The Ph.D. thesis is focused on using the reinforcement learning for four legged robot control. The main aim is to create an adaptive control system of the walking robot, which will be able to plan the walking gait through Q-learning algorithm. This aim is achieved using the design of the complex three layered architecture, which is based on the DEDS paradigm. The small set of elementary reactive behaviors forms the basis of proposed solution. The set of composite control laws is designed using simultaneous activations of these behaviors. Both types of controllers are able to operate on the plain terrain as well as on the rugged one. The model of all possible behaviors, that can be achieved using activations of mentioned controllers, is designed using an appropriate discretization of the continuous state space. This model is used by the Q-learning algorithm for finding the optimal strategies of robot control. The capabilities of the control unit are shown on solving three complex tasks: rotation of the robot, walking of the robot in the straight line and the walking on the inclined plane. These tasks are solved using the spatial dynamic simulations of the four legged robot with three degrees of freedom on each leg. Resulting walking gaits are evaluated using the quantitative standardized indicators. The video files, which show acting of elementary and composite controllers as well as the resulting walking gaits of the robot, are integral part of this thesis.

Cette recherche, qui s'inscrit dans le cadre des travaux en didactique de l'informatique de Baron et Bruillard, analyse la façon dont des enseignants du primaire, non experts en informatique,conçoivent et mettent en œuvre des scénarios impliquant des robots pédagogiques de sol dans leurs classes. La mise en œuvre de ces robots a été étudiée avec l'objectif, d'apporter un éclairage sur leurs possibles apports pédagogiques. Il s'est agi de préciser comment ces enseignants parviennent à définir des situations didactiques de ces objets de connaissances auxquels ils n'ont jamais été confrontés et d'analyser la manière dont ils parviennent à développer chez les élèves une pensée informatique en actes. L'activité des élèves a été analysée, au travers l'approche instrumentale (Rabardel), en vue de comprendre de quelle manière l'apprentissage de concepts en informatique émerge de ces activités. La question des apprentissages des concepts et méthodes propres au domaine informatique par le biais de la robotique est analysée en prenant appui sur la théorie des champs conceptuels (Vergnaud). Cette recherche apporte des éléments permettant de comprendre comment ces enseignants parviennent, de manière intuitive, à développer et à mettre en œuvre des scénarios pour enseigner quelques concepts informatiques. Elle témoigne de leur capacité à intégrer des objets tangibles ou symboliques dans des séances d'apprentissage en informatique, en procédant à une analyse préalable à minima du fonctionnement du robot. Au cours des activités dans lesquelles ils sont mobilisés, outils robotiques et aides pédagogiques accompagnent les apprentissages. Sur le plan des apprentissages, les élèves se sont forgés, par des démarches d'instrumentation et d'instrumentalisation, des instruments et des méthodes pour comprendre l'objet informatique. Les concepts et notions en jeu sont particulièrement dépendants des contextes technologiques spécifiques à chacun des robots. Des méthodes propres à la production logicielle ont permis le séquençage de l'activité de programmation en phases de spécification, conception, réalisation et mise au point. Des paradigmes de programmation ont aussi été approchés, comme la programmation procédurale dans le cas du robot Bee-Bot et la programmation événementielle dans le cas de l'étude du comportement du robot Thymio. En dehors du domaine informatique, la résolution de problème, en étant placée au cœur des scénarios, a permis aux élèves de développer des démarches de tâtonnements, d'essais-erreurs dans un contexte de travail en petit groupe favorisant les échanges et les interactions entre les élèves. / This research, which takes place within the framework of Baron and Bruillard's research in didactics of computer science,analyzes how primary school teachers, not computer experts, design and implement scenarios involving ground pedagogical robots in their classrooms. The integration of these robots has been studied with the aim of shedding light on their possible pedagogical contributions. It shows how these teachers succeed in defining pedagogical situations of these knowledge objects to which they have never been confronted before and in developing pupils' thinking in action. Student activity was analyzed, through the instrumental approach (Rabardel), in order to understand how the learning of computational concepts emerges from these activities. The question of the learning of concepts and methods specific to the computer domain through robotics is analyzed using the theory of conceptual fields (Vergnaud). This research provides additional understanding how these teachers intuitively develop and implement scenarios to teach a few computer concepts. It demonstrates their ability to integrate tangible or symbolic objects into computer learning sessions by performing a minimum analysis of the robot's functionality. During the activities in which they are mobilized, robotic tools and teaching aids accompany learning. In terms of learning, pupils have forged, through instrumentation and instrumentalities, tools and methods to understand the computer object. The concepts and notions involved are particularly dependent on the technological contexts specific to each robot. Methods specific to software production allowed the sequencing of the programming activity into phases of specification, design, realization and development. Programming paradigms were also approached, such as procedural programming in the case of the Bee-Bot robot and event programming in the case of the study of the behavior of the Thymio robot. Outside the computer field, problem solving, by being placed at the heart of the scenarios, allowed students to develop trial and error approaches in a small group work environment that facilitate exchanges and interactions between students.

