Riassunto analitico
In questo elaborato di Tesi di Laurea Magistrale, un sistema adattivo di controllo condiviso di robot viene proposto per allocare autorità tra il sistema di controllo autonomo, il quale da un lato garantisce pura autonomia al robot, e l’operatore umano dall’altro, il quale è in controllo del robot mediante l’approccio di teleoperazione.
I principali obiettivi del lavoro che di seguito verrà descritto, sono stati i seguenti.
Permettere al sistema di controllo autonomo di effettuare in maniera graduale e continua nel tempo, la allocazione di autorità tra pura autonomia del robot e pura teleoperazione (human-in-the-loop), considerando l’incertezza associata alle osservazioni fornite da un sistema di visione. A tal fine, è stato sviluppato un metodo per tracciare la degradazione delle misure, basato su una metrica ottenuta dalla teoria dei Filtri Bayesiani, la quale rappresenta l’allocazione di autorità ai fini dell’arbitraggio tra robot operante in pura autonomia e robot operante mediante teleoperazione.
Validare in termini di stabilità il sistema di controllo condiviso complessivamente sviluppato, caratterizzato da un controllore bilaterale a 4 canali, incrementato con un sistema di controllo automatico del robot, basato sul tracciamento visuale del target, e la cui comunicazione tra operatore umano e robot risulta essere influenzata da un ritardo nel tempo.
Mediante esperimenti con hardware reale, e attraverso uno studio della fattibilità del sistema mediante il coinvolgimento di utenti, ai quali è stato richiesto di svolgere determinati task, l’obiettivo finale è stato quello di valutare le performance e l’usabilità del sistema di controllo condiviso proposto.
Da una comparazione con il metodo di controllo in teleoperazione del robot, si dimostra come l’approccio proposto apporti miglioramenti in termini di tempi di completamento dei task e migliori la percezione della fatica rispetto alla pura teleoperazione, avendo impatto positivo sullo sforzo cognitivo percepito dall’utente.
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Abstract
In this work of Master of Science, a novel system-driven adaptive shared control framework, for sharing control between autonomous robots and teleoperation is proposed. The main purposes of the work hereafter described have been the following.
Firstly, to allow the autonomous controller to shift continuously and smoothly the control authority between itself and the human-in-the-loop, by taking into account uncertainty in observation data provided by the vision system.
For this purpose it was developed a method for tracking over time the degradation in measurements, based on a metric obtained from a Bayesian filter, that represents the authority allocation factor for arbitration purposes between autonomy and human operator during task execution.
Secondly, the overall shared control architecture, characterized by a 4-channel bilateral controller augmented with an automatic control system based on visual tracking, characterized by a time delay in the communication channel between human and robot was validated in terms of stability.
Finally, both real hardware experiments involving DLR KUKA light-weight master and slave robots and a user-study were carried out for both performance and usability evaluations of the proposed shared control framework, in comparison with a pure teleoperation approach, showing the improvement in terms of time-completion of the former method with respect to the latter.
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