Design, Construction and Programming of a Social Robot for Personal Assistance

Resumen

The evolution of robotics has significantly impacted a variety of industries, particularly in fields such as healthcare, education, and personal assistance, with social robots becoming increasingly integral. These robots are characterized by being able to understand and respond to human emotions and behaviors.

At the Center for Automation and Robotics (CAR), the Intelligent Control Group has made significant efforts to develop social robots for human-robot interaction and personal assistance. One example is Potato, a robot prototype that integrates an emotional model to achieve more natural and human-like interactions. Motivated by the successes and insights gained from the development of Potato and recognizing the growing demand for more advanced hardware, the next step was to design a new social robot.

This Master’s Thesis focuses on the design, construction, and programming of a new advanced social robot, specifically tailored for personal assistance applications. The robot developed in this project is intended for use in scenarios such as elderly care and the management of young diabetic patients, to serve as a supportive companion. The robot’s sophisticated human-robot interaction capabilities, including its ability to express emotional responses, were designed to meet the social and psychological needs of these vulnerable populations, thereby improving their quality of life.

The primary objective of this research was to create a robust hardware platform capable of facilitating advanced human-robot interactions, intended for use in future research projects that will involve programming different human-robot interaction software applications. The project sought to address the limitations of existing models and commercial solutions, which often lack customization, flexibility, and adequate privacy protections. The design, which was recognized in a competitive design contest, integrates superior interaction capabilities, aesthetic appeal, and powerful processing functions, ensuring that the robot can engage effectively and naturally with users in diverse personal and social contexts.

To achieve these goals, the project was organized into several key phases. Initially, a comprehensive review of the state-of-the-art in social robots for personal assistance was conducted to define the design requirements. Based on these insights, a concept design was developed, followed by detailed mechanical, electrical, and electronic designs. Components were carefully selected to align with the identified needs, and the robot’s emotional expressions were designed based on the emotional model previously implemented in Potato.

The manufacturing process primarily utilized 3D printing technology, which enabled the rapid prototyping and iteration of the robot’s components. The assembly process involved integrating the mechanical, electrical, and electronic subsystems to create a fully functional prototype, with the exception of some elements due to time constraints. This prototype was then submitted to several tests for validation purposes of its core functionalities.

Building upon this foundation, a custom firmware was developed focusing on creating a modular architecture to manage sensor data, control actuators, and facilitate communication between the robot’s microcontroller and processing units. The firmware, implemented in C++, was designed to be extendable, allowing for future enhancements and the development of sophisticated high-level applications. Finally, a scope-restricted demo was developed to showcase the core capabilities of the robot.

This thesis contributes to the field of social robotics by offering a detailed design of a new social robot, developing a functional prototype, creating an initial version of the robot’s firmware, and validating the robot’s core functionalities. The research not only advances the current state of social robotics but also lays a strong foundation for future studies aimed at further improving human-robot interaction.

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La evolución de la robótica ha tenido un impacto significativo en una variedad de industrias, particularmente en campos como la salud, la educación y la asistencia personal, con los robots sociales volviéndose cada vez más integrales. Estos robots se caracterizan por su capacidad para entender y responder a las emociones y comportamientos humanos.

En el Centro de Automática y Robótica (CAR), el Grupo de Control Inteligente ha realizado esfuerzos significativos para desarrollar robots sociales para la interacción humanorobot y la asistencia personal. Un ejemplo de ello es Potato, un prototipo de robot que integra un modelo emocional para lograr interacciones más naturales y similares a las humanas. Motivados por los éxitos y aprendizajes obtenidos en el desarrollo de Potato, y reconociendo la creciente demanda de hardware más avanzado, el siguiente paso fue diseñar un nuevo robot social.

Este Trabajo Fin de Máster (TFM) se centra en el diseño, construcción y programación de un nuevo robot social avanzado, específicamente diseñado para aplicaciones de asistencia personal. El robot desarrollado en este proyecto está destinado a su uso en escenarios como el cuidado de ancianos y el acompañamiento de pacientes jóvenes con diabetes, sirviendo como un compañero de apoyo. Las sofisticadas capacidades de interacción humano-robot del robot, incluida su habilidad de expresar respuestas emocionales, fueron diseñadas para satisfacer las necesidades sociales y psicológicas de estas poblaciones vulnerables, mejorando así su calidad de vida.

El objetivo principal de esta investigación fue crear una plataforma de hardware robusta que facilitara interacciones avanzadas humano-robot, con la intención de utilizarse en futuros proyectos de investigación que involucren la programación de diferentes aplicaciones de interacción. El proyecto buscó abordar las limitaciones de los modelos existentes y de las soluciones comerciales, que a menudo carecen de personalización, flexibilidad y protección adecuada de la privacidad. El diseño, que fue reconocido en un concurso de la Universidad Politécnica de Madrid, integra capacidades de interacción superiores, atractivo estético y funciones de procesamiento potentes, asegurando que el robot pueda interactuar de manera efectiva y natural con los usuarios en diversos contextos personales y sociales.

Para alcanzar estos objetivos, el proyecto se organizó en varias fases clave. Inicialmente, se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte de la robótica social y en particular para la asistencia personal con el fin de definir los requisitos de diseño. Basado en estos conocimientos, se desarrolló un diseño conceptual, seguido de diseños mecánicos, eléctricos y electrónicos detallados. Los componentes fueron seleccionados cuidadosamente para alinearse con las necesidades identificadas, y las expresiones emocionales del robot fueron diseñadas con la base del modelo emocional implementado previamente en Potato.

El proceso de fabricación utilizó principalmente la tecnología de impresión 3D, lo que permitió la creación rápida de prototipos y la iteración de los componentes del robot. El proceso de ensamblaje involucró la integración de los subsistemas mecánicos, eléctricos y electrónicos para crear un prototipo completamente funcional, a falta de la integración de algunos elementos por cuestiones de tiempo. Este prototipo se sometió a diversas pruebas para validar sus funcionalidades principales.

Sobre esta base, se desarrolló un fimware personalizado enfocado en crear una arquitectura modular para gestionar los datos de los sensores, controlar los actuadores y facilitar la comunicación entre la unidad de procesamiento y el microcontrolador del robot. El firmware, implementado en C++, fue diseñado para ser extensible, permitiendo futuras mejoras y el desarrollo de aplicaciones avanzadas de alto nivel. Finalmente, se desarrolló una demostración con un alcance restringido para mostrar las capacidades principales de la plataforma robótica.

Este TFM contribuye al campo de la robótica social ofreciendo un diseño detallado de un nuevo robot social, desarrollando un prototipo funcional, creando una versión inicial del firmware del robot, y validando sus funcionalidades principales. La investigación no solo avanza el estado actual de la robótica social, si no que también sienta una base sólida para futuros estudios dirigidos a mejorar aún más la interacción humano-robot.