Tervetuloa opasrobotin kotisivulle

Aarne Halme
Tervetuloa lukemaan blogiamme, jonka tarkoituksena on seurata näkövammaisille tarkoitetun opasrobotin kehitystä. Hanke on herättänyt suurta mielenkiintoa näkövammaisten potentiaalisten käyttäjien keskuudessa. Olemme tästä syystä päättäneet julkaista säännöllisin väliajoin tietoja sen etenemisestä tavalliselle lukijalle ymmärrettävällä tavalla.

Koska tämä on ensimmäinen blogi aiheesta, on hyvä kertoa ensin muutamalla sanalla hankkeen taustasta. Keväällä 2016 Näkövammaisten Liiton silloinen järjestöjohtaja Merja Heikkonen kirjoitti Helsingin Sanomien mielipidepalstalla ja kysyi olisiko mahdollista kehittää opaskoiran vaihtoehdoksi robotti, joka hoitaisi saman tehtävän mutta olisi koiraa helppohoitoisempi sekä soveltuisi käyttäjille, joille koira ei sovellu. Ajatus sinänsä ei ole uusi. Olin törmännyt Japanissa 1980-luvun lopulla samanlaiseen hankkeeseen, jossa suuren tutkimuslaitoksen resurssein koetettiin saada aikaan näkövammaisten opasrobotti. Hanke oli kuitenkin liian haastava silloiselle anturi- ja tietokoneteknologialle ja se kuivui kokoon tuottaen kuitenkin paljon perustavaa laatua olevaa tietoa erityisesti käyttäjän ja robotin yhteistyön vaatimuksista. Tämän hetken teknologinen valmius on aivan toista luokkaa ja jonkin aikaa asiaa selviteltyäni päädyin tulokseen, että kehityshanke voisi onnistua. Lähdimme hakemaan hankkeelle rahoitusta, joka lopulta onnistui EU:n EuroStars- ohjelman kautta. Yhteistyökumppanina on saksalainen yritys Locomotec . Heidän sovelluksenaan on näkövammaisille tarkoitettu juoksuharjoitusrobotti. Hanke on alkanut marraskuussa 2018 ja se on tarkoitus saada päätökseen huhtikuussa 2021. Tavoitteena on tällöin testattu prototyyppi, jonka perusteella kehittäminen tuotteeksi ja kaupallistaminen voidaan alkaa. Tähän arvioidaan kuluvan yhdestä puoleentoista vuotta.

Sitten hankkeen tämän hetken tilanteeseen. Ensimmäinen vuosi on kulunut näkövammaisten potentiaalisten käyttäjien haastatteluihin ja niin sanotun mallinnustestilaitteen (mock-up) rakentamiseen. Laite on alla kuvassa. Sen tarkoituksena on antaa tuntuma robotin mekaanisesta rakenteesta ja tutkia siihen liitettyjen antureiden toimivuutta. Laitteella on tehty testejä näkövammaisten koeryhmän kanssa toistaiseksi näkevän ihmisen ohjaamana. Pian alkavassa seuraavassa vaiheessa siirrytään automaatin ohjaukseen, jolloin näkevä ihminen toimii ainoastaan turvallisuuden varmistajana.

Robotissa on kaksi vetävää pyörää, joiden keskiakselille on kiinnitetty nivelellä varustettu tartuntatanko. Pyörissä on molemmissa oma sähkömoottori, joiden nopeuserolla ohjataan robotin kulkusuuntaa. Käyttäjä seuraa robottia tartuntakahvasta kiinni pitäen. Käyttäjä voi määrittää robotin nopeuden ja voiman, jolla se vetää. Robotin anturit ja elektroniikka on sijoitettu tartuntatankoon. Ladattava akku on sijoitettu alas pyörien keskiakselille. Antureista tärkeimmät ovat laser-tutka ja kamera sekä liiketilaa tunnistava anturiyksikkö. Lisäksi robotissa on satelliittipaikannin. Tässä vaiheessa kehitystä robotti on vielä n.s. insinööriversio. Lopullisessa muodossaan se koteloidaan ja muotoillaan ulkonäöltään sopivaksi.
Tässä vaiheessa hanketta keskitytään kehittämään robotin ohjelmistoa, joka havaitsee ympäristössä olevia kohteita ja seuraa ennalta sille opetettua reittiä. Toinen tärkeä kohde on löytää parhaat ratkaisut käyttöliittymälle, toisin sanoen tavoille joilla käyttäjä vaikuttaa robottiin ja saa siltä tietoja. Molempien osalta kehitystyössä käytetään vapaaehtoisia näkövammaisia testikäyttäjiä, joiden palaute on ensiarvoisen tärkeää oikeiden ratkaisuiden löytymisessä. Ensimmäisessä vaiheessa testit suoritetaan näkevän käyttäjän ohjatessa robottia kauko-ohjaimella. Kun riittävä varmuus automaattiohjauksen toimivuudesta on saatu, siirrytään testeissä sen käyttämiseen.

