Barbara Siemiątkowska 1 Politechnika Warszawska Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości Bogdan Harasymowicz-Boggio 2 Politechnika Warszawska Robot Kurier prototyp inteligentnego wózka transportowego 1. Wstęp W ostatnich latach obserwujemy wzrost zastosowania autonomicznych robotów mobilnych. Urządzenia te są stosowane nie tylko jako wózki magazynowe (AGV), ale także jako urządzenia usługowe powszechnego użytku np. odkurzacze czy kosiarki. Wiele ośrodków w Polsce zajmuje się robotyką mobilną, ale niestety prowadzone są głównie badania podstawowe i opracowane mechanizmy nie opuszczają laboratoriów. Celem prac prowadzonych w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej jest opracowanie prototypu autonomicznego wózka, który będzie mógł wykonywać w sposób autonomiczny zadania transportowe. Przed przystąpieniem do opracowywania projektu prowadzono konsultacje z pracownikami szpitali, którzy nie tylko potwierdzili potrzebę budowy tego typu urządzeń, ale określili korzyści ich zastosowania. Zarówno w Polsce jak i w pozostałej części Europy obserwujemy niedobór pomocniczego personelu medycznego. Pracownicy Szpitala Wojewódzkiego w Łomży wymienili następujące korzyści płynące z zastosowania robota mobilnego (asystora): Usprawnienie transportu: materiału laboratoryjnego, dokumentacji medycznej, materiału sterylnego, instrumentarium zabiegowego, leków. Oszczędność czasu pracy personelu medycznego (pielęgniarek, położnych), personelu pomocniczego (salowych, sanitariuszy, rejestratorek, sekretarek) związana wykonywaniem czynności pośrednich związanych z logistyką. Zwiększenie czasu pracy właściwego do wykonywania świadczeń pielęgniarskich bezpośrednich na rzecz pacjentów hospitalizowanych. Wykorzystanie asystora, zwłaszcza w porze nocnej w oddziałach szpitalnych oraz w Szpitalnym Oddziale Ratunkowym pozwoli na zwiększenie bezpieczeństwa pacjentów, ponieważ personel nie będzie opuszczał stanowiska pracy. Wykorzystywanie codziennie asystora przez 16 godzin spowodowałoby roczne zredukowanie kosztów transportu o ponad 90000 zł, przyjmując stawkę godzinową personelu w wysokości 16,1 zł. Z obliczeń wynika, że koszt zakupu asystora powinien się zwrócić po roku jego stosowania. Istnieje duża liczba platform przystosowanych do pełnienia konkretnych zadań np. odkurzacze, kosiarki lub roboty oprowadzające wycieczki po muzeum. W Polsce produkcją robotów mobilnych zajmują się firmy PIAP, Mechatronika, Mechatronics, Robotics Inventions. Roboty mobilne obecnie produkowane w kraju zwykle nie są urządzeniami o wysokim stopniu autonomii i nie posiadają systemu planowania trasy i budowy reprezentacji otoczenia. W warunkach przemysłowych stosowane są wózki AGV. W przypadku hal produkcyjnych, kanały przemieszczania się zrobotyzowanych wózków są projektowane i przeznaczone wyłącznie dla takich zastosowań. Część produkowanych w krajach Europy Zachodniej asystorów jest wzorowana na 1 Prof. nzw. dr hab., B. Siemiątkowska, pracownik naukowy, Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki oraz Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości, Łomża. 2 Mgr inż. B. Harasymowicz-Boggio, doktorant, Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki. Projekt częściowo finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu nr 2011/01/B/ST6/07385. 4084
