Reactive motion planning for robotic manipulators and interaction control with deformable environment

Abstract

Η φυσική διεπαφή και αλληλεπίδραση ανθρώπου-ρομπότ διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην αποδοχή ρομποτικών εφαρμογών στην καθημερινή ζωή. Ειδικότερα στην περίπτωση εφαρμογών περίθαλψης και υποβοήθησης ανθρώπων με κινητικές ή άλλες δυσκολίες, η λειτουργική απαίτηση φυσικής επαφής ανθρώπου-ρομπότ αποτελεί και έναν από τους βασικούς παράγοντες που καθορίζουν την ασφάλεια του ρομποτικού συστήματος. Σε τέτοιες εφαρμογές αλληλεπίδρασης ανθρώπου-ρομπότ, απαιτείται ένα σύστημα διαδραστικού σχεδιασμού κίνησης βασιζόμενο σε μία διαρκή παρακολούθηση της κατάστασης του ανθρώπου, για να επιτευχθεί ένας πλήρως ασφαλής και συνεχώς προσαρμοζόμενος σχεδιασμός ρομποτικών κινήσεων και εργασιών.Με βάση αυτήν τη γενική στόχευση, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη διαδραστική παραγαγωγή και προσαρμογή ρομποτικών κινήσεων, οι οποίες έχουν προκύψει μέσω καταγραφής δεδομένων ανθρώπινης επίδειξης, κατάλληλες για εργασίες αλληλεπίδρασης με παραμορφώσιμες επιφάνειες, όπως μέρη του ανθρώπινου σώματος. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της διατριβής, και στο πλαίσιο μιας ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας που αποσκοπούσε στην κατασκευή ενός εύκαμπτου ρομποτικού μηχανισμού μπάνιου, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος σχεδιασμού ρομποτικής κίνησης, ο οποίος χρησιμοποιεί την οπτική πληροφορία μιας κάμερας βάθους και την αντίστοιχη πληροφορία αντίληψης της σκηνής ρομποτικής δράσης, για να προσαρμόσει προκαθορισμένες και χωροχρονικά κλιμακούμενες τροχιές πάνω σε καμπύλες και παραμορφώσιμες επιφάνειες, όπως μέρη του ανθρώπινου σώματος, με ταυτόχρονη αποφυγή εμποδίων ή συγκεκριμένων υποπεριοχών της επιφάνειας αλληλεπίδρασης (για παράδειγμα, λόγω ύπαρξης τοπικών τραυματισμών, κ.α.). Η προσαρμογή επιτυχγάνεται με τη δημιουργία χωρικών μετασχηματισμών, με τις ιδιότητες του αμφιμονοσήμαντου και επί (bijection), οι οποίοι επιτυγχάνουν την έκφραση του προβλήματος παρακολούθησης σε ένα διδιάστατο κανονικοποιημένο χώρο. Η ακριβής παρακολούθηση τροχιάς πραγματοποιείται στη συνέχεια με έναν ελεγκτή συναρτήσεων πλοήγησης με αποδεδειγμένη καθολικά ομοιόμορφη ασυμπτωτική σύγκλιση στην επιθυμητή τροχιά. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου ελέγχθηκε τόσο σε συνθήκες εργαστηρίου όσο και σε πραγματικό κλινικό περιβάλλον με ηλικιωμένους χρήστες σε ξηρές συνθήκες και σε συνθήκες με χρήση νερού. Συμπληρωματικά πραγματοποιήθηκε μια κλινική μελέτη, η οποία αποσκοπούσε στην αξιολόγηση της αποδοχής και των δυνατοτήτων χρήσης ενός τέτοιου πολύπλοκου συστήματος από ηλικιωμένους χρήστες.