Les robots industriels sont très utilisés aujourd’hui dans de nombreuses applications industrielles pour leur polyvalence et leur facilité programmation. Cependant, malgré leurs performances, ces robots ne sont pas adaptés à certains procédés de fabrication où des forces uniformes et élevées ainsi qu'une précision de positionnement appropriée sont requises. Le présent travail est axé sur la robotisation de l'une des opérations à forte charge, le soudage par friction-malaxage (FSW). Cette méthode d’assemblage s’utilise pour assembler des pièces en phase solide. Pour cette raison, une force de poussée très élevée est nécessaire pour ramollir le matériau pendant cette opération. En raison des forces élevées, la position de l'outil dévie de la trajectoire désirée. Dans ces travaux de thèse, la possibilité d'utiliser un dispositif d’assistance associé à un robot manipulateur est étudiée afin d’améliorer sa capacité de charge et sa rigidité. Dans une première partie, une modélisation géométrique, cinématique et dynamique ainsi que de déformation d’un robot industriel Kuka KR500-2MT est développée en localisant la flexibilité au niveau des articulations. La deuxième partie consiste à améliorer les performances de la robotisation du procédé FSW par différentes méthodes qui sont la modification du système de compensation de gravité, l’ajout d’une masse additionnelle sur l’outil, l’ajout d’une structure parallèle et l’utilisation de deux robots en mode coopératif. Les deux dernières solutions consistent à exercer des forces directement sur l’outillage. De cette façon, le mouvement de l'outil est principalement piloté par le robot industriel, tandis que le dispositif d’assistance (soit la structure parallèle ou le deuxième robot utilisé dans le système coopératif) assure la génération de forces de poussées très élevées. Des algorithmes d’optimisation ont été utilisés afin de minimiser les déviations de l’outil et donc réduire les défauts de soudage. Finalement, une étude de l’espace de travail est menée en utilisant le logiciel Catia. La connaissance de l'espace de travail pour les solutions proposées nous permet d’estimer les applications de soudage possibles ainsi que leur comparaison.. / Nowadays industrial robots are used in many manufacturing applications because of their versatility and easy applicability. Notwithstanding their performance these robots are not suitable for some manufacturing processes where uniform and high forces together with suitable precision of position are required. The present research is focused on the robotization of one of the high-thrust operations, the friction stir welding (FSW). This method for connecting two parts works while the connected materials are in the solid phase. For this reason a very high axial force is needed to soften the material during the welding process. Due to these high forces the position of the tool of a serial robot deviates from the desired trajectory. In this PhD work, the possibility of using a parallel structure device is investigated to improve the load capacity and stiffness of a heavy loadmanipulator robot. In a first part, the geometric, kinematic and dynamic modeling and the flexibility of an industrial robot, Kuka KR500-2MT are developed by locating flexibility at the joints. The second part is to improve the performance of the FSW process using an industrial robot. So different methods are examined: the modification of the gravity compensation system, the addition of an additional mass on the tool, the addition of a parallel structure and the use of a cooperative system. The last two solutions exert forces directly on the process tool. In this way the movement of the tool is mainly generated by the industrial serial robot, while the assistive device (either the parallel structure or the second robot used in the cooperatif system) ensures the generation of very high axial forces. Optimization algorithms are developed to minimize deviations and thus reduce welding defects. Finally, a study of the workspace is studied using Catia software. Knowledge of the system workspace with the proposed solutions allows to estimate the possible welding applications that can be achieved using these systems.

