Publication: Human inspired humanoid robots control architecture
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Publication date
2012-07
Defense date
2012-07-13
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Abstract
This PhD Thesis tries to present a different point of view when talking about the development of control architectures for humanoid robots. Specifically, this Thesis is focused on studying the human postural control system as well as on the use of this knowledge to develop a novel architecture for postural control in humanoid robots. The research carried on in this thesis shows that there are two types of components for postural control: a reactive one, and other predictive or anticipatory. This work has focused on the development of the second component through the implementation of a predictive system complementing the reactive one. The anticipative control system has been analysed in the human case and it has been extrapolated to the architecture for controlling the humanoid robot TEO. In this way, its different components have been developed based on how humans work without forgetting the tasks it has been designed for. This control system is based on the composition of sensorial perceptions, the evaluation of stimulus through the use of the psychophysics theory of the surprise, and the creation of events that can be used for activating some reaction strategies (synergies) The control system developed in this Thesis, as well as the human being does, processes information coming from different sensorial sources. It also composes the named perceptions, which depend on the type of task the postural control acts over. The value of those perceptions is obtained using bio-inspired evaluation techniques of sensorial inference. Once the sensorial input has been obtained, it is necessary to process it in order to foresee possible disturbances that may provoke an incorrect performance of a task. The system developed in this Thesis evaluates the sensorial information, previously transformed into perceptions, through the use of the “Surprise Theory”, and it generates some events called “surprises” used for predicting the evolution of a task. Finally, the anticipative system for postural control can compose, if necessary, the proper reactions through the use of predefined movement patterns called synergies. Those reactions can complement or substitute completely the normal performance of a task. The performance of the anticipative system for postural control as well as the performance of each one of its components have been tested through simulations and the application of the results in the humanoid robot TEO from the RoboticsLab research group in the Systems Engineering and Automation Department from the Carlos III University of Madrid. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Esta Tesis Doctoral pretende aportar un punto de vista diferente en el desarrollo de arquitecturas de control para robots humanoides. En concreto, esta Tesis se centra en el estudio del sistema de control postural humano y en la aplicación de este conocimiento en el desarrollo de una nueva arquitectura de control postural para robots humanoides. El estudio realizado en esta Tesis pone de manifiesto la existencia de una componente de control postural reactiva y otra predictiva o anticipativa. Este trabajo se ha centrado en el desarrollo de la segunda componente mediante la implementación de un sistema predictivo que complemente al sistema reactivo. El sistema de control anticipativo ha sido estudiado en el caso humano y extrapolado para la arquitectura de control del robot humanoide TEO. De este modo, sus diferentes componentes han sido desarrollados inspirándose en el funcionamiento humano y considerando las tareas para las que dicho robot ha sido concebido. Dicho sistema está basado en la composición de percepciones sensoriales, la evaluación de los estímulos mediante el uso de la teoría psicofísica de la sorpresa y la generación de eventos que sirvan para activar estrategias de reacción (sinergias). El sistema de control desarrollado en esta Tesis, al igual que el ser humano, procesa información de múltiples fuentes sensoriales y compone las denominadas percepciones, que dependen del tipo de tarea sobre la que actúa el control postural. El valor de estas percepciones es obtenido utilizando técnicas de evaluación bioinspiradas de inferencia sensorial. Una vez la entrada sensorial ha sido obtenida, es necesario procesarla para prever posibles perturbaciones que puedan ocasionar una incorrecta realización de una tarea. El sistema desarrollado en esta Tesis evalúa la información sensorial, previamente transformada en percepciones, mediante la ‘Teoría de la Sorpresa’ y genera eventos llamados ‘sorpresas’ que sirven para predecir la evolución de una tarea. Por último, el sistema anticipativo de control postural puede componer, si fuese necesario, las reacciones adecuadas mediante el uso de patrones de movimientos predefinidos llamados sinergias. Dichas reacciones pueden complementar o sustituir por completo la ejecución normal de una tarea. El funcionamiento del sistema anticipativo de control postural y de cada uno de sus componentes ha sido probado tanto por medio de simulaciones como por su aplicación en el robot humanoide TEO del grupo de investigación RoboticsLab en el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid.
Esta Tesis Doctoral pretende aportar un punto de vista diferente en el desarrollo de arquitecturas de control para robots humanoides. En concreto, esta Tesis se centra en el estudio del sistema de control postural humano y en la aplicación de este conocimiento en el desarrollo de una nueva arquitectura de control postural para robots humanoides. El estudio realizado en esta Tesis pone de manifiesto la existencia de una componente de control postural reactiva y otra predictiva o anticipativa. Este trabajo se ha centrado en el desarrollo de la segunda componente mediante la implementación de un sistema predictivo que complemente al sistema reactivo. El sistema de control anticipativo ha sido estudiado en el caso humano y extrapolado para la arquitectura de control del robot humanoide TEO. De este modo, sus diferentes componentes han sido desarrollados inspirándose en el funcionamiento humano y considerando las tareas para las que dicho robot ha sido concebido. Dicho sistema está basado en la composición de percepciones sensoriales, la evaluación de los estímulos mediante el uso de la teoría psicofísica de la sorpresa y la generación de eventos que sirvan para activar estrategias de reacción (sinergias). El sistema de control desarrollado en esta Tesis, al igual que el ser humano, procesa información de múltiples fuentes sensoriales y compone las denominadas percepciones, que dependen del tipo de tarea sobre la que actúa el control postural. El valor de estas percepciones es obtenido utilizando técnicas de evaluación bioinspiradas de inferencia sensorial. Una vez la entrada sensorial ha sido obtenida, es necesario procesarla para prever posibles perturbaciones que puedan ocasionar una incorrecta realización de una tarea. El sistema desarrollado en esta Tesis evalúa la información sensorial, previamente transformada en percepciones, mediante la ‘Teoría de la Sorpresa’ y genera eventos llamados ‘sorpresas’ que sirven para predecir la evolución de una tarea. Por último, el sistema anticipativo de control postural puede componer, si fuese necesario, las reacciones adecuadas mediante el uso de patrones de movimientos predefinidos llamados sinergias. Dichas reacciones pueden complementar o sustituir por completo la ejecución normal de una tarea. El funcionamiento del sistema anticipativo de control postural y de cada uno de sus componentes ha sido probado tanto por medio de simulaciones como por su aplicación en el robot humanoide TEO del grupo de investigación RoboticsLab en el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid.
Description
Keywords
Humanoid robots, Control architectures, Sensorial perception