Robotti on tarkoitettu kulkemaan opaskoiran lailla ennalta opittuja reittejä. Opettelu tapahtuu kulkemalla reitti käyttäjän ja robotin kanssa läpi liikkumistaidon ohjaajan kanssa. Sen aikana robotti muodostaa reitistä kartan ja tallentaa muistiinsa seurattavan polun. Yhdessä liikkumistaidon ohjaajan kanssa robotin muistiin merkitään polun varrella olevat tärkeät kohteet kuten kadunylitykset, portaat, ovet jne, joita käyttäjä myöhemmässä vaiheessa tarvitsee. Kehitystyössä on käytössämme puolen kilometrin mittainen testirata, joka sisältää monipuolisesti näitä kohteita.
Oman haasteensa kehitystyössä muodostavat erilaiset esteet, joita näkövammainen voi kohdata reitillään. Lasertutkan ja kameran avulla esteet voidaan yleensä havaita hyvin. Vaikeampaa on ohjelmoida robotille päättelykykyä, joka reagoi oikein näiden esteiden osuessa kohdalle. Kulkureitille pysäköity auto on helppo havaita, mutta päätös siitä kummalta puolelta lähteä kiertämään autoa turvallisesti on jo vaikeampaa tehdä. Samoin kevyen liikenteen väylällä vastaan tuleva pyöräilijä voidaan havaita ja tunnistaa helposti, mutta kannattaako siitä ilmoittaa käyttäjälle, vilkuttaa robotin valoja varoitukseksi pyöräilijälle vai pysäyttää robotti odottamaan ohitusta on kysymys johon saadaan vastaus vain testien kautta. Näihin kysymyksiin paneudutaan jatkossa kun ohjelmiston kehitys jatkuu. Olemme valmiit kuuntelemaan myös lukijan kommentteja näissä asioissa.
Olemme kiitollisia kaikesta palautteesta ja valmiit kuuntelemaan lukijoiden kommentteja. Niitä voi antaa parhaiten lähettämällä sähköpostia osoitteeseen jyrki.luukko@gimltd.fi .
Blogia ylläpitävät GIM OY:ssä (www.gimltd.fi) Aarne Halme (aarne.halme@gimltd.fi) ja Jyrki Luukko (jyrki.luukko@gimltd.fi)

In English

Welcome to our blog, where we will follow the development of a guide robot for visually impaired people. The project has received a lot of attention and interest among the potential users. For this reason we have decided to publish information about the progress on a regular basis, targeted at all interested but especially to our future potential users.

As this is the first blog text, we start by telling something about the background of the ROBOGUIDE project. In spring 2016 Merja Heikkonen, the director of organizational branch of the Finnish Federation of the Visually Impaired, wrote a letter in the daily newspaper Helsingin Sanomat  asking if it would be possible to develop a robot as an alternative for the guide dog. This robot should guide like a guide dog but would be easier to take care of and would suit those who cannot keep a dog.

The idea as such is not very new. In the late 1980s I had come across a similar project in Japan, in which a big research institute with its significant resources tried to develop a guide robot for the visually impaired. However, the project was too challenging for the sensor- and computer technology available then, but it did give a lot of basic information concerning the requirements of co-operation between the visually impaired user and the robot. The technological capabilities today are much better and after some investigation my conclusion was that such a development project could be successful. We started to apply for funding and finally succeeded through EU EuroStars program. Our partner is a German company Locomotec. Their application is a running companion for the visually impaired. The project started in Nov 2018 and will continue until April 2021. The target is to develop and test a prototype that would be ready for further development and become a commercial product. This would take about one to one and a half years.

Then a few words about the present stage of the project. The first year were used to interview potential visually impaired users and to produce the first mock-up test equipment. This test equipment is shown in the picture below. The purpose of the equipment is to evaluate the mechanical structure, its ergonomical aspects and study the functionality of the sensors attached.  For the present the test equipment is remotely controlled by a sighted person. However, after getting the first test done the next step is to make it automatically controllable, so that it guides the user autonomously. Even then we keep a seeing person with in the tests to guarantee safety.

 The robot has two driving wheels and in the middle of their axis a vertical bar with a joint.  At the top of the bar there is the user handle with access switches.  Both wheels are equipped with their own electric motors. The direction of the robot is controlled by controlling the speed difference of the motors. The user follows the equipment by holding the handle. The user is able to adjust the speed and the pulling force. The sensors and electronics are placed on the vertical bar below the user handle. The rechargeable battery is placed on the axis between the wheels. The most important sensors are a laser-radar, camera and inertial unit. The robot has also a satellite navigation unit. At this early stage of the development, the mechanics construction is an “engineering version”.  Later, the robot will have a casing designed to give a stylish look and to protect the electronics.

