CADEIRA DE RODAS INTELIGENTE - web.fe.up.pteol/SSIIM/1011/Aula_CRI_SSIIM_v00.pdf · navegação, planeamento inteligente com o paradigma de multi-agentes para resolver problemas associados

CADEIRA DE RODAS INTELIGENTEIntelligent Wheelchairs

Nome: Rodrigo Antonio Marques Braga

Orientadores:

Luís Paulo Reis – FEUP/ LIACC

António Paulo Moreira – FEUP/ ISR - P

NIAD&R - Distributed Artificial Intelligence & Robotics Group

Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação

Seminário de Sistemas Inteligentes, Interacção e Multimédia

SUM

ÁRIO

Introdução

Estado da Arte

Plataforma

Simulador

Arquitectura SMA

Planeamento

3

8

12

17

21

24

2

Interface Multimodal 29

Conclusões 33

INTRODUÇÃO• Motivação

Aumento na faixa etária da populaçãoIncremento na taxa de idosos

Nos últimos 20 anos dobraram a quantidade de idosos em Portugal (fonte: noticiário SIC -19/10/2006)

Auxiliar indivíduos com deficiências motoras severas

Indivíduos com paralisia cerebralIndivíduos tetraplégicos

5 milhões de indivíduos nos EUA possuem limitações fisicas[22]

3Rodrigo Antonio Marques Braga

SUM

ÁRIO

IntroduçãoEstado da ArtePlataformaSimuladorArquitecturacontinuação…………..

38

121721….

Índice de envelhecimento da população no Estado de São Paulo e no Brasil(1970-2000).

1970 1980 1991 2000São Paulo 16,6 19,3 25,1 34,2Brasil 12,6 16,1 21,0 28,9Fonte: Censo Demográfico IBGE (1970, 1980, 1991 e 2000).

INTRO

DU

ÇÃO

Continuação...


Interesse dos clínicos nos serviços que uma CRI pode oferecer (6):

9 a 10% 9 a 10% dosdos pacientes pacientes que recebem treino para o uso das cadeiras de rodas motorizadas frequentemente encontram encontram grandegrande dificuldade dificuldade ououimpossibilidadeimpossibilidade de usar este equipamento no ADQ

Quando perguntado especificamente sobre pilotar ou a tarefa de manobrar, 40% 40% dosdos pacientespacientes relatam dificuldade dificuldade ouou impossibilidadeimpossibilidade

85% 85% dosdos clínicos clínicos entrevistados relataram que atendem atendem algunsalguns pacientes/ pacientes/ anosanos quem nãonão pode pode usarusar uma uma cadeiracadeira de rodas motorizada porque falta a falta a habilidadehabilidade motora, motora, forçaforça, , ouou precisão precisão visualvisual. . 32% 32% (27% 27% de todos os entrevistados) relataram: nºnº dos não dos não podem=podem= Nº Nº dosdospodempodem

±± 1/2 dos pacientes 1/2 dos pacientes incapazes incapazes de controlar uma cadeira de rodas motorizada por métodos convencionais, poderiampoderiam beneficiarbeneficiar--se se dede um um sistemasistema de de navegaçãonavegação automatizadoautomatizado

INTRO

DU

ÇÃO

Continuação...

Hipótese:Cadeira de rodas inteligente (CRI):

• Capaz de tornar mais prático e seguro odeslocamentos de pessoas que possuam dificuldadesmotoras (idosos e pessoas portadoras de deficiênciafísica)

Definição:CRI é um robô autônomo que possuem algumas funçõescomo o comportamento [32]:

• autónomo com desvio de obstáculo• cooperativo entre um grupo de CRI• colaborativo entre usuário e outros sistemas


Características desejáveis para as cadeiras de rodas inteligentes: Sistema Sensorial e de Actuação

Cadeira motorizada

Metodologias para criação trajectórias

Metodologias de Localização, Visão e Navegação

Modos de operação (Automático, Controlo compartilhado)

Planeamento inteligente

Sistema Multi-Agente (cooperativo, colaborativo)

INTRO

DU

ÇÃO

Continuação.....


INTRO

DU

ÇÃO

Continuação.....

Investigar e desenvolver novas metodologias de navegação, planeamento inteligente com o paradigma de multi-agentes para resolver problemas associados as cadeiras de rodas inteligentes

O trabalho deverá centrar-se no desenvolvimento de uma plataforma de desenvolvimento que permita desenvolver o controle semi-automático de acções de uma cadeira de rodas inteligente, simulação e aplicação numa cadeira de rodas real para testar e validar as metodologias

• Objectivos (Intellwheels – Projecto LIACC)


Estado da Arte

Nos últimos anos, muitas cadeiras de rodas inteligentes têmsido desenvolvidas (em 2006 mais de 30 publicações na IEEErelacionadas as CRI)

O primeiro projecto conceito de uma cadeira de rodasautónoma para deficiente físicos foi proposto por Madarasz em [6]

Hoyer e Holper [5] apresentaram uma arquitectura de umcontrole modular para uma cadeira de rodas omni-direcional

NavChair é descrita em [1] e suas funções características dedesvio de obstáculos, seguir paredes e passar por portas


SUM

ÁRIO

IntroduçãoEstado da Arte PlataformaSimuladorArquitecturacontinuação…………..

