Show simple item record

dc.contributor.advisorΧατζηλάκος, Θανάσης
dc.contributor.advisorEdan, Yael
dc.contributor.authorΑδαμίδης, Γεώργιος
dc.contributor.otherAdamidis, Georgios
dc.coverage.spatialΚύπροςel_GR
dc.date.accessioned2016-09-06
dc.date.accessioned2016-09-06T10:52:01Z
dc.date.available2016-09-06T10:52:01Z
dc.date.copyright2016-06
dc.date.issued2016-09-06
dc.identifier.isbn978-9963-695-49-2
dc.identifier.otherΔΚ-ΠΕΣ/2016/00003el_GR
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11128/2566
dc.descriptionΠεριέχει βιβλιογραφικές παραπομπές.el_GR
dc.description.abstractThis dissertation focuses on the usability of user interfaces for tele-operated and telemanipulated mobile robots, with an application on a semi-autonomous agricultural robot sprayer. Semi-autonomous operation of agricultural robots is proposed including a framework for its levels of autonomy. In this case, the robot, in addition to whatever pre-programmed operation can do, is in communication with a human operator (farmer), who intervenes when needed. The farmer does not need to be present in the field; for reasons of occupational comfort and safety (as in the case of spraying which is the example discussed here) as well as for reasons of efficiency (as in the case of operating multiple robots in tandem which is not discussed here), the farmer is assumed to be “away”. The objective of this dissertation is to study the design and evaluation aspects of a user interface that supports human-robot interaction, for semi-autonomous agricultural spraying robots. Various aspects related to the user interface design and evaluation that can enhance human-robot interaction are investigated within this thesis including: 1) custom transformation of a robotic platform into a piece of agricultural machinery, 2) proposing a framework for semiautonomous robot modes of operation, 3) a taxonomy of user interface guidelines / heuristics for tele-operated field robots, 4) studies and experiments with the design aspects of user interfaces for robot tele-operation and tele-manipulation for the specific tasks of navigation, target identification and spraying, and 5) development and evaluation of suitable interfaces with enhanced human-robot interaction awareness to the farmer to effectively tele-operate a semiautonomous vineyard robotic sprayer. Specifically, this dissertation starts with the methodological approach followed to transform an existing robotic platform to a semi-autonomous agricultural robot sprayer (AgriRobot). This is followed by the proposed levels of autonomy. The semi-autonomous mode is the mode of operation where one or more operations are in manual mode and one or more operations are in autonomous mode. The robot has operations both in manual and in autonomous modes, concurrently. This formal framework brings out human-robot interaction theoretical issues of human-robot interaction and more practical issues specific to the user interface design framework. This is followed by a systematic approach to develop a taxonomy of design guidelines for robot teleoperation developed from a focused literature review of robot teleoperation. A list of user interface design guidelines was assembled, open card sorting and a focus group were used to classify them, and closed card sorting was employed to validate and further refine the proposed taxonomy. The initially obtained set of 70 guidelines is grouped into eight categories: platform architecture and scalability, error prevention and recovery, visual design, information presentation, robot state awareness, interaction effectiveness and efficiency, robot