wózkach AGV. Np. asytor firmy E&K Automation porusza się po trasach wyznaczonych przez ścieżki indukcyjne zamontowane w podłodze i podobnie jak wózki AGV zatrzymuje się w przypadku pojawienia się nieoczekiwanej przeszkody. Inne urządzenie robot Homer umżliwiające holowanie różnego rodzaju pojemników, zostało zaprojektowane w celu znajdowania różnego rodzaju elementów wyposażenia szpitala. Określenie położenia odbywa się na podstawie etykiet RFID. Inne tego typu urządzenie, stworzone przez Egemin Automation, posiada chwytak do przenoszenia pojemników oraz podstawowy system planowania działań. Swisslog [13] jest systemem umożliwiającym transport pojemników. Zaletą rozwiązania jest to, że może przewozić wiele klasycznie stosowanych pojemników, wadą to, że nie może przewozić drobnych elementów np. lekarstw, jedzenia itd. Hospi [15] jest systemem, który umożliwia automatyczne przewożenie próbek krwi; SpeciMinder [3, 12] używany w szpitalach w USA, określa swoje położenie na podstawie sztucznych znaczników i automatycznie wraca do stacji dokującej, lecz nie posiada systemu planowania zadań. Mimo istnienia wymienionych powyżej oraz innych asystorów komercyjnych, prowadzone są badania naukowe nad opracowaniem nowych, lepszych rozwiązań. Do tego typu badań należą prace nad robotem FIRST [14]. System składa się z systemu nadrzędnego planowania i szeregowania zadań, planowania trasy i nadzoru oraz części wykonawczych tzn. robotów, które nawigują w środowisku. Inne rozwiązanie (robot i-merc) [13] zostało opracowane na politechnice w Lizbonie. Robot przewozi posiłki z kuchni do sali pacjentów. W pracach prowadzonych w Instytucie Automatyki i Robotyki skoncentrowaliśmy się na budowie urządzenia, które będzie stosunkowo tanie, ale jednocześnie będzie spełniało wymagania funkcjonalne stawiane wózkom transportowym wykorzystywanych wewnątrz pomieszczeń i pracujących wśród ludzi. Opracowywany robot ma budowę modułową, dzięki której możliwa będzie łatwa zmiana rodzaju przewożonych materiałów oraz będzie zapewniona serwisowalność. Podstawą działania robota jest współpraca systemu nawigacyjnego, układu sensorycznego oraz systemu planowania i wykonywania akcji (np. otwierania drzwi, przywołania windy). Istnieje wiele możliwych rozwiązań dla układu sensorycznego robota [11]. Podstawowym układem jest układ wykrywający bezpośredni kontakt z przeszkodą. Jest to zabezpieczenie wzorowane na przemysłowych wózkach transportowych. Metoda kontaktowa jest niewystarczająca w środowisku w którym znajdują się ludzie. Kolejną grupę stanowią sensory ultradźwiękowe. Dokładność tych sensorów jest ograniczona i silnie zależy od kąta padania fali i rodzaju powierzchni. Skaner laserowy inny rodzaj sensora pozwala na wskazanie dokładnego położenia obiektów w otoczeniu robota. Typowy zakres kątowy wiązki przemiatającej otoczenie wynosi 180 270 stopni. Dużą zaletą skanera jest jego zwarta budowa, przemysłowy standard, odporność na zmiany warunków oświetlenia, wilgotności oraz duża szybkość i precyzja działania. Innym popularnym sensorem jest kamera. Niestety analiza obrazu w większości przypadków wymaga stosowania czasochłonnych algorytmów i jest w dużym stopniu uzależniona od warunków oświetlenia. Stosunkowo nowymi układami sensorycznymi są kamery RGB-D. Kamery te, oprócz obrazu, dostarczają informacje o położeniu przeszkód (trójwymiarową chmurę punktów). 2. Budowa i percepcja robota Konstrukcja robota Kuriera jest oparta na trójkołowej platformie mobilnej o napędzie różnicowym. Wyposażony został w wiele sensorów: między innymi skaner laserowy (lidar), dwie kamery kolorowe, zestaw sonarów, zestaw dalmierzy pracujących w podczerwieni, sensor RGB-D Kinect oraz wysokościomierz. Robot posiada główny komputer pokładowy, który realizuje zadania niskiego poziomu (wypracowywanie sygnałów do napędów, odczyt danych sensorycznych), a także dodatkowy komputer przenośny o wyższej mocy obliczeniowej do realizacji bardziej złożonych zadań, takich jak lokalizacja, planowanie trasy i przetwarzanie obrazu z kamer. 4085
