翻譯中文--幫助臥床不起者日常生活的移動機器人系統(tǒng)

摘 要照顧臥床不起的病人的人在思想和身體上都有很大的負(fù)擔(dān)。日本老年人口數(shù)量不斷增加，臥床不起病人的護(hù)理問題將成為一個日益嚴(yán)重的社會問題。為了解決這個問題，我們正在為臥床不起的病人開發(fā)一個小型的移動機器人系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的目的是把一個小物體半自動地放到房間的某個地方。該移動機器人由機械手、視覺傳感器單元和移動單元組成。該系統(tǒng)通過攝像頭和監(jiān)視器向患者提供有關(guān)周圍環(huán)境的信息。當(dāng)患者在監(jiān)視器上引導(dǎo)目標(biāo)對象時，系統(tǒng)測量其三維位置，移動單元靠近該對象，操作器拿起并將其帶回患者。該系統(tǒng)由圖像信息和人通過基于圖像的界面進(jìn)行控制。幫助臥床不起者日常生活的移動機器人系統(tǒng)1 引言我們通常在精神和身體上有很大的負(fù)擔(dān)來幫助臥床不起的病人。隨著老年人口的不斷增加，這項幫扶工作將成為一個社會問題。我們正試圖通過開發(fā)一個小型移動機器人系統(tǒng)來解決這個問題。這個系統(tǒng)的目的是讓目標(biāo)物體半自動地放在房間的某個地方。當(dāng)然，幫助臥床不起的人有很多種工作，例如換衣服、給藥、打掃床鋪等。有了這個系統(tǒng)。然而，我們認(rèn)為，即使機器只完成一種類型的工作，而不是一個人，對幫助者的負(fù)擔(dān)應(yīng)該在思想和身體上減少。2 系統(tǒng)建設(shè)圖 1 顯示了移動機器人的概述。該移動機器人由機械手、視覺傳感器單元和移動單元組成。該系統(tǒng)通過攝像頭和監(jiān)視器向患者提供有關(guān)周圍環(huán)境的信息。當(dāng)患者在監(jiān)視器上引導(dǎo)目標(biāo)對象時。該系統(tǒng)測量其三維位置。然后，移動單元接近目標(biāo)對象，操作器拿起并將其帶回患者。移動單元的 Si7e 寬 600 mm，長800 mm。高度 550 毫米，它有空間裝載控制器和電池。移動單元由兩個直流伺服電機和兩個輪子驅(qū)動。每個電機都有一個用于位置控制的脈沖編碼器。操縱器的長度約為 1255mm，有 4 個自由度和一只手。它的重量約為 3 公斤力。每個關(guān)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)是帶脈沖編碼器的直流伺服電機來控制其位置。在機械手的手腕部位安裝一對應(yīng)變計。因此，可以在控制器的反饋回路中測量和使用目標(biāo)對象的重量。3 視覺傳感器視覺傳感器系統(tǒng)由 CCD 攝像機和由個人計算機控制的圖像處理器組成。攝像機安裝在操縱器的手腕部分。這種設(shè)計使得攝像機和操縱器可以同時移動。然后，系統(tǒng)通過攝像機和監(jiān)視器向操作員提供 0-7803-3280-6/96/%5.001996 IEEE-2789-周圍信息。如果一個目標(biāo)物體是定向的，它測量它的三維位置。該移動機器人系統(tǒng)的目標(biāo)對象為日常使用的弧形物體，具有不同的大小和形狀。很難對圖像處理進(jìn)行實時識別和定位。為了解決這個問題，我們把日常使用的東西放在一個有圓柱形固定尺寸把手的托盤上。此夾點是視覺傳感器的目標(biāo)對象。因此，我們可以很容易地測量圖像平面上目標(biāo)物體的大小，作為 CCD 相機的像素數(shù)，并使用一個簡單的公式計算到物體的距離（圖 2） 。利用圖像進(jìn)行三維距離測量，并對目標(biāo)物體進(jìn)行跟蹤視覺跟蹤，可實現(xiàn)實時處理。2 號監(jiān)視器屏幕是 1 號監(jiān)視器屏幕的后 O.S秒圖像。1 號監(jiān)視器屏幕顯示目標(biāo)對象的中心和特征點。2 號監(jiān)視器屏幕顯示視覺傳感器通過掃描圖像找到新的中心和特征點。在 O.S秒之后，視覺傳感器將找到另一個新的中心和特征點。4 視覺跟蹤移動單元由個人電腦、控制板和電機驅(qū)動器控制。計算機根據(jù)目標(biāo)對象的位置計算每個驅(qū)動電機的驅(qū)動脈沖數(shù)，并將信息發(fā)送到控制板。控制板產(chǎn)生DDA 脈沖分配，在兩個電機之間進(jìn)行同步操作2。電機驅(qū)動器通過觀察反饋脈沖進(jìn)行速度控制和位置控制。然而，即使我們使用反饋脈沖完美地控制移動單元的兩個電機，由于每個驅(qū)動輪的直徑和路面狀況的差異，移動單元也不總是準(zhǔn)確地移動。因此，我們使用視覺跟蹤方法來解決這個問題。