environment/surroundings awareness, and cognitive factors. The semi-autonomous agricultural robot sprayer constructed was used as an application case study for implementation and field evaluation. The proposed guidelines taxonomy was used heuristically to evaluate the usability of existing user interfaces of the teleoperated agricultural robot sprayer. In terms of experimentation, the first step was to determine how to begin work in this research area. Initially, without the resources to experiment in the field, as a first step we used an effective test-bed - a simulation experiment in a lab – to evaluate the usability of three different input devices. The goal was to evaluate the selection input device (Mouse vs Wiimote vs Digital pen) for marking the targets (grape clusters). Results indicated usability preference for the mouse and the digital pen. Later, in a field experiment, the usability of different interaction modes for agricultural robot teleoperation was also investigated. Specifically, two different types of peripheral vision support mechanism, two different types of control input devices, two different types of output devices and the overall influence of the user interface on observed and perceived usability of a teleoperated agricultural sprayer were examined. Specific recommendations for mobile field robot teleoperation to improve HRI awareness for the agricultural spraying task were drawn. A value-added from this dissertation is the placing of a camera on top of the end-effector sprayer to provide accurate target identification and spraying verification, thus improving activity awareness. Similarly, placing a camera at the back-top of the robot provides peripheral vision and enables the operator to locate obstacles around the robot wheels, thus improving location and surroundings awareness. Regarding the input/output devices, the PC keyboard and monitor were preferred over the PS3 gamepad and the head mounted display. The dissertation concludes with a discussion on the research findings and suggestions for future research directions. In sum, this work described aspects of how a robotic system should be designed (i.e. asking users how they expect the robot to perform tasks), defining levels of autonomy (including levels and type of communication), using heuristics and design guidelines (gathered from a large body of literature specific for mobile field robots) to develop and evaluate the user interface. In terms of future research directions, these include the robotization of a tractor. In this case, the tractor can be used for several agricultural tasks which could enhance its financial feasibility. In the case of a new robot with a robotic arm installed and additional sensor capabilities (e.g. laser and LIDAR scanners), a new user interface should be developed, following the taxonomy guidelines, and experiment with other teleoperation equipment. In terms of user interface technologies, with the emergence of new sensor technologies and 3D cameras improvements, it would be worthwhile to develop user interfaces with augmented reality capabilities to investigate their effect on situational awareness of operators when using tele-robotics. Finally, it would be interesting to apply the proposed framework of the levels of autonomy to other related work in human-robot collaboration research (i.e. search and rescue robotics) including switching between collaboration levels.el_GR
dc.format.extentxviii, 147 p. ill. 30 cm.el_GR
dc.languagegrel_GR
dc.language.isoenel_GR
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/closedAccessel_GR