I och med att industri 4.0 är på frammarsch ställs höga krav på företag gällande bland annat kvalitet, flexibilitet samt snabba omställningstider. Examensarbetet skrivs för Högskolan i Skövde och Volvo GTO där fokus ligger på att identifiera möjliga människa-robot samarbeten i en manuell monteringslinje. Huvudmålet med examensarbetet är att ta fram en metod för att skapa en specifikation vid implementering av en virtuell människa-robot station. Hållbar utveckling har en central del i examensarbetet. Genom att reducera ergonomiskt belastande och stressrelaterade moment kan den sociala hållbarheten öka och i sin tur leda till mindre kassationer och kvalitetsavvikelser. Förutsättningarna som ligger till grund för arbetet analyseras och diskuteras där standardiserat arbetssätt är en central del. Fyra generella kollaborativa metoder beskrivs i arbetet samt färdigheter för en specifikt kollaborativ robot som fanns till förfogande under hela examensarbetet. Vid analyser av tidigare forskning belyses svårigheter gällande säkerheten vid implementeringen av en kollaborativ robot. En riskanalys av säkerheten rekommenderas att utföras när en layout och momentfördelningen mellan människa och robot är utformad. Genom att analysera och samla in data över befintliga stationer skall möjliga moment som en kollaborativ robot kan utföra identifieras. Analysen resulterade i att endast en station innehöll lämpliga moment, där av utfördes en momentanpassning på den stationen. Detta för att skapa en arbetssekvens där människa-robot samarbeten kan utföras. Fem moment identifierades för den kollaborativa roboten. Examensarbetet resulterade i två implementeringsförslag där skillnaden var stationens utformning. Skillnaden berörde en kåpans ursprungsplacering vilket kräver en förändring i den externa materialtillförseln. De nya arbetssekvenserna för de berörda varianterna reducerar människans arbetsbelastning då ergonomiskt belastande moment överförts till roboten. Den framtagna metoden för att skapa en specifikation är baserad på det genomförda examensarbetet där rekommendationer och metoder som är lämpliga att använda för ett liknande arbete är sammanställda. Vikten vid att skapa liknande grundförutsättningar för att tillämpa den framtagna metoden ligger i ett standardiserat arbetssätt. Som fortsatt arbete rekommenderas det att skapa en efterliknande station i en virtuell miljö där en riskanalys bör genomföras. Detta för att skapa en säker stationsmiljö. / As industry 4.0 is rising companies are obliged to work to increase their quality, flexibility and reduce their changeover time. The final year project is written for Högskolan I Skövde and Volvo GTO with focus to identify possible human-robot collaboration tasks in a manual assembly line. The main objective for the thesis is to developed a method for a specification for implementation of virtual collaboration station. A central point for the thesis is sustainable development. By reducing non ergonomically and stressful tasks, social sustainability can be increased which can lead to lead to less scrap and quality deviation. Presumptions for the thesis are analyzed and discussed where standardized work is a central and important part. Four general collaborations methods are mentioned. A specific collaborative robot where used and its proficiency analyzed during the work, a UR10e. Previous researched mentioned the safety issue related to implementation of a collaborative robot. A recommendation to properly ensure the safety is to perform a risk assessment when the work sequence and layout is generated. To identify potential tasks for the collaborative robot data related to the defined stations needs to be analyzed. The conclusion was that only one station included all the five identified potential tasks for the collaborative robot. This resulted in an adjustment of the work order for the selected station and thereby create a human robot collaboration. Two implementation suggestions where created and differed only in the location of a specific component. The new position for the component requires a reorganization of the material handling to the station. There are two categories of product variants and the new working sequences reduce the work load because tasks are performed by the robot. The generated method to create a specification is based on the work performed during the thesis. This method includes recommendation and methods which will facilitate similar projects. Standardize work is a key factor to create similar prerequisites. A recommendation for continual work is to create a virtual environment where a risk assessment can take place in order to generate a safe work environment.