Rys. 1. Główne sensory robota Kuriera, umożliwiające nawigację. Na podstawie obrazu z kamery trójwymiarowej (sensora Kinect) możliwe jest rozpoznanie obiektów istotnych z punktu widzenia wykonywanej przez robota pracy. Do tego celu wykorzystywany jest system wizyjny opracowany przez autorów, opisany w [6]. Rys. 2. Przykładowy wynik rozpoznawania elementów otoczenia. Istotne z punktu widzenia zadań robota elementy są nanoszone na mapę semantyczną. 3. Planowanie i nawigacja Oprogramowanie robota realizuje także zadania systemu nawigacyjnego. Dzięki semantycznemu rozumieniu otoczenia, zadania robota mogą być określane przez operatora w języku naturalnym np. jedź do sali nr. 5, przywieź wyniki badań laboratoryjnych, itp. Opisywane w literaturze [5, 10] systemy nawigacyjne wózków usługowych (robotów mobilnych) składają się z czterech podstawowych elementów: 4086
budowa reprezentacji otoczenia, planowanie trasy, określenie położenia robota, realizacja trasy. Na podstawie istniejącej dokumentacji budynku tworzone są dwie mapy: topologiczna i metryczna. Mapa topologiczna przedstawia układ pomieszczeń i połączeń między nimi. Na mapie topologicznej dla każdego pomieszczenia jest dodatkowo przechowywana lista obiektów, które znajdują się w pomieszczeniu i mogą być elementami docelowymi np. sterylizatory, lodówki itp. oraz drzwi i windy. Na mapie metrycznej zapisana jest informacja o wymiarach stałych elementów, takich jak ściany i drzwi. Zaznaczone są również współrzędne (stałe lub tymczasowe) elementów istotnych z punktu widzenia wykonywanej pracy. Planowanie trasy odbywa się na dwóch poziomach. Na początku ogólna trasa jest planowana na mapie topologicznej jako ciąg pomieszczeń oraz drzwi i wind przez które ma przejechać robot. Następnie, na niższym poziomie, zastosowane są metody planowania dokładnej trasy między poszczególnymi węzłami. W czasie realizacji trasy muszą być określone dopuszczalne prędkości robota, które zależą od konfiguracji przeszkód statycznych i dynamicznych. Robot jest również zdolny do przewidywania trajektorii ruchomych przeszkód i do planowania swojej trasy tak, aby się do tych obiektów dostosować (rys. 3). Rys. 3. Lokalne planowanie trasy z przeszkodami dynamicznymi i statycznymi. Robot, którego trasę oznaczono kolorem niebieskim, napotyka wózek wolno poruszający się w tym samym kierunku. W związku z tym przeplanowuje trasę tak, by go wyprzedzić inną drogą. Ponieważ ingerencja w system sterowania windy przeznaczonej dla ludzi wiąże się z dużym kosztem i długotrwałą procedurą wdrożenia, w opisywanym projekcie, w odróżnieniu od innych znanych nam wózków medycznych, nie przewidujemy ingerencji w konstrukcję windy. W tym celu zaimplementowane zostaną specjalne akcje przywoływania przez robota windy i wyboru piętra. Akcje te będą wymagały opracowania układu sterującego napędami manipulatora. Robot jest wyposażony w układ wizyjny umożliwiający lokalizację przycisków i wybór poszczególnych pięter. Lokalizacja przycisków odbywa się z wykorzystaniem znacznika pomocniczego, który służy jako układ odniesienia dla posiadanej informacji o położeniu przycisków. Ponadto, na podstawie danych sensorycznych, asystor określa położenie i stan drzwi zamknięte, otwarte. Po otwarciu drzwi windy sprawdza, czy może do niej wjechać bezkolizyjnie. Kolejny etap prac dotyczy stworzenia systemu zdolnego wypracować odpowiednią sekwencję rozłożonych w czasie rozkazów do układu sterującego napędami kół robota oraz układu sterującego napędami manipulatora, który będzie prowadził do skutecznego wciśnięcia przycisków. 4087
