Develop the socially human-aware navigation system using dynamic window approach and optimize cost function for autonomous medical robot
Creators
- 1. Ho Chi Minh City University of Technology
- 2. Ho Chi Minh City University of Transport
- 3. Vietnam National University Ho Chi Minh City
Description
In previous works, the perceived safety and comfort are currently not the principal objectives of all industries, especially robotics system. It might lead not to take psychological safety into consideration of adjusting robot behavior, hence, the human-robot interaction lacks of ease and naturalness. In this paper, a novel framework of human's zones to ensure safety for social interactions in human-machine system is proposed. In the context of service robot in hospital, machine should not produce any actions that may induce worry, surprise or bother. To maintain the comfortable interaction, an algorithm to update human's state into personal space is developed. Then, a motion model of robot is demonstrated with assumption of the reference path under segmentation. Dynamic Window Approach is employed for motion planning while Optimize Cost function searches the shortest path in a graph. To validate our approach, three test cases (without human-aware framework, with basic model of human's zone and with extended personal space) are carried out in the same context. Moreover, three interactive indicators, for instance collision index (CI), interaction index (CII) and relative velocity of robot (Vr), are analyzed in different situations. Lack of human-aware framework, robot might break all thresholds and meet the potential collisions. While robot with basic model of human's zone in its perception maintains the physically safe thresholds but not socially, it respects whole criterions in both physical constraints and social relations. As a result, our findings are useful for robot's navigation in presence of human while the socially comfortable interaction is guaranteed.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في الأعمال السابقة، لا تمثل السلامة والراحة المتصورة حاليًا الأهداف الرئيسية لجميع الصناعات، وخاصة نظام الروبوتات. قد يؤدي ذلك إلى عدم أخذ السلامة النفسية في الاعتبار لتعديل سلوك الروبوت، وبالتالي، فإن التفاعل بين الإنسان والروبوت يفتقر إلى السهولة والطبيعية. في هذه الورقة، يُقترح إطار جديد لمناطق الإنسان لضمان سلامة التفاعلات الاجتماعية في نظام الإنسان والآلة. في سياق روبوت الخدمة في المستشفى، يجب ألا ينتج عن الماكينة أي إجراءات قد تثير القلق أو المفاجأة أو الإزعاج. للحفاظ على التفاعل المريح، يتم تطوير خوارزمية لتحديث حالة الإنسان في الفضاء الشخصي. بعد ذلك، يتم عرض نموذج الحركة للروبوت مع افتراض المسار المرجعي تحت التجزئة. يتم استخدام نهج النافذة الديناميكية لتخطيط الحركة بينما تبحث وظيفة تحسين التكلفة عن أقصر مسار في الرسم البياني. للتحقق من صحة نهجنا، يتم إجراء ثلاث حالات اختبار (بدون إطار عمل مدرك للإنسان، مع نموذج أساسي لمنطقة الإنسان ومساحة شخصية موسعة) في نفس السياق. علاوة على ذلك، يتم تحليل ثلاثة مؤشرات تفاعلية، على سبيل المثال مؤشر التصادم (CI) ومؤشر التفاعل (CII) والسرعة النسبية للروبوت (Vr)، في مواقف مختلفة. قد يكسر الروبوت جميع العتبات ويواجه التصادمات المحتملة بسبب الافتقار إلى إطار عمل مدرك للبشر. في حين أن الروبوت مع النموذج الأساسي للمنطقة البشرية في تصوره يحافظ على عتبات آمنة جسديا ولكن ليس اجتماعيا، فإنه يحترم معايير كاملة في كل من القيود المادية والعلاقات الاجتماعية. ونتيجة لذلك، فإن النتائج التي توصلنا إليها مفيدة لملاحة الروبوت في وجود الإنسان بينما يتم ضمان التفاعل المريح اجتماعيًا.Translated Description (French)
Dans les travaux antérieurs, la sécurité et le confort perçus ne sont actuellement pas les principaux objectifs de toutes les industries, en particulier le système robotique. Cela pourrait conduire à ne pas prendre en compte la sécurité psychologique lors de l'ajustement du comportement du robot. Par conséquent, l'interaction homme-robot manque de facilité et de naturel. Dans cet article, un nouveau cadre de zones humaines pour assurer la sécurité des interactions sociales dans le système homme-machine est proposé. Dans le contexte du robot de service à l'hôpital, la machine ne doit pas produire d'actions qui pourraient induire de l'inquiétude, de la surprise ou de la gêne. Pour maintenir l'interaction confortable, un algorithme pour mettre à jour l'état de l'homme dans l'espace personnel est développé. Ensuite, un modèle de mouvement du robot est démontré avec l'hypothèse de la trajectoire de référence sous segmentation. L'approche par fenêtre dynamique est utilisée pour la planification des mouvements tandis que la fonction Optimiser les coûts recherche le