Ce travail est focalisé sur le problème de la construction autonome du modèle 3D d'un objet inconnu en utilisant un robot humanoïde. Plus particulièrement, nous considérons un HRP-2 guidé par la vision au sein d'un environnement connu qui peut contenir des obstacles. Notre méthode considère les informations visuelles disponibles, les contraintes sur le corps du robot ainsi que le modèle de l'environnement dans le but de générer des postures adéquates et les mouvements nécessaires autour de l'objet. Le problème de sélection de vue ("Next-Best-View") est abordé en se basant sur un générateur de postures qui calcule une configuration par la résolution d'un problème d'optimisation. Une première solution est une approche locale où un algorithme de rendu original à été conçu afin d'être inclut directement dans le générateur de postures. Une deuxième solution augmente la robustesse aux minimums locaux en décomposant le problème en 2 étapes: (i) trouver la pose du capteur tout en satisfaisant un ensemble de contraintes réduit, et (ii) calculer la configuration complète du robot avec le générateur de posture. La première étape repose sur des méthodes d'optimisation globale et locale (BOBYQA) afin de converger vers des points de vue pertinents dans des espaces de configuration admissibles non convexes. Notre approche est testée en conditions réelles par le biais d'une architecture cohérente qui inclus différents composants logiciels spécifique à l'usage d'un humanoïde. Ces expériences intègrent des travaux de recherche en cours en planification de mouvements, contrôle de mouvements et traitement d'image, qui pourront permettre de construire de façon autonome le modèle 3D d'un objet. / This work addresses the problem of autonomously constructing the 3D model of an unknown object using a humanoid robot.More specifically, we consider a HRP-2 evolving in a known environment, which is possibly cluttered, guided by vision.Our method considers the visual information available, the constraints on the robot body, and the model of the environment in order to generate pertinent postures and the necessary motions around the object.Our two solutions to the Next-Best-View problem are based on a specific posture generator, where a posture is computed by solving an optimization problem.The first solution is a local approach to the problem where an original rendering algorithm is specifically designed in order to be directly included in the posture generator. The rendering algorithm can display complex 3D shapes while taking into account self-occlusions.The second solution seeks more global solutions by decoupling the problem in two steps: (i) find the best sensor pose while satisfying a reduced set of constraints on the humanoid, and (ii) generate a whole-body posture with the posture generator.The first step relies on global sampling and BOBYQA, a derivative-free optimization method, to converge toward pertinent viewpoints in non-convex feasible configuration spaces.Our approach is tested in real conditions by using a coherent architecture that includes various complex software components that consider the specificities of the humanoid robot. This experiment integrates on-going works addressing the tasks of motion planning, motion control, and visual processing, to allow the completion of the 3D object reconstruction in future works.