4. Podsumowanie W pracy zostało zaproponowane wykorzystanie robota Kuriera jako mobilnego asystora realizującego zadania transportowe w szpitalu. Wprowadzenie robota usługowego jest uzasadnione ekonomicznie i możliwe technicznie. Zostały opisane wybrane aspekty budowy robota, układu sensorycznego oraz oprogramowania, które są kluczowe w umożliwieniu wykonywania użytecznej pracy w dużym budynku. Dzięki modułom lokalizacji, rozpoznawania obiektów oraz inteligentnego planowania trasy, robot jest w stanie odnaleźć i transportować różnego rodzaju przedmioty (także między piętrami), nie utrudniając przy tym ruchu ludziom lub wózkom transportowym. Streszczenie Celem pracy jest przedstawienie prototypu inteligentnego wózka transportowego. Urządzenie zostało zaprojektowane na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, ale możliwości jego zastosowania były konsultowane z pracownikami Wojewódzkiego Szpitala w Łomży i pracownikami Instytutu Medycznego PWSIP. W artykule została zaprezentowana budowa urządzenia, oprogramowanie oraz wybrane wyniki eksperymentów ilustrujące jego działanie. Courier robot the prototype of an intelligent transport cart Abstract The aim of this work is to present the prototype of an intelligent transport cart. The device has been created in faculty of Mechatronics of the Warsaw University of Technology. The possibility of its application has been consulted with the employees of the State Hospital of Łomża and the Medical Institute PWSIP. The article presents the hardware and software features of the robot and the selected experimental results which illustrate its functionality. 5. Literatura [1] Aethon. Tug - the automated system for transporting and tracking hospital goods [online]. : http://www.aethon. com accessed 6 October 2008], 2006. [2] J. Borenstein, Y. Koren, The Vector Field Histogram Fast Obstacle-Avoidance for Mobile Robots, IEEE 13. Journal of Robotics and Automation, vol. 7, 1991, str. 278-288. [3] F. Carreira, T. Canas, A. Silva, and C. Cardeira. I-merc: A mobile robot to deliver meals inside health, Proceedings of 2006 IEEE/RAM, 2006. [4] J. M. Evans. Helpmate: An autonomous mobile robot courier for hospitals. Proceedings IROS, str. 1695-1700, 1994. [5] D. Fox and W. Burgard, F. Deallaert, S. Thurn, Monte-Carlo localization: Efficient position estimation for mobile robots, National Conference on Artifficial Inteligence, 1999. [6] B. Harasymowicz-Boggio, B. Siemitkowska. Object classification with metric and semantic inference. In: Mobile Robots (ECMR), 2013 European Conference on. Proceedings, str. 186 191, 2013. [7] C. Kwok, D. Fox, M. Meila, Adaptive Real-time Particle Filters, ICRA, 2003. [8] P. Ogren, N. E. Leonard, A convergent dynamic window approach to obstacle avoidance, IEEE Trans. Robot,vol. 21, str. 188 195, 2005. [9] F. Sandt and L.-H. Pampaganin. Perception for a transport robot in public environments. IEEE, 1997. [10] B. Siemiątkowska, Nawigacja robotów mobilnych, skrypt, PW, 2012. 4088
[11] B. Siemiątkowska, A. Borkowski, R. Chojecki, M. Gnatowski, M. Mokrzycki, J. Szklarski, Reprezentacja otoczenia robota mobilnego, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2011. [12] SpeciMinder. Ccs robotics - pioneers of autonomous mobile robot solutions[online]. Available from: http://www. speciminder.com. [13] Swisslog. Integrated logistics solutions for warehouses, distribution centers and hospitals [online]. [14] M. E. Works. Automatic robotic blood sample courier system[online]. Available from http://www.mew.co.jp/e/ corp/news/2006/0610-01.htm [15] http://www.swisslog.com/ [accessed 5 October 2008], 2008. 4089