翻译中文--帮助卧床不起者日常生活的移动机器人系统

摘 要照顾卧床不起的病人的人在思想和身体上都有很大的负担。日本老年人口数量不断增加，卧床不起病人的护理问题将成为一个日益严重的社会问题。为了解决这个问题，我们正在为卧床不起的病人开发一个小型的移动机器人系统。这个系统的目的是把一个小物体半自动地放到房间的某个地方。该移动机器人由机械手、视觉传感器单元和移动单元组成。该系统通过摄像头和监视器向患者提供有关周围环境的信息。当患者在监视器上引导目标对象时，系统测量其三维位置，移动单元靠近该对象，操作器拿起并将其带回患者。该系统由图像信息和人通过基于图像的界面进行控制。帮助卧床不起者日常生活的移动机器人系统1 引言我们通常在精神和身体上有很大的负担来帮助卧床不起的病人。随着老年人口的不断增加，这项帮扶工作将成为一个社会问题。我们正试图通过开发一个小型移动机器人系统来解决这个问题。这个系统的目的是让目标物体半自动地放在房间的某个地方。当然，帮助卧床不起的人有很多种工作，例如换衣服、给药、打扫床铺等。有了这个系统。然而，我们认为，即使机器只完成一种类型的工作，而不是一个人，对帮助者的负担应该在思想和身体上减少。2 系统建设图 1 显示了移动机器人的概述。该移动机器人由机械手、视觉传感器单元和移动单元组成。该系统通过摄像头和监视器向患者提供有关周围环境的信息。当患者在监视器上引导目标对象时。该系统测量其三维位置。然后，移动单元接近目标对象，操作器拿起并将其带回患者。移动单元的 Si7e 宽 600 mm，长800 mm。高度 550 毫米，它有空间装载控制器和电池。移动单元由两个直流伺服电机和两个轮子驱动。每个电机都有一个用于位置控制的脉冲编码器。操纵器的长度约为 1255mm，有 4 个自由度和一只手。它的重量约为 3 公斤力。每个关节的执行机构是带脉冲编码器的直流伺服电机来控制其位置。在机械手的手腕部位安装一对应变计。因此，可以在控制器的反馈回路中测量和使用目标对象的重量。3 视觉传感器视觉传感器系统由 CCD 摄像机和由个人计算机控制的图像处理器组成。摄像机安装在操纵器的手腕部分。这种设计使得摄像机和操纵器可以同时移动。然后，系统通过摄像机和监视器向操作员提供 0-7803-3280-6/96/%5.001996 IEEE-2789-周围信息。如果一个目标物体是定向的，它测量它的三维位置。该移动机器人系统的目标对象为日常使用的弧形物体，具有不同的大小和形状。很难对图像处理进行实时识别和定位。为了解决这个问题，我们把日常使用的东西放在一个有圆柱形固定尺寸把手的托盘上。此夹点是视觉传感器的目标对象。因此，我们可以很容易地测量图像平面上目标物体的大小，作为 CCD 相机的像素数，并使用一个简单的公式计算到物体的距离（图 2） 。利用图像进行三维距离测量，并对目标物体进行跟踪视觉跟踪，可实现实时处理。2 号监视器屏幕是 1 号监视器屏幕的后 O.S秒图像。1 号监视器屏幕显示目标对象的中心和特征点。2 号监视器屏幕显示视觉传感器通过扫描图像找到新的中心和特征点。在 O.S秒之后，视觉传感器将找到另一个新的中心和特征点。4 视觉跟踪移动单元由个人电脑、控制板和电机驱动器控制。计算机根据目标对象的位置计算每个驱动电机的驱动脉冲数，并将信息发送到控制板。控制板产生DDA 脉冲分配，在两个电机之间进行同步操作2。电机驱动器通过观察反馈脉冲进行速度控制和位置控制。然而，即使我们使用反馈脉冲完美地控制移动单元的两个电机，由于每个驱动轮的直径和路面状况的差异，移动单元也不总是准确地移动。因此，我们使用视觉跟踪方法来解决这个问题。