這個移動機器人有一個來自 CCD 攝像機的圖像信息，每 0.5 秒更新一次。當(dāng)移動單元接近目標(biāo)對象時，計算機每 0.5 秒計算一次目標(biāo)對象在監(jiān)視器上的位置。如果位置從監(jiān)視器的中心移動，移動單元將被控制以改變方向以在中心捕獲它。這種方法能夠使物體連續(xù)地保持在監(jiān)視器的中心（圖 3） 。通過測量監(jiān)視器上目標(biāo)物中心與移動機器人角度之間的關(guān)系，確定了該方法。圖 4 顯示了移動機器人接近 1800 mm 時的一個結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)移動機器人開始接近目標(biāo)時，目標(biāo)對象的中心位置約為 360 像素點（全像素為 512） ，當(dāng)移動機器人運行約750 mm 時，目標(biāo)對象的中心位置被捕捉到監(jiān)視器的中心位置（256 像素點） 。該方法能夠在 750-1800 毫米的運行過程中使中心保持在 5 個像素范圍內(nèi)，并且對該移動機器人具有足夠的精度。5 控制器和接口我們的移動機器人可以半自動地將目標(biāo)從房間內(nèi)尚未確定的位置帶出。但是，如果操作者想要一個特定的目標(biāo)，他必須通過計算機與機器人通信。例如，如果目標(biāo)位于機器人的右側(cè)，他必須用鼠標(biāo)光標(biāo)指向監(jiān)視器上的箭頭，以轉(zhuǎn)動機器人在監(jiān)視器上找到目標(biāo)。此外，他還必須教機器人什么是目標(biāo)。此外，該機器人還被不擅長機器人的操作人員使用，并且是殘疾人。因此，我們開發(fā)了一個基于以下概念的機器人與操作員之間的接口系統(tǒng)。(1)簡單易行。操作人員可以像無線遙控車一樣方便地控制機器人，而且這種輸入方法必須簡單。(2)不需要安全高空間，對于軟性 TIC 機器人，每次 TIC 機器人或操作員識別到危險動作時，都會中斷動作。該機器人在機械手手腕部位安裝有小型攝像機，操作者通過監(jiān)視器可以識別出末端輔助因子和開關(guān)的方向。但是，通過攝像機來控制帶有周圍信息的TIC 機器人是不夠的，操作者也會對機器人的狀態(tài)信息進(jìn)行縮頸。例如，如果機器人的位置達(dá)到其工作空間的上限，即使操作員指示向上移動，也不可能移動機器人。在多 CPU 的配置下，每個任務(wù)補償機器人的運動，操作者可以根據(jù)需要選擇現(xiàn)金任務(wù)作為對象。有了這個系統(tǒng)。操作員可以簡單地從現(xiàn)有的幾個任務(wù)中選擇機器人運動任務(wù)作為指令（圖 7） 。這些任務(wù)并不總是處于活動狀態(tài)，而是始終處于待機狀態(tài)，以便從操作員那里獲得命令。這意味著，如果操作員發(fā)現(xiàn)有必要，他可以中斷運動以執(zhí)行另一個可以從危險路徑逃脫的任務(wù)。當(dāng)機器人在運動過程中發(fā)現(xiàn)危險時，也需要對安全性進(jìn)行補償，這意味著機器人不能識別危險，而只能識別危險。在我們的系統(tǒng)中，在機械手的手腕部分放置一對應(yīng)變片，機器人可以使用這些應(yīng)變片測量手腕部分的載荷，并且在這部分產(chǎn)生過大力的危險。利用時間切片方法，當(dāng)機器人識別出危險時，可以不受影響地中斷機器人的運動。這意味著這個系統(tǒng)同時監(jiān)視操作員和機器人的危險。6 結(jié)論(1)開發(fā)了由機械手、移動單元和視覺傳感器組成的由圖像信息控制的移動機器人系統(tǒng)。(2)我們開發(fā)了一種視覺跟蹤方法來校正運動方向，該系統(tǒng)操作簡單，響應(yīng)速度快，精度高。(3)我們開發(fā)了移動機器人與操作員之間的接口系統(tǒng)。該界面可以觀察機器人運動的各個任務(wù)，并利用真實的狀態(tài)信息顯示圖形運動。我們試著檢查該系統(tǒng)的功能，操作簡單，操作方便，同時也證實了該系統(tǒng)的安全性，今后我們將改進(jìn)該系統(tǒng)，使其更具互動性，并嘗試應(yīng)用于避障。感謝日本福利設(shè)備發(fā)展中心對本項目的支持。參考文獻(xiàn)1T.Komcda 等， “幫助臥床不起者在私人住宅中日常生活的移動機器人系統(tǒng)” ，第二屆歐洲先進(jìn)康復(fù)技術(shù)會議論文集，24.4（1993）2T.Komeda 等， 私人住宅中臥床不起的人的日常生活輔助移動機器人系統(tǒng) （第二次報告） ， 第三屆歐洲先進(jìn)康復(fù)技術(shù)會議論文集 ，第 179-181頁（1995 年）