia de coordinació distribuïda consisteix en dos passos: el primer determina quin és l'agent que guanya el recurs basat en el càlcul privat de la utilitat i el segon, com es fa el canvi del recurs per evitar comportaments abruptes del robot. Aquesta arquitectura ha estat concebuda per facilitar la introducció de nous components hardware i software, definint un patró de disseny d'agents que captura les característiques comunes dels agents. Aquest patró ha portat al desenvolupament d'una arquitectura modular dins l'agent que permet la separació dels diferents mètodes utilitzats per aconseguir els objectius, la col·laboració, la competició i la coordinació de recursos. ARMADiCo s'ha provat en un robot Pioneer 2DX de MobileRobots Inc.. S'han fet diversos experiments i els resultats han demostrat que s'han aconseguit les característiques proposades per l'arquitectura.

Local model predictive control for navigation of a wheeled mobile robot using monocular information

Aquesta tesi està inspirada en els agents naturals per tal de planificar de manera dinàmica la navegació d'un robot diferencial de dues rodes. Les dades dels sistemes de percepció són integrades dins una graella d'ocupació de l'entorn local del robot. La planificació de les trajectòries es fa considerant la configuració desitjada del robot, així com els vértexs més significatius dels obstacles més propers. En el seguiment de les trajectòries s'utilitzen tècniques locals de control predictiu basades en el model, amb horitzons de predicció inferiors a un segon. La metodologia emprada és validada mitjançant nombrosos experiments.

A proposal of a behavior-based control architecture with reinforcement learning for an autonomous underwater robot

Aquesta tesi proposa l'ús d'un seguit de tècniques pel control a alt nivell d'un robot autònom i també per l'aprenentatge automàtic de comportaments. L'objectiu principal de la tesis fou el de dotar d'intel·ligència als robots autònoms que han d'acomplir unes missions determinades en entorns desconeguts i no estructurats. Una de les premisses tingudes en compte en tots els passos d'aquesta tesis va ser la selecció d'aquelles tècniques que poguessin ésser aplicades en temps real, i demostrar-ne el seu funcionament amb experiments reals. El camp d'aplicació de tots els experiments es la robòtica submarina. En una primera part, la tesis es centra en el disseny d'una arquitectura de control que ha de permetre l'assoliment d'una missió prèviament definida. En particular, la tesis proposa l'ús de les arquitectures de control basades en comportaments per a l'assoliment de cada una de les tasques que composen la totalitat de la missió. Una arquitectura d'aquest tipus està formada per un conjunt independent de comportaments, els quals representen diferents intencions del robot (ex.: "anar a una posició", "evitar obstacles",...). Es presenta una recerca bibliogràfica sobre aquest camp i alhora es mostren els resultats d'aplicar quatre de les arquitectures basades en comportaments més representatives a una tasca concreta. De l'anàlisi dels resultats se'n deriva que un dels factors que més influeixen en el rendiment d'aquestes arquitectures, és la metodologia emprada per coordinar les respostes dels comportaments. Per una banda, la coordinació competitiva és aquella en que només un dels comportaments controla el robot. Per altra banda, en la coordinació cooperativa el control del robot és realitza a partir d'una fusió de totes les respostes dels comportaments actius. La tesis, proposa un esquema híbrid d'arquitectura capaç de beneficiar-se dels principals avantatges d'ambdues metodologies. En una segona part, la tesis proposa la utilització de l'aprenentatge per reforç per aprendre l'estructura interna dels comportaments. Aquest tipus d'aprenentatge és adequat per entorns desconeguts i el procés d'aprenentatge es realitza al mateix temps que el robot està explorant l'entorn. La tesis presenta també un estat de l'art d'aquest camp, en el que es detallen els principals problemes que apareixen en utilitzar els algoritmes d'aprenentatge per reforç en aplicacions reals, com la robòtica. El problema de la generalització és un dels que més influeix i consisteix en permetre l'ús de variables continues sense augmentar substancialment el temps de convergència. Després de descriure breument les principals metodologies per generalitzar, la tesis proposa l'ús d'una xarxa neural combinada amb l'algoritme d'aprenentatge per reforç Q_learning. Aquesta combinació proporciona una gran capacitat de generalització i una molt bona disposició per aprendre en tasques de robòtica amb exigències de temps real. No obstant, les xarxes neurals són aproximadors de funcions no-locals, el que significa que en treballar amb un conjunt de dades no homogeni es produeix una interferència: aprendre en un subconjunt de l'espai significa desaprendre en la resta de l'espai. El problema de la interferència afecta de manera directa en robòtica, ja que l'exploració de l'espai es realitza sempre localment. L'algoritme proposat en la tesi té en compte aquest problema i manté una base de dades representativa de totes les zones explorades. Així doncs, totes les mostres de la base de dades s'utilitzen per actualitzar la xarxa neural, i per tant, l'aprenentatge és homogeni. Finalment, la tesi presenta els resultats obtinguts amb la arquitectura de control basada en comportaments i l'algoritme d'aprenentatge per reforç. Els experiments es realitzen amb el robot URIS, desenvolupat a la Universitat de Girona, i el comportament après és el seguiment d'un objecte mitjançant visió per computador. La tesi detalla tots els dispositius desenvolupats pels experiments així com les característiques del propi robot submarí. Els resultats obtinguts demostren la idoneïtat de les propostes en permetre l'aprenentatge del comportament en temps real. En un segon apartat de resultats es demostra la capacitat de generalització de l'algoritme d'aprenentatge mitjançant el "benchmark" del "cotxe i la muntanya". Els resultats obtinguts en aquest problema milloren els resultats d'altres metodologies, demostrant la millor capacitat de generalització de les xarxes neurals.

