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Like computer architects, robot designers must address multiple, possibly competing, requirements by balancing trade-offs in terms of processing, memory, communication, and energy to satisfy design objectives. However, robot architects currently lack the design guidelines, organizing principles, rules of thumb, and tools that computer architects rely upon. This thesis takes a step in this direction, by analyzing the roles of heterogeneity and distribution in robot systems architecture. This thesis takes a systems architecture approach to the design of robot systems, and in particular, investigates the use of distributed, heterogeneous platforms to exploit locality in robot systems design. We show how multiple, distributed heterogeneous platforms can serve as general purpose robot systems for three distinct domains with different design objectives: increasing availability in a search and rescue mission, increasing flexibility and ease-of-use for a personal educational robot, and decreasing the computation and sensing resources necessary for navigation and foraging tasks.

Existem aplicações na área da robótica móvel em que, além da navegação autônoma do robô, é necessário que um usuário humano interaja no controle de navegação do robô. Neste caso, considerado como controle semi-autônomo, o usuário humano têm a possibilidade de alterar localmente a trajetória autônoma previamente planejada para o robô. Entretanto, o sistema de controle inteligente do robô, por meio de um módulo independente do usuário, continuamente evita colisões, mesmo que para isso os comandos do usuário precisem ser modificados. Esta abordagem cria um ambiente seguro para navegação que pode ser usado em cadeiras de rodas robotizadas e veículos robóticos tripulados onde a segurança do ser humano deve ser garantida. Um sistema de controle que possua estas características deve ser baseado numa arquitetura para robôs móveis adequada. Esta arquitetura deve integrar a entrada de comandos de um ser humano com a camada de controle autônomo do sistema que evita colisões com obstáculos estáticos e dinâmicos, e que conduz o robô em direção ao seu objetivo de navegação. Neste trabalho é proposta uma arquitetura de controle híbrida (deliberativa/reativa) para um robô móvel com interação humana. Esta arquitetura, desenvolvida principalmente para tarefas de navegação, permite que o robô seja operado em diferentes níveis de autonomia, possibilitando que um usuário humano compartilhe o controle do robô de forma segura enquanto o sistema de controle evita colisões. Nesta arquitetura, o plano de movimento do robô é representado por uma função de navegação. É proposto um método para combinar um comportamento deliberativo que executa o plano de movimento, com comportamentos reativos definidos no contexto de navegação, e com entradas contínuas de controle provenientes do usuário. O sistema de controle inteligente definido por meio da arquitetura foi implementado em uma cadeira de rodas robotizada. São apresentados alguns dos resultados obtidos por meio de experimentos realizados com o sistema de controle implementado operando em diferentes modos de autonomia. / There are some applications in mobile robotics that require human user interaction besides the autonomous navigation control of the robot. For these applications, in a semi-autonomous control mode, the human user can locally modify the autonomous pre-planned robot trajectory by sending continuous commands to the robot. In this case, independently from the user\'s commands, the intelligent control system must continuously avoid collisions, modifying the user\'s commands if necessary. This approach creates a safety navigation system that can be used in robotic wheelchairs and manned robotic vehicles where the human safety must be guaranteed. A control system with those characteristics should be based on a suitable mobile robot architecture. This architecture must integrate the human user\'s commands with the autonomous control layer of the system which is responsible for avoiding static and dynamic obstacles and for driving the robot to its navigation goal. In this work we propose a hybrid (deliberative/reactive) mobile robot architecture with human interaction. This architecture was developed mainly for navigation tasks and allows the robot to be operated on different levels of autonomy. The user can share the robot control with the system while the system ensures the user and robot\'s safety. In this architecture, a navigation function is used for representing the robot\'s navigation plan. We propose a method for combining the deliberative behavior responsible for executing the navigation plan, with the reactive behaviors defined to be used while navigating, and with the continuous human user\'s inputs. The intelligent control system defined by the proposed architecture was implemented in a robotic wheelchair, and we present some experimental results of the chair operating on different autonomy modes.

Existem aplicações na área da robótica móvel em que, além da navegação autônoma do robô, é necessário que um usuário humano interaja no controle de navegação do robô. Neste caso, considerado como controle semi-autônomo, o usuário humano têm a possibilidade de alterar localmente a trajetória autônoma previamente planejada para o robô. Entretanto, o sistema de controle inteligente do robô, por meio de um módulo independente do usuário, continuamente evita colisões, mesmo que para isso os comandos do usuário precisem ser modificados. Esta abordagem cria um ambiente seguro para navegação que pode ser usado em cadeiras de rodas robotizadas e veículos robóticos tripulados onde a segurança do ser humano deve ser garantida. Um sistema de controle que possua estas características deve ser baseado numa arquitetura para robôs móveis adequada. Esta arquitetura deve integrar a entrada de comandos de um ser humano com a camada de controle autônomo do sistema que evita colisões com obstáculos estáticos e dinâmicos, e que conduz o robô em direção ao seu objetivo de navegação. Neste trabalho é proposta uma arquitetura de controle híbrida (deliberativa/reativa) para um robô móvel com interação humana. Esta arquitetura, desenvolvida principalmente para tarefas de navegação, permite que o robô seja operado em diferentes níveis de autonomia, possibilitando que um usuário humano compartilhe o controle do robô de forma segura enquanto o sistema de controle evita colisões. Nesta arquitetura, o plano de movimento do robô é representado por uma função de navegação. É proposto um método para combinar um comportamento deliberativo que executa o plano de movimento, com comportamentos reativos definidos no contexto de navegação, e com entradas contínuas de controle provenientes do usuário. O sistema de controle inteligente definido por meio da arquitetura foi implementado em uma cadeira de rodas robotizada. São apresentados alguns dos resultados obtidos por meio de experimentos realizados com o sistema de controle implementado operando em diferentes modos de autonomia. / There are some applications in mobile robotics that require human user interaction besides the autonomous navigation control of the robot. For these applications, in a semi-autonomous control mode, the human user can locally modify the autonomous pre-planned robot trajectory by sending continuous commands to the robot. In this case, independently from the user\'s commands, the intelligent control system must continuously avoid collisions, modifying the user\'s commands if necessary. This approach creates a safety navigation system that can be used in robotic wheelchairs and manned robotic vehicles where the human safety must be guaranteed. A control system with those characteristics should be based on a suitable mobile robot architecture. This architecture must integrate the human user\'s commands with the autonomous control layer of the system which is responsible for avoiding static and dynamic obstacles and for driving the robot to its navigation goal. In this work we propose a hybrid (deliberative/reactive) mobile robot architecture with human interaction. This architecture was developed mainly for navigation tasks and allows the robot to be operated on different levels of autonomy. The user can share the robot control with the system while the system ensures the user and robot\'s safety. In this architecture, a navigation function is used for representing the robot\'s navigation plan. We propose a method for combining the deliberative behavior responsible for executing the navigation plan, with the reactive behaviors defined to be used while navigating, and with the continuous human user\'s inputs. The intelligent control system defined by the proposed architecture was implemented in a robotic wheelchair, and we present some experimental results of the chair operating on different autonomy modes.