Ein Beitrag zur robusten Nutzerwahrnehmung auf realwelttauglichen Assistenzrobotern in häuslichen Szenarien

Volkhardt, Michael GND

Die höhere Lebenserwartung der Bevölkerung und eine rückläufige Geburtenrate führen zu einem steigenden Anteil älterer Menschen in der Gesellschaft. Mobile Assistenzroboter sollen ältere Personen zukünftig in ihren Wohnungen unterstützen. Um sinnvolle Funktionen und Dienste anbieten zu können, muss der Roboter Personen in seiner Umgebung wahrnehmen können. Das häusliche Szenario stellt dabei aufgrund seiner Komplexität eine Herausforderung für die Erkennungsalgorithmen dar. Komplexität entsteht beispielsweise durch unterschiedliche Einrichtungsmöglichkeiten, schwierige Beleuchtungsbedingungen und variable Nutzerposen. Die Dissertation stellt eine Architektur zur Personenwahrnehmung für mobile Roboter vor. Die modulare Architektur beschreibt die verwendeten Komponenten und deren Kommunikation untereinander. Aufgrund der Modularität können einzelne Komponenten schnell integriert oder ausgetauscht werden. Die Arbeit evaluiert eine Vielzahl von multi-modalen Detektionsverfahren auf Basis von Laser-, Kamera- und 3D-Tiefendaten. Ausgewählte Algorithmen werden für Anwendungsszenario angepasst und weiterentwickelt. Die Hypothesen der Detektoren werden durch einen Personentracker raumzeitlich gefiltert und fusioniert. Besonderheiten des Personentrackers umfassen die Unterstützung mehrerer Filter und Systemmodelle, die Integration von nicht unabhängigen und verspäteten Beobachtungen, die Schätzung der Existenzwahrscheinlichkeit sowie die Integration von Umgebungswissen. Um Nutzer, welche sich nicht im Sichtbereich des Roboters befinden, in der Wohnung zu finden, werden verschiedene Suchverfahren vorgestellt. Das fortschrittlichste Verfahren verwendet eine explorative Suche, um die gesamte Wohnung effektiv zu durchsuchen. Dabei werden falsch-positiv Detektionen ausgeschlossen und mit dynamischen Hindernissen und nicht erreichbaren Räumen umgegangen. Die Arbeit stellt ein Verfahren für die Erkennung von gestürzten, am Boden liegenden Personen vor. Die auf Tiefendaten basierende Erkennung erlaubt es dem Roboter, Personen von anderen Objekten oder Tieren in der Wohnung zu unterscheiden. Die entwickelten Algorithmen wurden im realen Anwendungsszenario evaluiert, indem der Roboter für bis zu 3 Tage in den Wohnungen von Senioren zur freien Nutzung verblieb. Die Experimente zeigten, dass die vorgestellte Architektur zur Personenwahrnehmung robust genug arbeitet, damit der Roboter mithilfe seiner Dienste einen Mehrwert für die Senioren liefern kann.

The increased life expectancy of the population and declining birth rates lead to an increasing proportion of elderly people in the modern society and hence an increasing need for age care. Mobile robots can assist users in theirs homes by means of services and companionship. To provide useful functionalities, the robot must be able to observe the user in the environment. The domestic scenario poses a challenge for people detection and tracking algorithms through its complexity caused, among others, by variable furnishing options, difficult lighting conditions and various user poses. This thesis presents an architecture for people detection and tracking for mobile robots in domestic environments. The modular architecture describes the used components and their communication with each other. Due to the modularity of design, the individual components can be easily integrated or exchanged. This work evaluates a variety of multi-modal detection methods based on laser data, camera data and 3D depth data. Suitable algorithms are being applied, adapted and enhanced. The detections are processed by a person tracker to allow for spatial-temporal filtering. Important features of the person tracker include the support of multiple filters and system models, the integration of coupled observations and out-of-sequence measurements, the estimation of the existence probability and the integration of environmental knowledge. The thesis proposes various methods to search and locate users in the apartment, which have left the robots limited field-of-view. The most advanced method uses an exploratory search method to examine the environment effectively. It handles false positive detections, dynamic obstacles and inaccessible rooms in a reasonable manner. Furthermore, this work presents a method to detect people that have fallen to the ground given occlusion. The method uses the depth data of a Kinect sensor mounted on the mobile robot. Point clouds are segmented, layered and classified to distinguish fallen people from furniture, household objects and animals. The developed algorithms were evaluated in a real-world scenario, by allowing the robot to stay in retirement homes for up to three days. The experiments showed that the presented architecture for people detection and tracking is robust enough, so that the robot's services proved to provide an added value to the seniors citizens.

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Volkhardt, Michael: Ein Beitrag zur robusten Nutzerwahrnehmung auf realwelttauglichen Assistenzrobotern in häuslichen Szenarien. Ilmenau 2018.

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