Architecture for Living Neuronal Network Control of a mobile robot

The intelligent controlling mechanism of a typical mobile robot is usually a computer system. Research is however now ongoing in which biological neural networks are being cultured and trained to act as the brain of an interactive real world robot – thereby either completely replacing or operating in a cooperative fashion with a computer system. Studying such neural systems can give a distinct insight into biological neural structures and therefore such research has immediate medical implications. The principal aims of the present research are to assess the computational and learning capacity of dissociated cultured neuronal networks with a view to advancing network level processing of artificial neural networks. This will be approached by the creation of an artificial hybrid system (animat) involving closed loop control of a mobile robot by a dissociated culture of rat neurons. This paper details the components of the overall animat closed loop system architecture and reports on the evaluation of the results from preliminary real-life and simulated robot experiments.

Controlling a mobile robot with a biological brain

The intelligent controlling mechanism of a typical mobile robot is usually a computer system. Some recent research is ongoing in which biological neurons are being cultured and trained to act as the brain of an interactive real world robot�thereby either completely replacing, or operating in a cooperative fashion with, a computer system. Studying such hybrid systems can provide distinct insights into the operation of biological neural structures, and therefore, such research has immediate medical implications as well as enormous potential in robotics. The main aim of the research is to assess the computational and learning capacity of dissociated cultured neuronal networks. A hybrid system incorporating closed-loop control of a mobile robot by a dissociated culture of neurons has been created. The system is flexible and allows for closed-loop operation, either with hardware robot or its software simulation. The paper provides an overview of the problem area, gives an idea of the breadth of present ongoing research, establises a new system architecture and, as an example, reports on the results of conducted experiments with real-life robots.

Suboptimal system recovery from communication loss in a multi-robot localization scenario using EKF algorithms

This paper describes a multi-robot localization scenario where, for a period of time, the robot team loses communication with one of the robots due to system error. In this novel approach, extended Kalman filter (EKF) algorithms utilize relative measurements to localize the robots in space. These measurements are used to reliably compensate "dead-com" periods were no information can be exchanged between the members of the robot group.

Intelligent cores and intelligent agents: two approaches to achieve autonomy in swarm-array computing

How can a bridge be built between autonomic computing approaches and parallel computing systems? How can autonomic computing approaches be extended towards building reliable systems? How can existing technologies be merged to provide a solution for self-managing systems? The work reported in this paper aims to answer these questions by proposing Swarm-Array Computing, a novel technique inspired from swarm robotics and built on the foundations of autonomic and parallel computing paradigms. Two approaches based on intelligent cores and intelligent agents are proposed to achieve autonomy in parallel computing systems. The feasibility of the proposed approaches is validated on a multi-agent simulator.

Modeling and simulating a mathematical tool for multi-robot pattern transformation

The work reported in this paper is motivated by the need to investigate general methods for pattern transformation. A formal definition for pattern transformation is provided and four special cases namely, elementary and geometric transformation based on repositioning all and some agents in the pattern are introduced. The need for a mathematical tool and simulations for visualizing the behavior of a transformation method is highlighted. A mathematical method based on the Moebius transformation is proposed. The transformation method involves discretization of events for planning paths of individual robots in a pattern. Simulations on a particle physics simulator are used to validate the feasibility of the proposed method.

Robot-human interaction - practical experiments with a cyborg

This paper presents results to indicate the potential applications of a direct connection between the human nervous system and a computer network. Actual experimental results obtained from a human subject study are given, with emphasis placed on the direct interaction between the human nervous system and possible extra-sensory input. An brief overview of the general state of neural implants is given, as well as a range of application areas considered. An overall view is also taken as to what may be possible with implant technology as a general purpose human-computer interface for the future.