Στο επόμενο στάδιο της διατριβής, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο, βασιζόμενο στην μέθοδο των Δυναμικών Πρωτογενών Κινήσεων (Dynamic Movement Primitives– DMPs), μπορεί να μάθει και να κωδικοποιήσει δράσεις χειρισμού και επαναληπτικές κινήσεις οι οποίες έχουν προκύψει κατόπιν επίδειξης από ειδικούς (εν προκειμένω, νοσηλευτικό προσωπικό) και να μιμηθεί τη συμπεριφορά τους. Οι συγκεκριμένενες δράσεις καταγράφηκαν με χρήση συστημάτων οπτικής καταγραφής κίνησης, και ακολούθως αναλύθηκαν και αποσυντέθηκαν σε δυναμικές πρωτογενείς κινήσεις κατάλληλες για εκτέλεση από ρομποτικό σύστημα. Οι κωδικοποιημένες αυτές κινήσεις μπορούν στη συνέχεια να προσαρμοστούν στην επιφάνεια του σώματος του χρήστη, αντισταθμίζοντας την κίνηση ή την παραμόρφωσή του, καθώς και να μεταβληθούν ως προς συγκεκριμένες παραμέτρους της κίνησης κατά την εκτέλεση της εργασίας, για να ικανοποιηθούν δεδομένες ανάγκες του χρήστη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ρομποτικής υποβοήθησης. Το προτεινόμενο σύστημα αξιολογήθηκε πειραματικά με τη χρήση ενός ανθρωποειδούς ρομπότ, το οποίο εκτέλεσε ένα σενάριο καθαρισμού επιφάνειας, καταδεικνύοντας την εφαρμοσιμότητα της μεθόδου σε πραγματικά σενάρια ρομποτικής υποβοήθησης. Επιπλέον της μεθόδου αυτής, προτείνεται και μία εναλλακτική μέθοδος εκμάθησης και αναπαραγωγής σύνθετων κινήσεων από δεδομένα επίδειξης μέσω της διαμόρφωσης ενός απωστικού δυναμικού πεδίου συναρτήσεων πλοήγησης.Στο τελευταίο στάδιο της παρούσας διατριβής, προτείνεται ένα πρωτότυπο σύστημα διαδραστικού σχεδιασμού κίνησης, με στόχο τον αποδοτικό και ακριβή έλεγχο ενός ρομποτικού χειριστή, ο οποίος εκτελεί διαδραστικές εργασίες στην επιφάνεια ενος παραμορφώσιμου αντικειμένου. Το προτεινόμενο σύστημα βασίζεται σε μία αναπαράσταση πλέγματος του αντικειμένου και ενσωματώνει τρία αποδοτικά στάδια προ-επεξεργασίας δεδομένων, τα οποία περιλαμβάνουν την οπτική κατάτμηση του αντικειμένου, την παρακολούθηση της παραμόρφωσης του αντικειμένου και την τοπική παραμετροποίηση του πλέγματος. Η χρήση βαρυκεντρικών συντεταγμένων, που ορίζονται στα τριγωνικά στοιχεία του πλέγματος, επιτρέπει τον ορισμό αμφιμονοσήμαντων μετασχηματισμών μεταξύ του εξεταζόμενου μέρους της επιφανείας του αντικειμένου και της επίπεδης παραμετροποιημένης απεικόνισής του. Ο συνδυασμός αυτών των μετασχηματισμών με τα αρχικά στάδια επεξεργασίας και με ένα σχήμα ελέγχου ενεργούς ακαμψίας για τον ρομποτικό χειριστή, επιτρέπει τον ακριβή σχεδιασμό διαδραστικών τροχιών ακόμη και υπό συνθήκες οπτικής απόκρυψης μεγάλων τμημάτων της επιφανείας. Παρουσιάζεται μία εκτενής πειραματική αξιολόγηση της μεθόδου, η οποία περιλαμβάνει ένα ρομποτικό χειριστή σε διάδραση με ένα ημισφαιρικό μοντέλο το οποίο υπόκειται σε ελέγξιμη παραμόρφωση. Σε αυτό το πλαίσιο, αξιολογείται η ακρίβεια του σχεδιασμού της κίνησης τόσο κατά την εκτέλεση διαδραστικών τροχιών όσο και κατά την συνεχή παρακολούθηση ενός σημείου στην επιφάνεια του αντικειμένου. Ελέγχθηκε επίσης η ικανότητα χρήσης της μεθόδου για προγραμματισμό κινήσεων από ανθρώπινη επίδειξη και για ρύθμιση των δυνάμεων επαφής με το αντικείμενο.