38

121721….

Estado da Arte

Cadeira de Rodas Inteligentes

Miller e Slak [8] projectaram o sistema Tin Man I (com três modosde operação):

• Humano a dirigir com desvio automático de obstáculo• mover-se ao longo de uma trajetória• mover para (x,y)

Funções ampliadas no Tin Man II:• Armazenar informações de viagens• retornar ao ponto de partida• seguir parede• passar por portas• ir para recarga de bateria

Wellman [15] propôs uma cadeira de rodas híbrida que éequipada com duas pernas adicionais a suas quatro rodas, parapermitir a mesma subir degraus e mover-se em terrenosacidentados.

FRIEND é um robô para reabilitação que consiste em uma cadeirade rodas motorizada e um MANUS manipulador [2]. Ambos,veiculo e manipulador são controlados por comandos de voz

9


Estado da Arte

Cadeira de Rodas Inteligentes

Alguns projectos apresentam uma solução para pessoastetraplégicas, onde é utilizado o reconhecimento das expressõesfaciais para guiar a cadeira de rodas [33]

Uma outra forma para controlar as CRI apresentada porinvestigadores é com o pensamento, esta tecnologia utilizasensores que captam as ondas electromagnéticas do cérebro[22][25]

ACCoMo[31] protótipo de uma cadeira de rodas inteligente parapermitir a movimentação segura em ambientes fechados para osdeficientes físicos. ACCoMo é um agente com comportamentoautónomo, cooperativo e colaborativo

Resumo das Principais CRI

Principais projectos de CRI apresentados no meio científico (30).

Cadeiras de rodas “inteligentes” comerciaisCadeiras de rodas “conceito”

Plataforma IntellWheels


Desenvolvida usando o paradigma de sistemas Multi-agentes

Flexibilidade, conceito modulariedade

Fácil integração de distintos sensores, actuadores

Integração com múltiplos dispositivos de interface com o utilizador

Estudo de novas metodologia de navegação, técnicas de planeamento automático

Metodologias de cooperação e colaboração

Kit para integrar em cadeiras de rodas motorizadas comercial com poucas modificações buscando manter o aspecto original da cadeira.

SUM

ÁRIO

IntroduçãoEstado da ArtePlataformaSimuladorArquitecturacontinuação…………..

38

121721….

Conceito de ModularidadeP

LATA

FORM

ASistema Modular

Rodrigo Antonio Marques Braga 13

PLA

TAFO

RMA

Conceito dos modos de funcionamento


Modos de operação

PLA

TAFO

RMA

Hardware


Hardware padrão

Hardware

PLA

TAFO

RMA

Controlo


Controlo

-Controlo Multi-camadas

-Distribuído

-Cooperativo

-Colaborativo

SIMULADOR


Objectivo é criar um mundo virtual para testar os algoritmos das cadeiras de rodas inteligente

Simulador baseado no simulador Ciber-Rato da Universidade de Aveiro

Criar modelo realístico de uma cadeira de rodas

Permitir diferentes tamanhos de CRI

Visualização em primeira pessoa

Realidade aumentada

Representação dos mapas

Simulação dos sensores de uma CRI


Simulador

SUM

ÁRIO

…. anteriorSimuladorArquitecturaPlaneamentoInterfaceConclusões

…1721242933

SIM

ULA

DO

RArquitectura do simulador


Sim

ulat

ion

Serv

er

SIM

ULA

DO

RModificações no Ciber-Rato


SIM

ULA

DO

RFilme Simulador


Arquitectura SMA


Esta arquitectura SMA foi desenvolvida objectivando facilitar e flexibilizaro uso dos diversos módulos projectados para CRI. Comunicação entre agentes Cooperação Colaboração

SUM

ÁRIO


…1721242933

ARQ

UITECTU

RASM

APlataforma de Comunicação


ARQ

UITECTU

RASM

ASMA


Planeamento Inteligente


O problema é encontrar de forma automática a sequências de acçõestipicamente executadas por agentes inteligentes, robôs autónomos ouveículos autónomos.

Um planeador típico recebe três entradas: estado inicial do mundo uma descrição do objectivo um conjunto de acções possíveis (e respectivas pré-condições eefeitos no mundo).