La robotique collaborative a pour vocation d'assister physiquement l'opérateur dans ses tâches quotidiennes. Les deux partenaires qui composent un tel système possèdent des atouts complémentaires : physique pour le robot versus cognitif pour l'opérateur. Cette combinaison offre ainsi de nouvelles perspectives d'applications, notamment pour la réalisation de tâches non automatisables. Dans cette thèse, nous nous intéressons à une application particulière qui est l'assistance à la manipulation de pièces de grande taille lorsque la tâche à réaliser et l'environnement sont inconnus du robot. La manutention de telles pièces est une activité quotidienne dans de nombreux domaines et dont les caractéristiques en font une problématique à la fois complexe et critique. Nous proposons une stratégie d'assistance pour répondre à la problématique de contrôle simultané des points de saisie du robot et de l'opérateur liée à la manipulation de pièces de grandes dimensions, lorsque la tâche n'est pas connue du robot. Les rôles du robot et de l'opérateur dans la réalisation de la tâche sont distribués en fonction de leurs compétences relatives. Alors que l'opérateur décide du plan d'action et applique la force motrice qui permet de déplacer la pièce, le robot détecte l'intention de mouvement de l'opérateur et bloque les degrés de liberté qui ne correspondent pas au mouvement désiré. De cette façon, l'opérateur n'a pas à contrôler simultanément tous les degrés de liberté de la pièce. Les problématiques scientifiques relatives à l'interaction physique homme-robot abordées dans cette thèse se décomposent en trois grandes parties : la commande pour l'assistance, l'analyse du canal haptique et l'apprentissage lors de l'interaction. La stratégie développée s'appuie sur un formalisme unifié entre la spécification des assistances, la commande du robot et la détection d'intention. Il s'agit d'une approche modulaire qui peut être utilisée quelle que soit la commande bas niveau imposée dans le contrôleur du robot. Nous avons mis en avant son intérêt au travers de tâches différentes réalisées sur deux plateformes robotiques : un bras manipulateur et un robot humanoïde bipède. / Collaborative robotics aims at physically assisting humans in their daily tasks.The system comprises two partners with complementary strengths : physical for the robot versus cognitive for the operator. This combination provides new scenarios of application such as the accomplishment of difficult-to-automate tasks. In this thesis, we are interested in assisting the human operator to manipulate bulky parts while the robot has no prior knowledge of the environment and the task. Handling such parts is a daily activity in manyareas which is a complex and critical issue. We propose a new strategy of assistances to tackle the problem of simultaneously controlling both the grasping point of the operator and that of the robot. The task responsibilities for the robot and the operator are allocated according to their relative strengths. While the operator decides the plan and applies the driving force, the robot detects the operator's intention of motion and constrains the degrees of freedom that are useless to perform the intended motion. This way, the operator does not have to control all the degrees of freedom simultaneously. The scientific issues we deal with are split into three main parts : assistive control, haptic channel analysis and learning during the interaction.The strategy is based on a unified framework of the assistances specification, robot control and intention detection. This is a modular approach that can be applied with any low-level robot control architecture. We highlight its interest through manifold tasks completed with two robotics platforms : an industrial arm manipulator and a biped humanoid robot.

La robotique a fait progresser les interventions chirurgicales, avec des interventions moins invasives, une manipulation d’instruments plus précise et une meilleure dextérité. Néanmoins, le manque de retour haptique sur les plates-formes chirurgicales existantes aujourd’hui rend délicat l’accomplissement des gestes chirurgicaux et par conséquent augmente le risque de ces procédures. Avec l’introduction d’un retour haptique, les robots chirurgicaux sont conçus avec une approche de télé-opération bilatérale. Le retard, inhérent à cette approche, est crucial car même un petit retard pourrait déstabiliser le système. En pratique, le retard est inévitable, notamment pour les robots miniaturisés avec communication sans fils. Pour résoudre les problèmes liés à l’instabilité induite par le retard et rendre passif le canal de communication, l’approche de wave variable transformation (WVT) a été proposée. Néanmoins, les performances de suivi sont compromises à cause de la conservation de la condition de passivité. Dans cette thèse, une nouvelle approche de compensation basée sur la structure de wave variable, et considérant moins de condition de conservation est proposée afin d’améliorer les performances de suivi en position, en vitesse et en force. Pour garantir la passivité du système global, une approche énergétique (energy reservoir based regulators) est développée pour ajuster les termes