dc.subjectΗμιαυτόνομο γεωργικό ρομπότel_GR
dc.subjectSemi-autonomous agricultural robotel_GR
dc.titleUser interfaces for human-robot interaction: Application on a semi-autonomous agricultural robot sprayerel_GR
dc.typeΔιδακτορική Διατριβήel_GR
dc.contributor.committeememberΞένος, Μιχάλης
dc.contributor.committeememberΧρίστου, Γεώργιος
dc.contributor.committeememberΖαφίρης, Παναγιώτης
dc.description.translatedabstractΗ παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την ευχρηστία διεπαφών χειρισμού ρομπότ και ειδικότερα τον τηλεχειρισμό ημιαυτόνομου ρομποτικού ψεκαστήρα αμπελώνων. Σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε, δοκιμάστηκε και αξιολογήθηκε ημιαυτόνομο γεωργικό ρομπότ, από όπου προέκυψε και το πλαίσιο λειτουργίας του. Ένα ημιαυτόνομο ρομπότ, επιπρόσθετα των προγραμματισμένων εντολών που εκτελεί, είναι σε επικοινωνία με τον χειριστή (εν προκειμένου του. αγρότη), ο οποίος παρεμβαίνει όταν θελήσει ή χρειαστεί. Ο αγρότης (χειριστής του ρομπότ) δεν είναι αναγκαίο να βρίσκεται και αυτός στο χωράφι. Για λόγους ασφάλειας και εργασιακής άνεσης, (όπως κατά τη διάρκεια του ψεκασμού όπου και η περίπτωση που εξετάζει η διατριβή), αλλά και για λόγους αποδοτικότητας (π.χ. ταυτόχρονος τηλεχειρισμός πολλών ρομπότ, κάτι που δεν εξετάζει αυτή η διατριβή), θεωρείται ότι ο αγρότης δε βρίσκεται στο χωράφι μαζί με το ρομπότ. Στόχος της διατριβής είναι να μελετήσει τις διάφορες πτυχές που αφορούν στον σχεδιασμό και στην αξιολόγηση των διεπαφών χρήστη που να υποστηρίζουν την επικοινωνία ανθρώπου με ρομπότ, και ειδικότερα ημιαυτόνομων γεωργικών ρομπότ ψεκασμού αμπελώνων. Οι διάφορες πτυχές που σχετίζονται με την ενίσχυση/ βελτίωση της επικοινωνίας ανθρώπου με ρομπότ τις οποίες περιλαμβάνει η διατριβή αφορούν: 1) την προσαρμοσμένη μετατροπή μιας ρομποτικής πλατφόρμας σε ένα γεωργικό ρομποτικό ψεκαστήρα, 2) την εισήγηση/ πρόταση ενός πλαισίου για ημιαυτόνομα ρομπότ και τους τρόπους λειτουργίας τους, 3) την ταξινόμηση οδηγιών για σχεδίαση διεπαφών χρήστη για τηλεχειριζόμενα ρομπότ πεδίου, 4) τη μελέτη και πειραματισμό των πτυχών σχεδίασης διεπαφών χρήστη για τηλεχειριζόμενα ρομπότ και ειδικότερα για την κίνηση στο πεδίο, τον εντοπισμό στόχων και της διαδικασίας ψεκασμού, και 5) την ανάπτυξη και αξιολόγηση κατάλληλων διεπαφών χρήστη που να ενισχύουν/ βελτιώνουν την επίγνωση που έχει ο γεωργός κατά την επικοινωνία με ένα ημιαυτόνομο ρομπότ ψεκαστήρα. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή κάνει αρχή με τη μεθοδολογική προσέγγιση που ακολουθήθηκε για τη μετατροπή μιας ρομποτικής πλατφόρμας σε ένα ημιαυτόνομο γεωργικό ρομπότ ψεκαστήρα (AgriRobot). Ακολούθως, προτείνει ένα πλαίσιο με τα διάφορα επίπεδα αυτονόμησης του ρομπότ. Ημιαυτόνομη είναι η λειτουργία όταν τουλάχιστον μία λειτουργία του ρομπότ είναι αυτόνομη/ ες και ταυτόχρονα, μία άλλη ή περισσότερες λειτουργίες γίνονται από τον χειριστή. Αυτό το πλαίσιο λειτουργίας φέρνει στην επιφάνεια τόσο θεωρητικά ζητήματα που αφορούν την επικοινωνία ανθρώπου με ρομπότ, όσο και πρακτικά ζητήματα που αφορούν τους σχεδιαστές διεπαφών χρήστη. Ακολούθησε η διαδικασία ταξινόμησης οδηγιών σχεδιασμού διεπαφών χρήστη, η οποία στηρίχτηκε σε ολοκληρωμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση για τηλεχειριζόμενα ρομπότ. Αρχικά, καταρτίστηκε ένας κατάλογος οδηγιών σχεδίασης διεπαφών χρήστη. Ακολούθως, αυτές κατηγοριοποιήθηκαν με τη χρήση της μεθόδου ανοιχτής διαλογής καρτών και ομάδας εστίασης. Τέλος, με τη μέθοδο της κλειστής διαλογής καρτών η ταξινόμηση επικυρώθηκε. Οι αρχικές οδηγίες που είχαν εντοπιστεί (70 συνολικά), ομαδοποιήθηκαν σε οκτώ κατηγορίες: αρχιτεκτονική πλατφόρμας και επεκτασιμότητα, πρόληψη