Indoor perception and navigation strategies for assistive robotics

Abstract

O desenvolvimento de tecnologias de percepção é um dos principais focos de investigação em robótica. Com o aumento da aplicação da robótica em ambiente humano, existe uma maior preocupação em garantir a segurança de todos os agentes que podem interagir com o robô. Considerando o caso em que um robô é um elemento de suporte na reabilitação de um paciente, mais especificamente um andarilho, a prevenção de acidentes surge como a maior dificuldade a superar, mas um requesito absoluto. Para superar este problema, o andarilho deve garantir que segue todas as instruções de acordo com as regras de segurança e tome todas as decisões com base no conhecimento do ambiente envolvente. Esta dissertação teve como objectivo propor o desenvolvimento de um sistema de navegação seguro aplicado a um andarilho robótico, desenvolvido no Instituto de Sistemas e Robótica (ISR), chamado “ISR-AIWALKER”. Para alcançar o nosso objectivo, dois métodos distintos foram desenvolvidos durante esta dissertação: percepção do ambiente local e navegação assitida por robô. A percepção do ambiente local é a responsável por identificar todos os obstáculos, enquanto a navegação assistida pelo robô garante que a plataforma robótica não colide com eles, e reencaminha o utilizador para um caminho seguro. Além dos sensores já incorporados no ISR-AIWALKER, foram introduzidos dois novos sensores (Microsoft Kinect One e Leddar Tech Leddar IS16) para recolher informações sobre o ambiente envolvente da plataforma robótica a fim de garantir a segurança do paciente e de outros dentro do mesmo espaço. Todos os algoritmos propostos foram desenvolvidos num ambiente ROS (Sistema Operacional Robótico) e testados em locais onde podemos encontrar obstáculos que tornam difícil ao utilizador se deslocar diariamente (calhas, escadas, rampas).

The development of perception technologies is one of the main focuses of research in robotics. With the increasing application of robotics in human populated environments, there is a heightened concern to ensure the safety of all agents who may interact with the robot. Considering the case where a robot is a support element in the rehabilitation of a patient, more specifically with a walker, the accidents prevention emerges as the strongest difficulty to overcome, but an absolute requirement. To overcome this problem, the walker must ensure that follows all instructions accordingly with safety rules and makes all decisions based on the knowledge of the surrounding environment.This dissertation aimed to propose the development of a safe navigation system applied in a robotic walker, developed at the Institute of Systems and Robotics (ISR) called "ISR-AIWALKER". In order to archive our goal, two distinct software architectures were developed during this dissertation: local environment perception and robot assisted navigation. The local environment perception is the one responsible for identifying all of the obstacles while the robot assisted navigation ensures that the robotic platform will not collide with them, rerouting the user to a safe path.In addition to the sensors already incorporated in the ISR-AIWALKER, two new sensors (Microsoft Kinect One and LeddarTech Leddar IS16) were introduced to collect information about the surrounding environment of the robotic platform in order to guarantee the safety of the patient and others within the same space.All of the proposed algorithms were developed in a ROS environment (Robotic Operating System) and tested in places where we can find obstacles that make it difficult for the user to move on a daily basis (gutters, stairs, ramps).