Bimanual robot skills: MP encoding, dimensionality reduction and reinforcement learning

Abstract

In our culture, robots have been in novels and cinema for a long time, but it has been specially in the last two decades when the improvements in hardware - better computational power and components - and advances in Artificial Intelligence (AI), have allowed robots to start sharing spaces with humans. Such situations require, aside from ethical considerations, robots to be able to move with both compliance and precision, and learn at different levels, such as perception, planning, and motion, being the latter the focus of this work.
 The first issue addressed in this thesis is inverse kinematics for redundant robot manipulators, i.e: positioning the robot joints so as to reach a certain end-effector pose. We opt for iterative solutions based on the inversion of the kinematic Jacobian of a robot, and propose to filter and limit the gains in the spectral domain, while also unifying such approach with a continuous, multipriority scheme. Such inverse kinematics method is then used to derive manipulability in the whole workspace of an antropomorphic arm, and the coordination of two arms is subsequently optimized by finding their best relative positioning.
 Having solved the kinematic issues, a robot learning within a human environment needs to move compliantly, with limited amount of force, in order not to harm any humans or cause any damage, while being as precise as possible. Therefore, we developed two dynamic models for the same redundant arm we had analysed kinematically: The first based on local models with Gaussian projections, and the second characterizing the most problematic term of the dynamics, namely friction. Such models allowed us to implement feed-forward controllers, where we can actively change the weights in the compliance-precision tradeoff. Moreover, we used such models to predict external forces acting on the robot, without the use of force sensors.
 Afterwards, we noticed that bimanual robots must coordinate their components (or limbs) and be able to adapt to new situations with ease. Over the last decade, a number of successful applications for learning robot motion tasks have been published. However, due to the complexity of a complete system including all the required elements, most of these applications involve only simple robots with a large number of high-end technology sensors, or consist of very simple and controlled tasks. Using our previous framework for kinematics and control, we relied on two types of movement primitives to encapsulate robot motion. Such movement primitives are very suitable for using reinforcement learning. In particular, we used direct policy search, which uses the motion parametrization as the policy itself.
 In order to improve the learning speed in real robot applications, we generalized a policy search algorithm to give some importance to samples yielding a bad result, and we paid special attention to the dimensionality of the motion parametrization. We reduced such dimensionality with linear methods, using the rewards obtained through motion repetition and execution. We tested such framework in a bimanual task performed by two antropomorphic arms, such as the folding of garments, showing how a reduced dimensionality can provide qualitative information about robot couplings and help to speed up the learning of tasks when robot motion executions are costly. A la nostra cultura, els robots han estat presents en novel·les i cinema des de fa dècades, però ha sigut especialment en les últimes dues quan les millores en hardware (millors capacitats de còmput) i els avenços en intel·ligència artificial han permès que els robots comencin a compartir espais amb els humans. Aquestes situacions requereixen, a banda de consideracions ètiques, que els robots siguin capaços de moure's tant amb suavitat com amb precisió, i d'aprendre a diferents nivells, com són la percepció, planificació i moviment, essent l'última el centre d'atenció d'aquest treball. El primer problema adreçat en aquesta tesi és la cinemàtica inversa, i.e.: posicionar les articulacions del robot de manera que l'efector final estigui en una certa posició i orientació. Hem estudiat el camp de les solucions iteratives, basades en la inversió del Jacobià cinemàtic d'un robot, i proposem un filtre que limita els guanys en el seu domini espectral, mentre també unifiquem tal mètode dins un esquema multi-prioritat i continu. Aquest mètode per a la cinemàtica inversa és usat a l'hora d'encapsular tota la informació sobre l'espai de treball d'un braç antropomòrfic, i les capacitats de coordinació entre dos braços són optimitzades, tot trobant la seva millor posició relativa en l'espai. Havent resolt les dificultats cinemàtiques, un robot que aprèn en un entorn humà necessita moure's amb suavitat exercint unes forces limitades per tal de no causar danys, mentre es mou amb la màxima precisió possible. Per tant, hem desenvolupat dos models dinàmics per al mateix braç robòtic redundant que havíem analitzat des del punt de vista cinemàtic: El primer basat en models locals amb projeccions de Gaussianes i el segon, caracteritzant el terme més problemàtic i difícil de representar de la dinàmica, la fricció. Aquests models ens van permetre utilitzar controladors coneguts com "feed-forward", on podem canviar activament els guanys buscant l'equilibri precisió-suavitat que més convingui. A més, hem usat aquests models per a inferir les forces externes actuant en el robot, sense la necessitat de sensors de força. Més endavant, ens hem adonat que els robots bimanuals han de coordinar els seus components (braços) i ser capaços d'adaptar-se a noves situacions amb facilitat. Al llarg de l'última dècada, diverses aplicacions per aprendre tasques motores robòtiques amb èxit han estat publicades. No obstant, degut a la complexitat d'un sistema complet que inclogui tots els elements necessaris, la majoria d'aquestes aplicacions consisteixen en robots més aviat simples amb costosos sensors d'última generació, o a resoldre tasques senzilles en un entorn molt controlat. Utilitzant el nostre treball en cinemàtica i control, ens hem basat en dos tipus de primitives de moviment per caracteritzar la motricitat robòtica. Aquestes primitives de moviment són molt adequades per usar aprenentatge per reforç. En particular, hem usat la búsqueda directa de la política, un camp de l'aprenentatge per reforç que usa la parametrització del moviment com la pròpia política. Per tal de millorar la velocitat d'aprenentatge en aplicacions amb robots reals, hem generalitzat un algoritme de búsqueda directa de política per a donar importància a les mostres amb mal resultat, i hem donat especial atenció a la reducció de dimensionalitat en la parametrització dels moviments. Hem reduït la dimensionalitat amb mètodes lineals, utilitzant les recompenses obtingudes EN executar els moviments. Aquests mètodes han estat provats en tasques bimanuals com són plegar roba, usant dos braços antropomòrfics. Els resultats mostren com la reducció de dimensionalitat pot aportar informació qualitativa d'una tasca, i al mateix temps ajuda a aprendre-la més ràpid quan les execucions amb robots reals són costoses.