Em domínios mais realistas é necessário decompor o plano, surgindo oplaneamento hierárquico em que uma dada tarefa ou pode ser realizadapor uma acção primitiva ou é decomposta num conjunto de tarefas de maisbaixo nível.

SUM

ÁRIO


…1721242933

Características desejáveis: Eficiência – conduzir para uma solução satisfatória.Desempenho – não perder tempo em buscas e tentativas frustradas.

O STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver) marca o início do estudo de planeamento automático a partir da ideia dos operadores ADD-DEL-PRE.

PLA

NEA

MEN

TOPlaneamento automático


PLA

NEA

MEN

TOPlaneador STRIPS


GET(O):Pre: EMPTY & CLEAR(O) & NEAR(O)Add: HOLDS(O)Del: EMPTY & CLEAR(O)

PUT(O):Pre: HOLDS(O) & NEAR(P) & CLEAR(P)Add: ON(O,P) & EMPTYDel: HOLDS(O) & CLEAR(P)

MOVE(P1, P2):Pre: NEAR(P1) & CLEAR(P2)Add: NEAR(P2)Del: NEAR(P1)

PLANEAR(G):S <- S0Enquanto G não estiver satisfeito em S fazer

g <- sub-objectivo de G ainda não satisfeito em Sf <- operador cuja Add-list tenha um literal unificável com gp <- pre-condições de fPLANEAR(p)S <- resultado da aplicação de f a S

PLA

NEA

MEN

TOGraphplan


Planeamento com grafos (Planning-graph) – Técnica que utiliza estruturaspoderosas de alcançabilidade para organizar e restringir o espaço de busca.

PLA

NEA

MEN

TOPDDL


PDDL (Planning Domain Description Language),• linguagem de descrição de domínios • definir um modelo comum para que os planejadores pudessem ser comparados entre si.• possível medir o desempenho de um planejador, • estabelecidos critérios e escolhidos problemas exigentes para a realização de uma competição de planejadores automáticos, a AIPS (Artificial IntelligencePlanning Systems) e o IPC (International Planning Competition) em 1998

;; IntellWheels Domain: domain3_IWC ;; Authors: Rodrigo Braga 11-12-2008

(define (domain I_WChair)(:requirements :strips :typing)(:types patient place wchair)(:predicates (clear ?ch - wchair)

(on-chair ?pt - patient ?ch - wchair)(at ?c - wchair ?p - place)(on ?pt - patient ?p - place)(free ?pt - patient) )

(:action move:parameters (?ch - wchair ?p1 - place ?p2 - place):precondition (and (clear ?ch ) (at ?ch ?p1)):effect (and (not (at ?ch ?p1))

(at ?ch ?p2)))

;; IntellWheels Domain: domain2_IWC ;; Authors: Rodrigo Braga 29-01-2009(define (problem I_WChair2-p1)(:domain I_WChair)(:objects ch1 – wchairpt1 - patientpt2 - patientr1 - placer2 - placer6 - place)(:init (at ch1 r1)

(clear ch1)(on pt1 r2)(free pt1) )

(:goal (and (on pt1 r6)(free pt1) )

))

Interface Multimodal


Modo gráfico

• Informações sobre as acções e modulo de inputs

• Possibilidade de definir a sequencia de inputs para cada acção Usabilidade • Facil de usar• adaptabilidade para distintos utilizadores• segurança

Acessibilidade• Intuitivo • Simples

SUM

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…1721242933

Multimodal interface

Multimodal interfaceM

MI –

INTERA

CTION

30

• Components

Actions and inputs list

Configuration menu

Textual Information of selected action

Graphics information of introduction sequences

Sequence list Sequence configuration menu

Graphics itens

Multimodal interface - Inputs UsedM

MI –

INPU

TS

31

• Modulos de Inputs

Joystick Movimento da cabeça Voz

Inputs utilizado inicialmente:

Esses inputs permitem diferentes sequencias para cada output (acção)

RESU

LTAD

OS

PRELIM

INA

RESPublicações referentes a tese


1 - Braga, R. A. M. ; Faria, P. M. ; Valgôde E. ; Reis L. P. . Platform to Drive an Intelligent Wheelchair using Facial Expressions. In: Proceedings 9th International Conference on Enterprise Information Systems - Human-ComputerInteraction (ICEIS 2007), 2007, Funchal Madeira. Proceedings 9th International Conference on EnterpriseInformation Systems - Human-Computer Interaction (ICEIS 2007), 2007. p. 164-169.

2 - Braga, R. A. M. ; Faria, P. M. ; Valgôde E. ; Reis L. P. . Interface Framework to Drive an Intelligent WheelchairUsing Facial Expressions. In: IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2007, Vigo. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2007. p. 1791-1796.

