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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/10764
Tipo: | Dissertação |
Título: | Controle natural humano-robô orientado a usuário com Thin-plate Splines e LRCN |
Autor(es): | Lima, Bruno Gabriel Cavalcante |
Primeiro Orientador: | Vieira, Tiago Figueiredo |
metadata.dc.contributor.referee1: | Vieira, Thales Miranda de Almeida |
metadata.dc.contributor.referee2: | Araujo, Icaro Bezerra Queiroz de |
metadata.dc.contributor.referee3: | Oliveira, Douglas Cedrim |
Resumo: | Este trabalho propõe uma nova abordagem no ramo da teleoperação de braços robóticos baseada em visão computacional, Thin-Plate Splines e Redes Recorrentes. Utilizando uma única câmera de profundidade como sensor de entrada, tal abordagem isenta o usuário da necessidade de utilizar quaisquer dispositivos vestíveis. Através da aplicação de uma interface natural de usuário, esta abordagem inovadora facilita o ajuste fino paramétrico outrora necessário para a calibração de usuário para o controle robótico de posição, transformando o processo de calibração numa direta captura de poses do corpo humano. Utilizando a mão do usuário como forma de controle, a abordagem proposta é constituída por duas partes principais. A primeira é um mapeamento de posição customizável com componentes lineares e não-lineares, baseado em Thin-Plate Splines (TPS), para transferir diretamente o movimento do braço humano para o movimento do braço robótico. Tal mapeamento permite a correspondência de corpos dissimilares com diferentes restrições cinemáticas e diferentes formatos de espaço de trabalho. A segunda é um classificador dinâmico do estado da mão do usuário, baseado em Redes Recorrentes Convolucionais de Longo-Prazo (LRCN), que explora a coerência temporal dos dados de profundidade adquiridos. Ao fim, é realizada uma validação e avaliação da abordagem proposta. Para o classificador da mão, é realizada uma validação cruzada comparando a abordagem proposta com um baseline. Resultados revelam uma elevação na acurácia do classificador ao se explorar as relações temporais entre as imagens de profundidade. Para o mapeamento de movimento, é realizado um estudo com usuários envolvendo variantes da tarefa de pick-and-place em um cenário simplificado de manufatura. Para esse estudo, um ambiente de validação foi desenvolvido utilizando o Robot Operaing System (ROS) como framework principal. Também comparado a um baseline, a abordagem utilizando TPS revelou maior conforto e precisão no controle dos usuários em regiões próximas dos limites do espaço de trabalho do robô, nas quais a abordagem convencional se mostrava prejudicada. Além disso, resultados sugerem que a nova abordagem não apresentou aumento na dificuldade das tarefas. |
Abstract: | This work proposes a novel vision-based robotic-arm teleoperation approach. By using a single depth-based camera, such an approach exempts the user from using any wearable devices. Through applying a natural user interface, such an approach also leverages the conventional fine-tuning process of the robotic position control calibration, turning the process into a direct capture of the human body. The proposed approach consists of two main parts. The first is a nonlinear customizable movement mapping based on Thin-Plate Splines (TPS), to directly transfer human body motion to robotic arm motion. Such mapping allows for matching dissimilar bodies, with different kinematics constraints and different workspace shapes. The second is a Deep Neural Network hand-state classifier based on Long-term Recurrent Convolutional Networks (LRCN), which exploits the temporal coherence of the acquired depth data. In the end, validation and evaluation of the proposed approach are performed. For the hand-state classifier, a cross-validation experiment comparing the current approach with a baseline is performed. Results reveal an increase in the classifier accuracy through exploring the temporal coherence present in sequential depth data. For the movement mapping, a user study is performed over a set of practical experiments involving variants of pick-and-place tasks in a simplified manufacturing environment. For this study, we developed a validation environment using Robot Operating System (ROS) as the main framework. Also compared to a baseline, the position mapping approach using TPS revealed better comfort and precision of user control in regions near to robot workspace boundaries, where the baseline approach showed a poor performance. Moreover, results suggested that the new approach did not present an increase in the experiment’s task difficulty. |
Palavras-chave: | Interação homem-robô Teleoperação Mapeamento cinemático Inteligência artificial Human-robot interaction Teleoperation Natural user interface Kinematics mapping Thin Plate Spline Long-term recurrent convolutional networks |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Informática |
Citação: | LIMA, Bruno Gabriel Cavalcante. Controle natural humano-robô orientado a usuário com Thin-plate Splines e LRCN. 2023. 104 f. Dissertação (Mestrado em Informática) – Programa de Pós-graduação em Informática, Instituto de Computação, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2021. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/10764 |
Data do documento: | 26-mai-2021 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IC |
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