翻譯中文--幫助臥床不起者日常生活的移動(dòng)機(jī)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(wèn)題將成為一個(gè)日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們正在為臥床不起的病人開(kāi)發(fā)一個(gè)小型的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的目的是把一個(gè)小物體半自動(dòng)地放到房間的某個(gè)地方。該移動(dòng)機(jī)器人由機(jī)械手、視覺(jué)傳感器單元和移動(dòng)單元組成。該系統(tǒng)通過(guò)攝像頭和監(jiān)視器向患者提供有關(guān)周?chē)h(huán)境的信息。當(dāng)患者在監(jiān)視器上引導(dǎo)目標(biāo)對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量其三維位置，移動(dòng)單元靠近該對(duì)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(guò)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(dòng)機(jī)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(lái)幫助臥床不起的病人。隨著老年人口的不斷增加，這項(xiàng)幫扶工作將成為一個(gè)社會(huì)問(wèn)題。我們正試圖通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)小型移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)系統(tǒng)的目的是讓目標(biāo)物體半自動(dòng)地放在房間的某個(gè)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(gè)系統(tǒng)。然而，我們認(rèn)為，即使機(jī)器只完成一種類(lèi)型的工作，而不是一個(gè)人，對(duì)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(dòng)機(jī)器人的概述。該移動(dòng)機(jī)器人由機(jī)械手、視覺(jué)傳感器單元和移動(dòng)單元組成。該系統(tǒng)通過(guò)攝像頭和監(jiān)視器向患者提供有關(guān)周?chē)h(huán)境的信息。當(dāng)患者在監(jiān)視器上引導(dǎo)目標(biāo)對(duì)象時(shí)。該系統(tǒng)測(cè)量其三維位置。然后，移動(dòng)單元接近目標(biāo)對(duì)象，操作器拿起并將其帶回患者。移動(dòng)單元的 Si7e 寬 600 mm，長(zhǎng)800 mm。高度 550 毫米，它有空間裝載控制器和電池。移動(dòng)單元由兩個(gè)直流伺服電機(jī)和兩個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)。每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)用于位置控制的脈沖編碼器。操縱器的長(zhǎng)度約為 1255mm，有 4 個(gè)自由度和一只手。它的重量約為 3 公斤力。每個(gè)關(guān)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是帶脈沖編碼器的直流伺服電機(jī)來(lái)控制其位置。在機(jī)械手的手腕部位安裝一對(duì)應(yīng)變計(jì)。因此，可以在控制器的反饋回路中測(cè)量和使用目標(biāo)對(duì)象的重量。3 視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器系統(tǒng)由 CCD 攝像機(jī)和由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制的圖像處理器組成。攝像機(jī)安裝在操縱器的手腕部分。這種設(shè)計(jì)使得攝像機(jī)和操縱器可以同時(shí)移動(dòng)。然后，系統(tǒng)通過(guò)攝像機(jī)和監(jiān)視器向操作員提供 0-7803-3280-6/96/%5.001996 IEEE-2789-周?chē)畔ⅰＨ绻粋€(gè)目標(biāo)物體是定向的，它測(cè)量它的三維位置。該移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的目標(biāo)對(duì)象為日常使用的弧形物體，具有不同的大小和形狀。很難對(duì)圖像處理進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和定位。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們把日常使用的東西放在一個(gè)有圓柱形固定尺寸把手的托盤(pán)上。此夾點(diǎn)是視覺(jué)傳感器的目標(biāo)對(duì)象。因此，我們可以很容易地測(cè)量圖像平面上目標(biāo)物體的大小，作為 CCD 相機(jī)的像素?cái)?shù)，并使用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算到物體的距離（圖 2） 。利用圖像進(jìn)行三維距離測(cè)量，并對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行跟蹤視覺(jué)跟蹤，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。2 號(hào)監(jiān)視器屏幕是 1 號(hào)監(jiān)視器屏幕的后 O.S秒圖像。1 號(hào)監(jiān)視器屏幕顯示目標(biāo)對(duì)象的中心和特征點(diǎn)。2 號(hào)監(jiān)視器屏幕顯示視覺(jué)傳感器通過(guò)掃描圖像找到新的中心和特征點(diǎn)。在 O.S秒之后，視覺(jué)傳感器將找到另一個(gè)新的中心和特征點(diǎn)。4 視覺(jué)跟蹤移動(dòng)單元由個(gè)人電腦、控制板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的位置計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)，并將信息發(fā)送到控制板?？刂瓢瀹a(chǎn)生DDA 脈沖分配，在兩個(gè)電機(jī)之間進(jìn)行同步操作2。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)觀(guān)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(dòng)單元的兩個(gè)電機(jī)，由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的直徑和路面狀況的差異，移動(dòng)單元也不總是準(zhǔn)確地移動(dòng)。