3 - Rodrigo A. M. Braga, Rosaldo J. F. Rossetti, Luis Paulo Reis, Eugénio C. Oliveira (2008). “Applying multi-agentsystems to simulate dynamic control in flexible manufacturing scenarios”, in Agent-Based Modeling and SimulationSymposium, 19th European Meeting on Cybernetics and Systems Research. Vienna, March 25-28, 2008. Trappl, R. (Ed.) Cybernetics and Systems. Vienna: Austrian Society for Cybernetic Studies. v.2, pp.488-493

4 - Braga, A.M.R., Petry, M.R., Moreira, A.P., Reis, L.P. (2008)."Intellwheels: A Development PlatForm for intelligentwheelchairs for disabled people". 5th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. ISBN: 978-989-8111-31-9.Vol I. pp.115-121. Funchal, Madeira, Portugal. May 11–15,2008.

5 - Braga, A.M.R., Petry, M.R., Reis, L.P, Oliveira, E. (2008)."Multi-Level Control of an Intelligent Wheelchair in a Hospital Environment using a Cyber-Mouse Simulation System". 5th International Conference on Informatics inControl, Automation and Robotics. ISBN: 978-989-8111-31-9. Vol II. pp.179-182.Funchal, Madeira, Portugal. May11–15, 2008.

6 - Braga, A.M.R., Petry, M.R., Moreira, A.P., Reis, L.P. (2008)."PLATFORM FOR INTELLIGENT WHEELCHAIRSUSING MULTI-LEVEL CONTROL AND PROBABILISTIC MOTION MODEL". 8th Portuguese Conference onAutomatic Control, Controlo 2008, pp.833-838, Vila Real, Portugal. July 21–23,2008.ISBN 978-972-669-877-7

7 - Braga, A.M.R., Petry, M.R., Reis, L.P, Oliveira, E. (2008).”Concept and design of the Intellwheels development platform for intelligent wheelchairs” Lecture Notes in Electrical Engineering" (LNEE) published bySpringer-Verlag, 2008.

Contribuição

Contribuir em novas metodologias e técnicas que possam trazer às CRI: Capacidades de planeamento inteligente de acções Navegação autónoma Mecanismos que permitam realizar de forma semi-autónoma a execução dos desejos dos seus utilizadores expressados por linguagem de comando de alto-nível Comportamento cooperativo entre um grupo de CRI Colaborativo entre utilizador e outros sistemas inteligentes, etc.

Enfrentar os desafios relacionados a sistemas multi-agentes e planeamento: Representação e geração de planos Alocação de tarefas Coordenação Comunicação

Para além das metodologias espera-se ter como resultados:Plataforma de desenvolvimento de CRI

Simulador Testar as metodologias Facilitar o desenvolvimento de novos algoritmos/técnicas/metodologias

Protótipo real de uma CRI33Rodrigo Antonio Marques Braga

SUM

ÁRIO


…1721242933

CONCLUSÕES


CRIs podem contribuir na mobilidade e independênciade pessoas com limitações motoras.

Diversas abordagens têm sido propostas para resolveros problemas de mobilidade.

Novas metodologias e novos sensores têm permitido umdeslocamento mais robusto e confiável.

Os conceitos aplicados em CRIs têm sido utilizadostambém em outras aplicações.

Referências

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SUM

ÁRIO

IntroduçãoEstado da ArteMetodologiaCronogramaResultados PreliminaresReferências

38

13141517


1/9/2007


REFERÊN

CIAS

Continuação.....

[18] Schilling, K. and Roth, H. (1998). Convoy Driving and Obstacle Avoidance Systems for Electrical Wheelchairs. In: Wang, P. P. (Ed.): Proc. of the Fourth Joint Conference on Information Systems. Association for Intelligent Machinery. 353-356. [19] Simpson, R. et al. (1998). NavChair: An Assistive Wheelchair Navigation System with Automatic Adaptation. In: Mittal et al. (Eds.): Assistive Technology and AI. LNAI 1458. Springer-Verlag. 235-255.[20] Katevas et al. (1997). The Autonomous Mobile Robot SENARIO: A Sensor-Aided Intelligent Navigation System for Powered Wheelchairs. IEEE Robotics & Automation Magazine. Vol. 4. No. 4. 60-70.[21] (1) Brad E. Dicianno; Donald M. Spaeth; Rory A. Cooper; Shirley G. Fitzgerald; Michael L. Boninger; Karl W. Brown: Force Control Strategies While Driving Electric Powered Wheelchairs With Isometric and Movement-Sensing Joysticks. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on [see also IEEE Trans. on Rehabilitation Engineering, Volume 15, Issue 1, March 2007 Page(s):144 - 150

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