这个移动机器人有一个来自 CCD 摄像机的图像信息，每 0.5 秒更新一次。当移动单元接近目标对象时，计算机每 0.5 秒计算一次目标对象在监视器上的位置。如果位置从监视器的中心移动，移动单元将被控制以改变方向以在中心捕获它。这种方法能够使物体连续地保持在监视器的中心（图 3） 。通过测量监视器上目标物中心与移动机器人角度之间的关系，确定了该方法。图 4 显示了移动机器人接近 1800 mm 时的一个结果。结果表明，当移动机器人开始接近目标时，目标对象的中心位置约为 360 像素点（全像素为 512） ，当移动机器人运行约750 mm 时，目标对象的中心位置被捕捉到监视器的中心位置（256 像素点） 。该方法能够在 750-1800 毫米的运行过程中使中心保持在 5 个像素范围内，并且对该移动机器人具有足够的精度。5 控制器和接口我们的移动机器人可以半自动地将目标从房间内尚未确定的位置带出。但是，如果操作者想要一个特定的目标，他必须通过计算机与机器人通信。例如，如果目标位于机器人的右侧，他必须用鼠标光标指向监视器上的箭头，以转动机器人在监视器上找到目标。此外，他还必须教机器人什么是目标。此外，该机器人还被不擅长机器人的操作人员使用，并且是残疾人。因此，我们开发了一个基于以下概念的机器人与操作员之间的接口系统。(1)简单易行。操作人员可以像无线遥控车一样方便地控制机器人，而且这种输入方法必须简单。(2)不需要安全高空间，对于软性 TIC 机器人，每次 TIC 机器人或操作员识别到危险动作时，都会中断动作。该机器人在机械手手腕部位安装有小型摄像机，操作者通过监视器可以识别出末端辅助因子和开关的方向。但是，通过摄像机来控制带有周围信息的TIC 机器人是不够的，操作者也会对机器人的状态信息进行缩颈。例如，如果机器人的位置达到其工作空间的上限，即使操作员指示向上移动，也不可能移动机器人。在多 CPU 的配置下，每个任务补偿机器人的运动，操作者可以根据需要选择现金任务作为对象。有了这个系统。操作员可以简单地从现有的几个任务中选择机器人运动任务作为指令（图 7） 。这些任务并不总是处于活动状态，而是始终处于待机状态，以便从操作员那里获得命令。这意味着，如果操作员发现有必要，他可以中断运动以执行另一个可以从危险路径逃脱的任务。当机器人在运动过程中发现危险时，也需要对安全性进行补偿，这意味着机器人不能识别危险，而只能识别危险。在我们的系统中，在机械手的手腕部分放置一对应变片，机器人可以使用这些应变片测量手腕部分的载荷，并且在这部分产生过大力的危险。利用时间切片方法，当机器人识别出危险时，可以不受影响地中断机器人的运动。这意味着这个系统同时监视操作员和机器人的危险。6 结论(1)开发了由机械手、移动单元和视觉传感器组成的由图像信息控制的移动机器人系统。(2)我们开发了一种视觉跟踪方法来校正运动方向，该系统操作简单，响应速度快，精度高。(3)我们开发了移动机器人与操作员之间的接口系统。该界面可以观察机器人运动的各个任务，并利用真实的状态信息显示图形运动。我们试着检查该系统的功能，操作简单，操作方便，同时也证实了该系统的安全性，今后我们将改进该系统，使其更具互动性，并尝试应用于避障。感谢日本福利设备发展中心对本项目的支持。参考文献1T.Komcda 等， “帮助卧床不起者在私人住宅中日常生活的移动机器人系统” ，第二届欧洲先进康复技术会议论文集，24.4（1993）2T.Komeda 等， 私人住宅中卧床不起的人的日常生活辅助移动机器人系统 （第二次报告） ， 第三届欧洲先进康复技术会议论文集 ，第 179-181页（1995 年）