RoboGuide

Blog 2

Aarne Halme

Aikaa on vierähtänyt luvattoman paljon edellisestä kirjoituksesta, jossa kerrottiin opasrobotti -hankkeen aloittamisesta ja taustoista. Syitä on monia. Korona pandemian puhkeaminen vaikeutti viime keväänä teknisen kehityksen täysimittaista vauhtiin pääsyä ja myöhemmin ensimmäisen aallon mentyä ohi joidenkin komponenttien, esimerkiksi pyörämoottoreiden, toimituksissa tuli ongelmia logistiikkaketjujen ruuhkauduttua. Opasrobotin ohjelmiston kehityksessä on myös ollut haasteita, koska vastaavaa robottia ei ole aikaisemmin rakennettu, joten vertailupohjaa ei ole ollut käytettävissä. Tällä hetkellä kuitenkin teknisen kehityksen ongelmat näyttävät olevan voittopuolisesti ratkaistut ja odotamme innokkaasti käyttäjätestien alkamista.

Edellisessä blogissa esiteltyä opasrobotin prototyyppiä on kehitetty eteenpäin kuvassa näkyväksi prototyyppi 2:ksi. Sen ulkomuoto on suunniteltu teollisen muotoilun keinoin ja siinä on pyritty huomioimaan käyttäjän näkökohdat erityisesti tartuntakahvan ja siinä olevien käyttökytkimien suunnittelussa. Myös laitteen kuorirakenne on suunniteltu ulko-olosuhteita kestäväksi ja helposti puhdistettavaksi.  Elektroniikka, akku ja moottorit on kaikki pallomaisen kuoren sisällä.  Pyörien kokoa on suurennettu paremman liikkuvuuden takaamiseksi. Muilta osin perusrakenne on pysynyt samana. Mekaanista rakennetta kehitellään edelleen mm. seisontajalan ja varteen suunnitellun teleskooppirakenteen osalta.

Opasrobotin ohjelmisto rakentuu sen perusajatuksen varaan, että kaikki robotin avulla kuljettavat reitit kartoitetaan ensin varressa sijaitsevan laser-tutkan avulla. Nämä paikalliset kartat ovat hyvin tarkkoja (tyypillisesti muutaman cm tarkkuus paikassa) ja niille voidaan määrittää liikeradat, joita seuraamalla opasrobotti kuljettaa käyttäjänsä turvallisesti paikasta toiseen. Liikeratojen määritys tapahtuu näkevän ihmisen, kuten liikkumistaidon ohjaajan, avustamana kuljettaen robotti reitin läpi. Liikeratojen ympärille määritellään samalla ns. turvakäytävä, jonka ulkopuolelle jouduttaessa robotti automaattisesti pysähtyy ja varoittaa käyttäjää. Käyttäjä voi itse säätää robotin vetovoimaa ja samalla nopeutta, sekä luonnollisesti pysäyttää sen aina halutessaan. Reitille sijoitettujen reittipisteiden avulla robotti voi ilmoittaa käyttäjälle erilaisista lähestyvistä kohteista, kuten kadunylityksestä tai portaista.

Opasrobotti tunnistaa ensimmäisessä vaiheessa laser-tutkan näkemät esteet joko liikkuviksi tai kiinteiksi. Tämän perusteella robotti tekee valinnan pysähtymisen, väistämisen tai ohittamisen välillä. Nämä toimenpiteet ovat vielä tarkemman suunnittelun alla ja vaativat käyttäjien testausta ennen kuin niitä voidaan lopullisesti ohjelmoida. Lasertutkan lisäksi robottiin on suunnitteilla lisätä myös kamera, jonka avulla erilaista ympäristön kohteiden tunnistamista voidaan lisätä.

Seuraava virstanpylväs kehitystyössä on perusteellinen käyttäjätestaus, joka on tarkoitus suorittaa 8-10 vapaaehtoisen näkövammaisen käyttäjän kanssa. Suunnittelemme näitä testejä vielä tämän vuoden puolelle tai ensi vuoden alkuun. Testirata, joka on n. 0,5 km pituinen, sisältää tyypillisiä kaupunkiympäristössä eteen tulevia tilanteita. Olemme tällä testauksella hakemassa tietoa siitä, onko peruskonsepti toimiva ja mitä mahdollisia muutoksia se vielä vaatii ennen lopullisen prototyypin rakentamista.   

In English

Too much time has been passed from the previous article, which told about the start and background of the guide robot project. There are many reasons for that. The outbreak of the Corona pandemic last spring made it difficult to gain full momentum in technology development and later, after the first wave passed, problems with the supply of some components, such as wheel motors, arose as logistics chains became congested. There have also been challenges in the development of the guide robot software, as no similar robot has been built before and no benchmark has been available. At the moment, however, the problems of technological development seem to have been largely resolved and we eagerly await the start of user testing.

The prototype of the guide robot presented in the previous blog has been further developed into the prototype 2, shown in the picture. Its appearance has been designed by means of industrial design and has sought to take into account the user’s needs, especially in the design of the grip handle and the operating switches in it. The cover structure of the device is also designed to be resistant to outdoor conditions and easy to clean. The electronics, battery and motors are all inside the spherical shell. The size of the wheels has been increased to ensure better mobility. In other respects, the basic structure has remained the same.

The mechanical structure is being further developed e.g. for the standing leg and the telescopic structure designed for the arm.  