σφαλμάτων και αποκατάσταση, οπτικός σχεδιασμός, παρουσίαση πληροφοριών, επίγνωση κατάστασης του ρομπότ, αποδοτικότητα και αποτελεσματικότητα της αλληλεπίδρασης, επίγνωση του περιβάλλοντος-χώρου, και γνωστικοί παράγοντες. Το ημιαυτόνομο γεωργικό ρομπότ-ψεκαστήρας χρησιμοποιήθηκε ως μελέτη περίπτωσης εφαρμογής διεπαφών χρήστη, οι οποίες εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν στο πεδίο (πειράματα στο χωράφι). Εξετάστηκε η ευχρηστία διαφόρων τρόπων αλληλεπίδρασης τηλεχειρισμού γεωργικών ρομπότ. Αρχικά, μέσω της μεθόδου προσομοίωσης, αξιολογήθηκαν τρεις διαφορετικές συσκευές εισόδου. Ο στόχος ήταν η αξιολόγηση της ευχρηστίας των συσκευών Ποντίκι vs Wiimote vs Ψηφιακό Στυλό κατά την επιλογή στόχων (τσαμπιών σταφυλιών). Τα αποτελέσματα έδειξαν την προτίμηση των συμμετεχόντων για το Ποντίκι και το Ψηφιακό Στυλό. Ακολούθησαν πειράματα στο πεδίο. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν δύο διαφορετικοί τύποι μηχανισμών για υποστήριξη της περιφερειακής όρασης, δύο διαφορετικοί τύποι συσκευών ελέγχου και δύο διαφορετικοί τύποι συσκευών εξόδου για οπτική απεικόνιση. Επιπλέον, εξετάστηκε η συνολική επίδραση των διεπαφών χρήστη για τηλεχειριζόμενα ρομπότ στην παρατηρούμενη και αντιλαμβανόμενη ευχρηστία. Έχουν προκύψει συγκεκριμένες συστάσεις που βελτιώνουν την επίγνωση αλληλεπίδρασης ανθρώπου-ρομπότ για την εργασία του γεωργικού ψεκασμού. Για παράδειγμα, η τοποθέτηση κάμερας πάνω από τον τελεστή ψεκασμού βοηθά στον εντοπισμό των στόχων και στην επιβεβαίωση ότι έχουν ψεκαστεί, άρα βελτιώνει την επίγνωση της ενέργειας που εκτελεί το ρομπότ. Παρομοίως, η τοποθέτηση κάμερας στο πάνω-πίσω μέρος του ρομπότ επιτρέπει την περιφερειακή όραση, κάτι που βοηθά τον χειριστή να εντοπίζει πιθανά εμπόδια γύρω από το μονοπάτι που ακολουθεί το ρομπότ, και άρα βελτιώνει την επίγνωση του περιβάλλοντος χώρου που βρίσκεται και ενεργεί το ρομπότ. Αναφορικά με τις συσκευές ελέγχου και συσκευές εξόδου, βρέθηκε ότι προτιμάται το πληκτρολόγιο και η οθόνη του υπολογιστή έναντι των PS3 gamepad και των ψηφιακών γυαλιών. Η διατριβή καταλήγει με συγκεκριμένα συμπεράσματα, σχολιασμό και γενίκευση των ερευνητικών αποτελεσμάτων, ενώ προτείνει μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις. Εν συντομία, η διατριβή περιγράφει πτυχές για το πώς ένα γεωργικό ρομποτικό σύστημα θα πρέπει να σχεδιαστεί, καθορίζει τα επίπεδα αυτονομίας, και χρησιμοποιεί την ευρετική μέθοδο και κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού για ανάπτυξη διεπαφών χρήστη. Όσον αφορά τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις, αυτές περιλαμβάνουν την ρομποτοποίηση τρακτέρ. Σε τέτοια περίπτωση, το τρακτέρ- ρομπότ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορες γεωργικές εργασίες. Στην περίπτωση ενός νέου ρομπότ με ένα ρομποτικό βραχίονα όπου θα υπάρχουν πρόσθετες δυνατότητες αισθητήρων (π.χ. λέιζερ και LIDAR), θα πρέπει να αναπτυχθεί ένα νέο περιβάλλον εργασίας χρήστη, ακολουθώντας τις κατευθυντήριες γραμμές ταξινόμησης που προτείνει η διατριβή. Από την άποψη των τεχνολογιών διεπαφών χρήστη, με την εμφάνιση των νέων τεχνολογιών αισθητήρων και 3D κάμερες θα άξιζε τον κόπο να αναπτυχθούν διεπαφές χρήστη με δυνατότητες επαυξημένης πραγματικότητας για να διερευνηθούν οι επιπτώσεις τους στην επίγνωση της κατάστασης επικοινωνίας ανθρώπου-ρομπότ. Τέλος, θα ήταν ενδιαφέρον να εφαρμοστεί το προτεινόμενο πλαίσιο των επιπέδων της αυτονομίας και σε άλλες συναφείς εργασίες όπως για παράδειγμα σε ρομπότ εντοπισμού και διάσωσης, συμπεριλαμβανομένων και των επιπέδων συνεργασίας/επικοινωνίας.el_GR
dc.format.typepdfel_GR


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record