Probabilistic Decision-Making Models for Multi-Agent Systems and Human-Robot Collaboration - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Probabilistic Decision-Making Models for Multi-Agent Systems and Human-Robot Collaboration

Modèles de décision probabilistes pour les systèmes multi-agents et la collaboration humain-robot

Abstract

In this thesis, using Markov decision models, we investigate high-level decision-making (task-level planning) for robotics in two aspects: robot-robot collaboration and human-robot collaboration.In robot-robot collaboration (RRC), we study the decision problems of multiple robots involved to achieve a shared goal collaboratively, and we use the decentralized partially observable Markov decision process (Dec-POMDP) framework to model such RRC problems. Then, we propose two novel algorithms for solving Dec-POMDPs. The first algorithm (Inf-JESP) finds Nash equilibrium solutions by iteratively building the best-response policy for each agent until no improvement can be made. To handle infinite-horizon Dec-POMDPs, we represent each agent's policy using a finite-state controller. The second algorithm (MC-JESP) extends Inf-JESP with generative models, which enables us to scale up to large problems. Through experiments, we demonstrate our methods are competitive with existing Dec-POMDP solvers.In human-robot collaboration (HRC), we can only control the robot, and the robot faces uncertain human objectives and induced behaviors. Therefore, we attempt to address the challenge of deriving robot policies in HRC, which are robust to the uncertainties about human behaviors. In this direction, we discuss possible mental models that can be used to model humans in an HRC task. We propose a general approach to derive, automatically and without prior knowledge, a model of human behaviors based on the assumption that the human could also control the robot. From here, we then design two algorithms for computing robust robot policies relying on solving a robot POMDP, whose state contains the human's internal state. The first algorithm operates offline and gives a complete robot policy that can be used during the robot's execution. The second algorithm is an online method, i.e., it plans the robot's action at each time step during execution. Compared with the offline approach, the online method only requires a generative model and thus can scale up to large problems. Experiments with synthetic and real humans are conducted in a simulated environment to evaluate these algorithms. We observe that our methods can provide robust robot decisions despite the uncertainties over human objectives and behaviors.In this thesis, our research for RRC provides a foundation for building best-response policies in a partially observable and multi-agent setting, which serves as an important intermediate step for addressing HRC problems. Moreover, we provide more flexible algorithms using generative models in each contribution, and we believe this will facilitate applying our contributions to real-world applications.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à la prise de décision haut niveau (planification de tâches) pour la robotique à l'aide de modèles de prise de décision markoviens et sous deux aspects : la collaboration robot-robot et la collaboration homme-robot. Dans le cadre de la collaboration robot-robot (RRC), nous étudions les problèmes de décision de plusieurs robots devant atteindre un objectif commun de manière collaborative, et nous utilisons le cadre des processus de décision markoviens partiellement observables et décentralisés (Dec-POMDP) pour modéliser de tels problèmes. Nous proposons deux nouveaux algorithmes pour résoudre les Dec-POMDP. Le premier algorithme (Inf-JESP) trouve des équilibres de Nash en construisant itérativement pour chaque agent la politique meilleure réponse aux autres agents jusqu'à ce qu'aucune amélioration ne soit possible. Pour traiter les Dec-POMDP à horizon infini, nous représentons la politique de chaque agent à l'aide d'un contrôleur à états finis. Le deuxième algorithme (MC-JESP) étend Inf-JESP avec des modèles génératifs, ce qui nous permet de passer à l'échelle pour des grands problèmes. Nous démontrons expérimentalement que nos méthodes sont compétitives par rapport aux solveurs Dec-POMDP existants. Dans le cadre de la collaboration homme-robot (HRC), nous ne pouvons contrôler que le comportement du robot, lequel doit faire face à des objectifs humains et à des comportements induits incertains. Nous cherchons ainsi à dériver des politiques de robot qui sont robustes aux incertitudes sur les comportements humains. Pour cela, nous discutons des modèles mentaux qui peuvent être utilisés pour modéliser le comportement humain dans une telle tâche collaborative. Nous décrivons ensuite une approche générale pour dériver, automatiquement et sans connaissance préalable, un modèle de comportements humains basé sur l'hypothèse que l'humain contrôle aussi le robot. À partir de là, nous proposons deux algorithmes pour calculer des politiques robustes pour le robot en se basant sur la résolution d'un POMDP dont l'état contient l'état interne de l'humain. Le premier algorithme fonctionne hors ligne et fournit une politique complète qui peut être utilisée par le robot pendant son exécution. Le deuxième algorithme est une méthode en ligne, c'est-à-dire qu'il décide de l'action du robot à chaque pas de temps au cours de l'exécution. Par rapport à l'approche hors ligne, la méthode en ligne ne nécessite qu'un modèle génératif et peut donc s'adapter à de grands problèmes. Des expériences avec des humains synthétiques et réels sont menées dans un environnement simulé pour évaluer ces algorithmes. Nous observons que nos méthodes peuvent fournir des décisions robustes pour des robots collaboratifs malgré les incertitudes sur les objectifs et les comportements humains. Dans cette thèse, notre recherche sur la collaboration robot-robot fournit une base pour construire des politiques meilleure réponse dans un cadre partiellement observable et multi-agent, base qui sert d'étape intermédiaire importante pour aborder les problèmes de collaboration homme-robot. De plus, pour chaque contribution, nous fournissons des algorithmes plus flexibles utilisant des modèles génératifs dont nous pensons qu'ils faciliteront la mise en œuvre de nos contributions à des applications du monde réel.
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Yang You. Probabilistic Decision-Making Models for Multi-Agent Systems and Human-Robot Collaboration. Computer Science [cs]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0014⟩. ⟨tel-04073320⟩
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