de WVT avec une analyse rigoureuse. La méthode proposée permet d’améliorer les performances de suivi avec uniquement un retard de transmission dans un seul sens. Pour faciliter davantage les procédures chirurgicales, notamment les microchirurgies, deux facteurs d’échelle ont été rajoutés à l’approche de compensation. Une analyse de passivité a été par ailleurs menée en considérant la transparence du système. Les performances de suivi peuvent être obtenues si et seulement si les conditions de passivité et de transparence sont satisfaites. Les approches de compensation, avec et sans mise à l’échelle, ont été vérifiées à travers des simulations et des évaluations expérimentales. / Robotic technology has advanced the surgical procedures in terms of reduced trauma, more accurate manipulation and enhanced dexterity. However, the lack of haptic feedback on existing surgical robotic platforms makes it impossible for the surgeon to feel the operative site,and thus increases the risks of surgical procedures. With the introduction of haptic feedback, the surgical robots are design in bilateral teleoperation way. Time delay in bilateral teleoperation is crucial because even small time delay may destabilize the system. In practice, time delay is unavoidable, e.g. wireless communication miniaturized surgical robots, internet based robotic-assisted telesurgery and transmission of big amount of information, etc. In order to solve the instability caused by time delay in bilateral teleoperation, wave variable transformation (WVT) method has been proposed to passivate the delayed communication channel. However, the tracking performances are compromised due to the conservative passivity condition. In this thesis, a new wave variable compensation (WVC) structure with less conservative condition is proposed to enhance the velocity/position and force tracking performances. In order to guarantee the passivity of the whole system, energy reservoir based regulators are designed to adjust the WVC terms in the proposed structure with rigorous analysis. The WVC is able to achieve tracking performance with only single trip time delay. To better facilitate the surgical procedures, e.g. the microsurgeries, a scaled WVC structure is also developed by adding two scaling factors to the WVC structure. Passivity analysis on the scaled WVC is conducted with consideration of system transparency. Scaled tracking performance can be obtained as long as the two obtained passivity and transparency conditions are satisfied. The proposed WVC and scaled WVC have been verified through simulation and experimental studies.

Les robots mobiles à roues orientables gagnent de la mobilité en employant des roues conventionnelles entièrement orientables, comportant deux joints actifs, un pour la direction et un autre pour la conduite. En dépit d'avoir seulement un degré de mobilité (DOM) (défini ici comme degrés de liberté instantanément autorisés DOF), correspondant à la rotation autour du centre de rotation instantané (ICR), ces robots peuvent effectuer des trajectoires planaires complexes de $ 2D $. Ils sont moins chers et ont une capacité de charge plus élevée que les roues non conventionnelles (par exemple, Sweedish ou Omni-directional) et, en tant que telles, préférées aux applications industrielles. Cependant, ce type de structure de robot mobile présente des problèmes de contrôle textit {basic} difficiles de la coordination de la direction pour éviter les combats d'actionneur, en évitant les singularités cinématiques (ICR à l'axe de la direction) et les singularités de représentation (du modèle mathématique). En plus de résoudre les problèmes de contrôle textit {basic}, cette thèse attire également l'attention et présente des solutions aux problèmes de textit {niveau d'application}. Plus précisément, nous traitons deux problèmes: la première est la nécessité de reconfigurer "de manière discontinue" les articulations de direction, une fois que la discontinuité dans la trajectoire du robot se produit. Une telle situation - la discontinuité dans le mouvement du robot - est plus susceptible de se produire de nos jours, dans le domaine émergent de la collaboration homme-robot. Les robots mobiles qui fonctionnent à proximité des travailleurs humains en mouvement rapide rencontrent généralement une discontinuité dans la trajectoire calculée en ligne. Le second apparaît dans les applications nécessitant que l'angle de l'angle soit maintenu, certains objets ou fonctionnalités restent dans le champ de vision (p. Ex., Pour les tâches basées sur la vision) ou les changements de traduction. Ensuite, le point ICR est nécessaire pour déplacer de longues distances d'un extrême de l'espace de travail à l'autre, généralement en passant par le centre géométrique du robot, où la vitesse du robot est limitée. Dans ces scénarios d'application, les contrôleurs basés sur l'ICR à l'état de l'art conduiront à des comportements / résultats insatisfaisants. Dans cette thèse, nous résolvons les problèmes de niveau d'application susmentionnés; à savoir la discontinuité dans les commandes de vitesse du robot et une planification meilleure / efficace pour le contrôle du mouvement du point ICR tout en respectant les