Collaborative-control-based Navigation of Mobile Human-Centered Robots

Abstract

O envelhecimento da população nos países ocidentais tem pressionado a indústria de cuidados e de assistência a idosos a apresentar soluções e cientes para responder à crescente procura aos seus serviços. Isto leva a crer que a robótica será uma das soluções mais procuradas, ao aliviar a necessidade de apoio humano constante. Responder a esta procura é uma tarefa que deve começar a ser tida em conta agora. Esta dissertação é um trabalho na área da Robótica de assistência. Tem como principais objetivos a análise e a implementação prática de um sistema de navegação de assistência para a RobChair, uma cadeira de rodas inteligente desenvolvida no ISR-UC. É um estudo nas áreas de Navegação Autónoma, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) e de Controlo Colaborativo. De ne como objetivo criar um sistema inteligente capaz de melhorar a mobilidade de doentes com graves disfunções motoras, melhorando a sua qualidade de vida. Começa por analisar o conceito de controlo colaborativo e o estado da arte em interação Humano-Robô. Analisa também soluções de SLAM sem odometria, mais concretamente o Hector SLAM, e de navegação autónoma. Para atingir os objetivos propostos, este trabalho apresenta uma arquitetura de um Sistema de Navegação Assistiva (ANS), e particularmente um desenho para um Controlador Colaborativo. Esse sistema é implementado em ROS (Robot Operating System) e os seus módulos são explanados. São também apresentadas alterações no hardware da RobChair tendo em vista facilitar o seu uso enquanto robô experimental. O sistema foi testado experimentalmente, validando o funcionamento de alguns dos seus componentes. Estes resultados representam os primeiros passos na implementação do ANS completo na parte de navegação e perceção.

Population aging in western countries has been pressing the industry of elderly care and assistance to present more e cient solutions in order to meet the growing demand for its services. This suggests that robotics shall be one of the most sought solutions, relieving the constant necessary human support. Responding to this demand is a task that must be taken into consideration as soon as possible. This dissertation is a work on the eld of Assistive Robotics, whose main goals are the analysis and implementation of an assistive navigation system for RobChair, an intelligent wheelchair developed at ISR-UC. It is a study on the elds of Autonomous Navigation, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) and Collaborative Control. It de nes the objective of creating an intelligent system able to improve the mobility of patients with severe motor dysfunctions, improving their quality of living. It starts by analyzing the concept of Collaborative Control and the state of the art in Human-Robot interaction. It also analyzes the SLAM solutions without odometry, more speci cally, the Hector SLAM, and autonomous navigation. To attain the proposed objectives, this work presents an architecture for the Assistive Navigation System (ANS) and particularly a scheme for the Collaborative Controller. Such system is implemented in ROS and its modules explained in detail. It is also presented the modi cations performed in the RobChair hardware in order to facilitate its use as an experimental robot. The system was tested experimentally, validating the operation of some of its components. The results achieved represent the rst steps in implementing the complete ANS, considering the navigation and perception modules.