chemin le plus court dans un graphique. Pour valider notre approche, trois cas de test (sans cadre humain, avec modèle de base de la zone humaine et avec espace personnel étendu) sont réalisés dans le même contexte. De plus, trois indicateurs interactifs, par exemple l'indice de collision (CI), l'indice d'interaction (CII) et la vitesse relative du robot (Vr), sont analysés dans différentes situations. Manque de cadre sensible à l'homme, le robot pourrait franchir tous les seuils et répondre aux collisions potentielles. Alors que le robot avec un modèle de base de la zone humaine dans sa perception maintient les seuils de sécurité physique mais pas socialement, il respecte des critères entiers à la fois dans les contraintes physiques et les relations sociales. En conséquence, nos résultats sont utiles pour la navigation du robot en présence d'un humain tout en garantissant une interaction socialement confortable.Translated Description (Spanish)
En trabajos anteriores, la seguridad y el confort percibidos no son actualmente los principales objetivos de todas las industrias, especialmente del sistema robótico. Podría llevar a no tener en cuenta la seguridad psicológica al ajustar el comportamiento del robot, por lo tanto, la interacción humano-robot carece de facilidad y naturalidad. En este documento, se propone un marco novedoso de zonas humanas para garantizar la seguridad de las interacciones sociales en el sistema hombre-máquina. En el contexto del robot de servicio en el hospital, la máquina no debe producir ninguna acción que pueda inducir preocupación, sorpresa o molestia. Para mantener la interacción cómoda, se desarrolla un algoritmo para actualizar el estado del ser humano en el espacio personal. Luego, se demuestra un modelo de movimiento del robot con la suposición de la ruta de referencia bajo segmentación. Dynamic Window Approach se emplea para la planificación de movimientos, mientras que la función Optimize Cost busca el camino más corto en un gráfico. Para validar nuestro enfoque, se llevan a cabo tres casos de prueba (sin marco humano-consciente, con modelo básico de zona humana y con espacio personal extendido) en el mismo contexto. Además, se analizan tres indicadores interactivos, por ejemplo, el índice de colisión (CI), el índice de interacción (CII) y la velocidad relativa del robot (Vr), en diferentes situaciones. A falta de un marco consciente de las personas, el robot podría romper todos los umbrales y cumplir con las posibles colisiones. Si bien el robot con un modelo básico de la zona humana en su percepción mantiene los umbrales de seguridad física, pero no socialmente, respeta criterios completos tanto en las restricciones físicas como en las relaciones sociales. Como resultado, nuestros hallazgos son útiles para la navegación del robot en presencia de humanos, mientras que la interacción socialmente cómoda está garantizada.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تطوير نظام الملاحة الواعي اجتماعيًا باستخدام نهج النافذة الديناميكية وتحسين وظيفة التكلفة للروبوت الطبي المستقل
- Translated title (French)
- Développer le système de navigation socialement humain en utilisant l'approche de fenêtre dynamique et optimiser la fonction de coût pour le robot médical autonome
- Translated title (Spanish)
- Desarrollar el sistema de navegación socialmente humano utilizando el enfoque de ventana dinámica y optimizar la función de costos para el robot médico autónomo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3112766530
- DOI
- 10.1177/1687814020979430
References
- https://openalex.org/W1963854541
- https://openalex.org/W1977695655
- https://openalex.org/W1979743043
- https://openalex.org/W2004323421
- https://openalex.org/W2017325967
- https://openalex.org/W2046365492
- https://openalex.org/W2050836750
- https://openalex.org/W2117211893
- https://openalex.org/W2122381532
- https://openalex.org/W2162130878
- https://openalex.org/W2167340365
- https://openalex.org/W2202283081
- https://openalex.org/W2296341047
- https://openalex.org/W2462618649
- https://openalex.org/W2482333547
- https://openalex.org/W2755795939
- https://openalex.org/W2805020263
- https://openalex.org/W2911905256
- https://openalex.org/W2991583441
- https://openalex.org/W2997061791
- https://openalex.org/W3008696669
- https://openalex.org/W3034144731
- https://openalex.org/W3138634820
- https://openalex.org/W3139610437
- https://openalex.org/W4232135818
- https://openalex.org/W4236965008
- https://openalex.org/W4240261631
- https://openalex.org/W4315690682
- https://openalex.org/W606806978