The software of the guide robot is based on the basic idea that all the routes traveled by the aid of the robot are first mapped using the laser radar on the arm. These local maps are very accurate (typically location is within a few cm) and one can assign trajectories on them that the guide robot can safely follow and guide its users from one location to another. The design of the trajectories is assisted by a seeing person, for example a mobility instructor, by driving the robot through the route. At the same time, a so-called safety corridor is defined around the trajectories, beyond which the robot automatically stops and warns the user. The user can adjust the traction and speed of the robot and, of course, stop it whenever he/she wants. With waypoints placed on the route, the robot can notify the user of various approaching things, such as a street crossing or stairs.

In the first stage, the guide robot identifies the obstacles seen by the laser radar as either moving or stationary. Based on this, the robot makes a choice between stopping, dodging, or bypassing. These measures are still under more detailed design and require user testing before they can be finally programmed. In addition to laser radar, it is planned to add a camera to the robot, which can be used to increase the identification of various objects in the environment.

The next milestone in the development work is a thorough user testing to be conducted with 8-10 volunteer visually impaired users. We are planning these tests later this year or early next year. The test track, which is about 0.5 km long, contains typical situations that arise in an urban environment. With this testing, we are seeking information on whether the basic concept is working and what possible changes it still requires before building the final prototype.

Auf Deutsch

Viel zu viel Zeit ist vergangen seit unserem letzten Beitrag, der sich mit dem Beginn und dem Hintergrund des „Guide Robot“ Projektes befasst hat. Dafür gibt es mehrere Gründe. Der Ausbruch der Corona-Pandemie im letzten Frühling machte es schwierig die volle Konzentration in die Entwicklung der Technologie zu legen und im Verlauf des Jahres, nachdem die „erste Welle“ durch war, entstanden Probleme mit der Lieferung einiger Komponenten, wie zum Beispiel Radmotoren, da Lieferketten überlastet waren. Weiterhin gab es auch Herausforderungen bei der Entwicklung der „Guide Robot“ Software, da bisher kein ähnlicher Roboter gebaut wurde und es keine vergleichbaren Geräte momentan gibt. Trotz der Verzögerungen haben wir weitere Fortschritte gemacht und haben den Großteil der Probleme lösen können und erwarten mit Spannung den Beginn der Benutzertests.

Der neue Prototyp des „Guide Robot“, der im vorherigen Blog vorgestellt wurde, ist zum Prototyp 2 weiterentwickelt worden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Dessen äußere Struktur wurde mit Hilfe industriellen Designs entworfen, unter Beachtung der Bedürfnisse der Benutzer besonders im Hinblick des Designs des Griffes und der Betriebsschalter. Weiterhin sollten alle Bauteile resistent gegen äußere Umweltbedingungen sein und gleichzeitig leicht zu säubern. Die Elektronik, Batterie und Motoren sind innerhalb der kugelförmigen Ummantelung eingebaut. Der Durchmesser der Räder wurde vergrößert, um bessere Beweglichkeit zu ermöglichen. Ansonsten ist die prinzipielle Struktur beibehalten worden.

Abbildung 1: Neuer Prototyp des ”Guide Robot“ Projektes.

Weiterhin wurde die mechanische Struktur weiterentwickelt, z.B. in Hinblick des Ständers und des Handgriffs, um die Bedienung komfortabler zu machen.

Die Software des „Guide Robot“ basiert auf der Grundidee, dass alle Strecken, die mit Hilfe des Roboters zurückgelegt werden, zuerst durch das Laserradar abgebildet werden, dass sich am Schaft befindet. Diese lokalen Karten sind sehr akkurat (typischerweise mit einer Genauigkeit innerhalb weniger Centimeter) und man kann auf ihnen Wegstrecken vorgeben, denen der „Guide Robot“ sicher folgen kann und somit seinen Benutzer von einem Ort zum nächsten führen kann. Das Entwerfen der Wegstrecke wird von einer sehenden Person assistiert. Dabei wird die Wegstrecke mit dem Roboter von einer sehenden Person durchfahren. Zur gleichen Zeit wird ein sogenannter Sicherheitskorridor um die Wergstrecke definiert. Fährt der Roboter über diesen hinaus, hält der Roboter automatisch an und warnt seinen Benutzer. Der Benutzer kann die Zugkraft und Geschwindigkeit des Roboters einstellen und diesen natürlich immer dann anhalten, wenn er/ sie es möchte. Mit Wegpunkten, die auf der Wegstrecke platziert sind, kann der Roboter den Benutzer über verschieden sich nahende Orte oder Hindernisse benachrichtigen, so wie Kreuzungen oder Treppen.

In der ersten Phase identifiziert der Roboter das Hindernis mit Hilfe des Laserradars als entweder sich bewegend oder stationär. Darauf basierend fällt der Roboter eine Entscheidung, ob er anhält oder dem Hindernis ausweicht beziehungsweise es umgeht. Diese Maßnahmen sind noch in der Entwicklungsphase, wozu Benutzertests benötigt sind bevor sie final programmiert werden können. Als Zusatz zum Laserradar ist eine Kamera geplant, die dem Roboter hinzugefügt wird und der verbesserten Identifikation von verschiedenen Objekten in der Umgebung dient.

Der nächste Meilenstein in der Entwicklungsarbeit ist ein umfangreicher Benutzertest mit 8 bis 10 freiwilligen, sehbehinderten Benutzern. Diese Tests sind für dieses Jahr oder für den Beginn des nächsten Jahres geplant. Die Teststrecke, die ungefähr o,5 km lang ist, beinhaltet eine typische Situation in einer urbanen Umgebung. Diese Tests sind dazu gedacht um herauszubekommen, ob das grundlegende Konzept funktioniert und welche möglichen Änderungen noch durchgeführt werden müssen, bevor der finale Prototyp gebaut werden kann.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s