因此，我們使用視覺(jué)跟蹤方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)移動(dòng)機(jī)器人有一個(gè)來(lái)自 CCD 攝像機(jī)的圖像信息，每 0.5 秒更新一次。當(dāng)移動(dòng)單元接近目標(biāo)對(duì)象時(shí)，計(jì)算機(jī)每 0.5 秒計(jì)算一次目標(biāo)對(duì)象在監(jiān)視器上的位置。如果位置從監(jiān)視器的中心移動(dòng)，移動(dòng)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(guò)測(cè)量監(jiān)視器上目標(biāo)物中心與移動(dòng)機(jī)器人角度之間的關(guān)系，確定了該方法。圖 4 顯示了移動(dòng)機(jī)器人接近 1800 mm 時(shí)的一個(gè)結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始接近目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)對(duì)象的中心位置約為 360 像素點(diǎn)（全像素為 512） ，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行約750 mm 時(shí)，目標(biāo)對(duì)象的中心位置被捕捉到監(jiān)視器的中心位置（256 像素點(diǎn)） 。該方法能夠在 750-1800 毫米的運(yùn)行過(guò)程中使中心保持在 5 個(gè)像素范圍內(nèi)，并且對(duì)該移動(dòng)機(jī)器人具有足夠的精度。5 控制器和接口我們的移動(dòng)機(jī)器人可以半自動(dòng)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(gè)特定的目標(biāo)，他必須通過(guò)計(jì)算機(jī)與機(jī)器人通信。例如，如果目標(biāo)位于機(jī)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(dòng)機(jī)器人在監(jiān)視器上找到目標(biāo)。此外，他還必須教機(jī)器人什么是目標(biāo)。此外，該機(jī)器人還被不擅長(zhǎng)機(jī)器人的操作人員使用，并且是殘疾人。因此，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于以下概念的機(jī)器人與操作員之間的接口系統(tǒng)。(1)簡(jiǎn)單易行。操作人員可以像無(wú)線(xiàn)遙控車(chē)一樣方便地控制機(jī)器人，而且這種輸入方法必須簡(jiǎn)單。(2)不需要安全高空間，對(duì)于軟性 TIC 機(jī)器人，每次 TIC 機(jī)器人或操作員識(shí)別到危險(xiǎn)動(dòng)作時(shí)，都會(huì)中斷動(dòng)作。該機(jī)器人在機(jī)械手手腕部位安裝有小型攝像機(jī)，操作者通過(guò)監(jiān)視器可以識(shí)別出末端輔助因子和開(kāi)關(guān)的方向。但是，通過(guò)攝像機(jī)來(lái)控制帶有周?chē)畔⒌腡IC 機(jī)器人是不夠的，操作者也會(huì)對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)信息進(jìn)行縮頸。例如，如果機(jī)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(dòng)，也不可能移動(dòng)機(jī)器人。在多 CPU 的配置下，每個(gè)任務(wù)補(bǔ)償機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，操作者可以根據(jù)需要選擇現(xiàn)金任務(wù)作為對(duì)象。有了這個(gè)系統(tǒng)。操作員可以簡(jiǎn)單地從現(xiàn)有的幾個(gè)任務(wù)中選擇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)任務(wù)作為指令（圖 7） 。這些任務(wù)并不總是處于活動(dòng)狀態(tài)，而是始終處于待機(jī)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(yùn)動(dòng)以執(zhí)行另一個(gè)可以從危險(xiǎn)路徑逃脫的任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，也需要對(duì)安全性進(jìn)行補(bǔ)償，這意味著機(jī)器人不能識(shí)別危險(xiǎn)，而只能識(shí)別危險(xiǎn)。在我們的系統(tǒng)中，在機(jī)械手的手腕部分放置一對(duì)應(yīng)變片，機(jī)器人可以使用這些應(yīng)變片測(cè)量手腕部分的載荷，并且在這部分產(chǎn)生過(guò)大力的危險(xiǎn)。利用時(shí)間切片方法，當(dāng)機(jī)器人識(shí)別出危險(xiǎn)時(shí)，可以不受影響地中斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這意味著這個(gè)系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)視操作員和機(jī)器人的危險(xiǎn)。6 結(jié)論(1)開(kāi)發(fā)了由機(jī)械手、移動(dòng)單元和視覺(jué)傳感器組成的由圖像信息控制的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。(2)我們開(kāi)發(fā)了一種視覺(jué)跟蹤方法來(lái)校正運(yùn)動(dòng)方向，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，精度高。(3)我們開(kāi)發(fā)了移動(dòng)機(jī)器人與操作員之間的接口系統(tǒng)。該界面可以觀(guān)察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的各個(gè)任務(wù)，并利用真實(shí)的狀態(tài)信息顯示圖形運(yùn)動(dòng)。我們?cè)囍鴻z查該系統(tǒng)的功能，操作簡(jiǎn)單，操作方便，同時(shí)也證實(shí)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(dòng)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(duì)本項(xiàng)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)” ，第二屆歐洲先進(jìn)康復(fù)技術(shù)會(huì)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) （第二次報(bào)告） ， 第三屆歐洲先進(jìn)康復(fù)技術(shù)會(huì)議論文集 ，第 179-181頁(yè)（1995 年）