limites maximales de performance des articulations de direction et en évitant les singularités cinématiques et représentatives. Nos résultats ont été validés expérimentalement sur une base mobile industrielle. / Steerable wheeled mobile robots gain mobility by employing fully steerable conventional wheels, having two active joints, one for steering, and another for driving. Despite having only one degree of mobility (DOM) (defined here as the instantaneously accessible degrees of freedom DOF), corresponding to the rotation about the instantaneous center of rotation (ICR), such robots can perform complex $2D$ planar trajectories. They are cheaper and have higher load carrying capacity than non-conventional wheels (e.g., Sweedish or Omni-directional), and as such preferred for industrial applications. However, this type of mobile robot structure presents challenging textit{basic} control issues of steering coordination to avoid actuator fighting, avoiding kinematic (ICR at the steering joint axis) and representation (from the mathematical model) singularities. In addition to solving the textit{basic} control problems, this thesis also focuses attention and presents solutions to textit{application level} problems. Specifically we deal with two problems: the first is the necessity to "discontinuously" reconfigure the steer joints, once discontinuity in the robot trajectory occurs. Such situation - discontinuity in robot motion - is more likely to happen nowadays, in the emerging field of human-robot collaboration. Mobile robots working in the vicinity of fast moving human workers, will usually encounter discontinuity in the online computed trajectory. The second appears in applications requiring that some heading angle is to be maintained, some object or feature stays in the field of view (e.g., for vision-based tasks), or the translation verse changes. Then, the ICR point is required to move long distances from one extreme of the workspace to the other, usually passing by the robot geometric center, where the feasible robot velocity is limited. In these application scenarios, the state-of-art ICR based controllers will lead to unsatisfactory behavior/results. In this thesis, we solve the aforementioned application level problems; namely discontinuity in robot velocity commands, and better/efficient planning for ICR point motion control while respecting the maximum steer joint performance limits, and avoiding kinematic and representational singularities. Our findings has been validated experimentally on an industrial mobile base.

Based on analysis of human-human interactions, we have developed an initial model of engagement for human-robot interaction which includes the concept of connection events, consisting of: directed gaze, mutual facial gaze, conversational adjacency pairs, and backchannels. We implemented the model in the open source Robot Operating System and conducted a human-robot interaction experiment to evaluate it.

"When humans interact, there are many avenues of physical communication available ranging from vocal to physical gestures. In our past observations, when humans collaborate on manipulation tasks in shared workspaces there is often minimal to no verbal or physical communication, yet the collaboration is still fluid with minimal interferences between partners. However, when humans perform similar tasks in the presence of a robot collaborator, manipulation can be clumsy, disconnected, or simply not human-like. The focus of this work is to leverage our observations of human-human interaction in a robot's motion planner in order to facilitate more safe, efficient, and human-like collaborative manipulation in shared workspaces. We first present an approach to formulating the cost function for a motion planner intended for human-robot collaboration such that robot motions are both safe and efficient. To achieve this, we propose two factors to consider in the cost function for the robot's motion planner: (1) Avoidance of the workspace previously-occupied by the human, so robot motion is safe as possible, and (2) Consistency of the robot's motion, so that the motion is predictable as possible for the human and they can perform their task without focusing undue attention on the robot. Our experiments in simulation and a human-robot workspace sharing study compare a cost function that uses only the first factor and a combined cost that uses both factors vs. a baseline method that is perfectly consistent but does not account for the human's previous motion. We find using either cost function we outperform the baseline method in terms of task success rate without degrading the task completion time. The best task success rate is achieved with the cost function that includes both the avoidance and consistency terms. Next, we present an approach to human-attention aware robot motion generation which attempts to convey intent of the robot's task to its collaborator. We capture human attention through the combined use of a wearable eye-tracker and motion capture system. Since human attention isn't static, we present a method of generating a motion policy that can be queried online. Finally, we show preliminary tests of this method."