12/11/2021
Door Ad Spijkers
Duitse onderzoekers hebben nieuwe veiligheidstechnologieën en herkenningsalgoritmen voor servicerobots ontwikkeld.
De veiligheid van een toepassing met servicerobots is onontbeerlijk en soms nog een uitdaging. In tegenstelling tot industriële robots bewegen mobiele servicerobots zich in dynamische omgevingen en vaak tussen mensen die er niet mee vertrouwd zijn. In de omgeving van de intramurale zorg kunnen zij ook mensen tegenkomen die bijzondere bescherming nodig hebben.
Het S³-onderzoeksproject heeft daarom technologieën ontwikkeld die de waarneming van voorwerpen en de omgeving, alsmede de hanteerbaarheid van servicerobots verbeteren, met speciale aandacht voor functionele veiligheid. Het onlangs beëindigde project werd samen met projectpartners uitgevoerd door onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Produktionsautomatisierung in Stuttgart. Ze hebben die met succes getest op de servicerobot Care-O-bot 4 in een voorbeeldtoepassing in een verpleeghuis.
Veilig opsporen en vastgrijpen
De verdere ontwikkeling van geschikte softwaretechnologieën voor de detectie van de omgeving, het veilig vastgrijpen van voorwerpen en de integratie daarvan in de Care-O-bot 4 vormden het zwaartepunt van de werkzaamheden aan Fraunhofer-IPA. Daartoe werd op de robot een combinatie van radarsensor en camera's gebruikt.
De radarsensor stelt de robot in staat mensen betrouwbaar te detecteren. De cameragegevens worden met behulp van methoden voor machine learning geëvalueerd om vast te leggen wat een herkende persoon op dat moment aan het doen is. Door de lichaamshouding te bepalen op basis van de gewrichtsposities, kan de software acties toewijzen zoals lopen of reiken. Hierdoor kan de servicerobot zijn gedrag aanpassen aan zijn menselijke tegenhanger, zodat alles veilig verloopt.
Verdere verbeteringen
Bovendien verbeterden de IPA-onderzoekers het inzicht van de robot in zijn omgeving. Eerdere algoritmen hadden problemen met het identificeren en lokaliseren van transparante objecten in de ruimte met commercieel beschikbare 3D-camera's. De nieuw ontwikkelde algoritmen zijn daar nu toe in staat. Neurale netwerken helpen de robot om bijvoorbeeld waterflessen beter te detecteren en hun exacte houding te bepalen.
De basis hiervoor was een testscenario waarbij de robot lege waterflessen vervangt door volle in een verzorgingstehuis. Op commando rijdt de robot naar de kamer van een gewenste bewoner, herkent daar de fles die hij zoekt, pakt hem en brengt hem naar de keuken van het woongedeelte. Dankzij een geavanceerd omgevingsmodel 'weet' de robot waar tafels staan, zodat hij gericht kan zoeken naar flessen in de kamers van de bewoners.
Ook veilig vastpakken werd in het project verder ontwikkeld. Om obstakels te vermijden, hebben IPA-deskundigen software ontwikkeld die de armbewegingen dynamisch aanpast aan de geregistreerde omgevingsgegevens. Als bijvoorbeeld een bewoner van een verzorgingstehuis spontaan naar een glas reikt terwijl de robot de fles water ernaast wil pakken, plant hij zijn beweging snel opnieuw in.
Praktijktests
De IPA-onderzoekers hebben het hierboven beschreven testscenario met alle genoemde technologieën getest in een verpleeghuis van de Bruderhaus Diakonie. Daartoe kreeg de Care-O-bot 4 nieuwe armen, speciaal voor collaboratief gebruik. Ze hebben een speciale voering en kunnen automatisch stoppen als ze worden aangeraakt. Een nieuwe draai- en kantelbare hoofdeenheid zorgt voor een veilig zicht rondom.
De robot is tijdens de tests twee weken in gebruik geweest en heeft herhaaldelijk drankflessen uit de kamers van de bewoners gehaald en naar de keuken van de afdeling gebracht. Daar vulde het personeel ze, waarna de robot de volle flessen terugbracht. De praktische tests zijn uiterst waardevol voor de onderzoekers. Ze leren daar dingen die onder laboratoriumomstandigheden geen rol spelen, maar voor daadwerkelijk gebruik heel belangrijk zijn.
Tijdens de tests beoordeelden de IPA-onderzoekers de afzonderlijke technische onderdelen onder meer op hun betrouwbaarheid. De nieuw ontwikkelde hardware- en softwaremodules speelden goed samen in een reële omgeving. Uit een gedetailleerde statistische evaluatie blijkt dat de verschillende softwaremodules en de daaraan gekoppelde functies van de robot nu al zeer betrouwbaar zijn. De robot vond zijn weg goed in de deels kronkelige gangen van de zorginstelling. Als iemand het naderde, wachtte het indien nodig op een veilige afstand. Hij herkende de drankflessen in de meeste gevallen betrouwbaar en greep ze vervolgens vast zonder te botsen.
Eén moeilijkheid kon worden geconstateerd bij het hervullen van de flessen met gekoeld water. Er ontstond condensatie, zodat de grijper de fles niet langer kon vasthouden. In sommige gevallen moesten testritten worden stopgezet omdat het personeel anders gehinderd zou worden, bijvoorbeeld wanneer de robot smalle gangpaden blokkeerde.
Zorgpersoneel
Behalve de technische evaluatie voerden de IPA-onderzoekers ook een enquête uit onder het zorgpersoneel om de praktische toegevoegde waarde en de behoefte aan verbetering van het gebruik van de robot vast te stellen. Het verplegend personeel ervoer de robot als veilig en was er niet bang voor. Zij wensten echter dat de robot zijn taken sneller zou volbrengen.
Voor gebruik op lange termijn moet de robot over uitgebreidere interactiemogelijkheden beschikken, bijvoorbeeld door feedback te geven over zijn huidige toestand en geplande activiteiten door middel van gezichtsuitdrukkingen of spraak. Bovendien zou het verplegend personeel graag zien dat de robot kleiner en wendbaarder is.
Het project was van groot belang voor de IPA-onderzoekers. Ze hebben bijna al hun vaardigheden en technologieën die ze in de groep 'Huishoudelijke en ondersteunende robotica' hebben ontwikkeld, kunnen samenbrengen. De projectwerkzaamheden hebben zowel de afzonderlijke componenten als het toepassingsscenario als geheel aanzienlijk vooruitgeholpen - vooral vanuit een veiligheidsperspectief.
De beschreven softwarecomponenten zijn beschikbaar voor nieuwe toepassingen of klantspecifieke verdere ontwikkelingen.
Foto: Florenz Graf, Fraunhofer IPA