Comunicazione e Interazione per Robot Mobili: dal Laboratorio all'Industria

Comunicare e interagire con un robot sono compiti fondamentali per far sì che il robot agisca come desiderato sia in scenari di ricerca che industriali. In questa tesi, abbiamo sviluppato diversi metodi per interagire con i robot in molte applicazioni. La teleoperazione diretta consente all'utente di spostare direttamente il robot utilizzando un dispositivo per imporre il movimento del robot. Abbiamo studiato una nuova metodologia per consentire a un utente di teleoperare un sistema robotico in modo naturale. L'approccio proposto non richiede alcun dispositivo specifico ma si basa su oggetti di uso comune come uno smartwatch. Utilizzando questo approccio, è possibile interagire con un robot mobile in modo intuitivo spostando l'avambraccio dell'utente. La collaborazione uomo-robot è fondamentale quando si devono svolgere compiti cooperativi, come nel progetto TIREBOT. Il progetto TIREBOT consiste nella progettazione meccanica e nel controllo collaborativo di TIREBOT, un assistente robotico che aiuta gli operatori dell'officina nel processo di sostituzione delle ruote. L'operatore può interagire con il robot utilizzando un'interfaccia basata su gesti o tramite teleoperazione. Il robot capisce quando l'utente vuole collaborare e quando invece accade qualcosa di imprevisto. Nel primo scenario, l'utente è autorizzato ad avvicinarsi al robot. Nel secondo caso il robot deve allontanarsi dall'utente per mantenere la sicurezza. Le applicazioni industriali quali le attività agricole possono richiedere molto sforzo e causare una serie di lesioni e malattie, pertanto può essere utile lasciare che il robot faccia il duro lavoro. In questo campo, abbiamo sviluppato due diversi sistemi robotici. Il primo è un sistema autonomo a basso costo che può navigare attraverso un vigneto mentre raccoglie immagini di uva per fornire una stima della produzione. Il secondo sistema è un robot per la raccolta delle mele. Il robot può identificare le mele nella scena, avvicinarsi alla mela per afferrarla e staccarla dall'albero. Durante l'esecuzione dell'attività desiderata, l'essere umano non è l'unico agente con cui il robot deve interagire. Esso infatti deve interagire con altri robot per raggiungere l'obiettivo desiderato. Nei sistemi multi-robot le interconnessioni passive tra agenti vengono spesso sfruttate per ottenere un comportamento cooperativo desiderato stabile in modo robusto. Noi sfruttiamo il concetto di energy tank per costruire una nuova interconnessione generalizzata che consenta di imporre qualsiasi tipo di accoppiamento dinamico tra due sistemi passivi in modo flessibile preservando la passività dell'intero sistema accoppiato.Communicating and interacting with a robot are critical tasks in order to make the robot act as desired both in research and industrial scenarios. In this thesis, we developed different methods to interact with robots in many applications. Direct teleoperation allows the user to directly move the robot using some device to impose the motion of the robot. We studied a novel methodology for letting a user teleoperate a robotic system in a natural manner. The proposed approach does not require any specific device but relies on commonly used objects as a smartwatch. Using this approach, it is possible to interact with a mobile robot in an intuitive way by moving the user's forearm. Human-robot collaboration is fundamental when a cooperative tasks has to be done, as in the TIREBOT project. The TIREBOT project consists of the mechanical design and the collaborative control of TIREBOT, a robotic assistant helping tire workshop operators in the wheel replacement process. The operator can interact with the robot using either a gesture based interface or by teleoperation. The robot understands when the user wants to collaborate and when something else happens. In the first scenario, the user is allowed to get close to the robot. In the second case the robot has to move away from the user in order to keep the safety. Industrial applications as agricultural tasks can be labor intensive and can lead to a variety of injuries and illnesses, therefore it can be useful to let the robot do the hard work. In this field, we developed two different robotic systems. The first one is a low-cost autonomous system which can navigate through a vineyard while collecting grape pictures in order to provide a yield estimation. The second system is an apple harvesting robot. The robot can identify the apples in the scene, approach the apple to grasp and detach it from the tree. During the execution of the desired task, the human is not the only agent the robot has to interact with. It has to interact to other robots in order to achieve the desired goal. In multi-robot systems passive interconnections among agents are often exploited to achieve a desired and robustly stable cooperative behavior. We exploit the concept of energy tank for building a novel generalized interconnection that allows to impose any kind of dynamic coupling between two passive systems in a flexible way while preserving the passivity of the overall coupled system