Auf deutsch

Willkommen auf unseren Blog auf dem wir der Entwicklung eines Roboters für seebehinderte Menschen beschreiben. Das Projekt erhielt viel Aufmerksamkeit und Interesse von potentiellen Benutzern. Aus diesem Grund haben wir uns dazu entschlossen regelmäßig Information über den Fortschritt zu veröffentlichen, zum einen für alle Interessierten, aber insbesondere für unsere zukünftigen Nutzer.

Da dies der erste Text dieses Blogs ist, möchten wir damit beginnen etwas über die Hintergründe des ROBOGUIDE-Projektes zu erzählen. Im Frühling 2016 schrieb Merja Heikkonen, die Direktorin der organisatorischen Abteilung der Finnischen Föderation der Seebehinderten, einen Artikel in der Tageszeitung Helsingin Sanomat, in dem Sie fragt ob es möglich sei einen Roboter als Alternative zu Blindenhunden zu entwickeln. Dieser Roboter sollte in der Lage sein wie ein Blindenhund zu führen, jedoch einfacher in der Pflege und auch zugänglich für jene, die sich keinen Hund halten können.

Die Idee als solche ist nicht neu. In den späten 1980ern war ich auf ein ähnliches Projekt in Japan gestoßen, in dem ein großes Wissenschaftsinstitut mit erheblichen Ressourcen versuchte einen Roboter für Sehbehinderte zu entwickeln. Das Projekt war jedoch zu anspruchsvoll für die Sensoren und die damals verfügbare Computertechnologie, aber es ergab viele grundsätzliche Informationen über die Anforderungen an die Kooperation, die zwischen den sehbehinderten Nutzern und den Robotern entstehen. Die technischen Möglichkeiten heutzutage sind viel besser und nach einigen Nachforschungen war meine Ansicht, dass solch ein Entwicklungsprojekt heute erfolgreich sein könnte. Wir begannen uns für Fördermittel zu bewerben und waren schließlich erfolgreich beim EU EuroStars-Programm. Unser Partner ist ein deutsches Unternehmen Locomotec. Deren Aufgabe besteht in der Entwicklung eines laufenden Begleiters für Sehbehinderte. Das Projekt begann im November 2018 und wird bis April 2021 fortgeführt. Das Ziel ist die Entwicklung und der Test eines Prototypes, der soweit fortgeschritten ist, um weitere Entwicklungen durchzuführen und ihn als kommerzielles Produkt anzubieten. Dafür sind ein bis anderthalb Jahre vorgesehen.

Nun ein paar Worte zum gegenwärtigen Stand des Projektes. Im ersten Jahr wurden potentielle Nutzer mit Sehbehinderung befragt und das erste Modelltestgerät hergestellt. Das Testgerät ist im Bild oben abgebildet. Der Zweck des Geräts ist die Untersuchung der mechanischen Struktur, deren ergonomische Aspekte, und der Funktionalität der angebrachten Sensoren. Zum jetzigen Zeitpunkt wird das Testgerät von einer sehenden Person ferngesteuert. Nach den ersten Tests wird jedoch der nächste Schritt sein es automatisch kontrollfähig zu machen, sodass es die Benutzer automatisch führt. Dabei wird eine sehende Person bei den Tests präsent sein, um die Sicherheit zu garantieren.

Der Roboter hat zwei Antriebsräder und in der Mitte der Achse eine vertikale Leiste mit einem Gelenk. Am oberen Ende der Leiste befindet sich der Benutzerhandgriff mit einer Steuerung. Beide Räder sind mit deren eigenen elektrischen Motoren ausgestattet. Die Bewegungsrichtung des Roboters wird durch den Geschwindigkeitsunterschied der Motoren kontrolliert. Der Nutzer folgt dem Gerät, in dem er sich am Griff festhält. Der Benutzer ist in der Lage die Geschwindigkeit und die Zugkraft einzustellen. Die Sensoren und Elektronik sind in der vertikalen Leiste unter dem Griff installiert. Die wieder aufladbare Batterie befindet sich in der Achse zwischen den Rädern. Die wichtigsten Sensoren sind ein Laser-Radar, Kamera und eine Trägheitseinheit. Der Roboter besitzt auch eine Satellit-Navigationseinheit. In dieser frühen Phase der Entwicklung ist die mechanische Konstruktion eine „technische Version“. Zum Ende des Projektes wird der Roboter ein entworfenes Gehäuse besitzen, dass ihm ein ansprechendes Aussehen verleiht und die Elektronik verkleidet.