Caractérisation d'une assistance par contrôle partagé : conception d'une solution basée vision d'aide à la navigation en environnement humain pour les fauteuils roulants

Characterizing assistive shared control through vision-based and human-aware designs for wheelchair navigation assistance

• Auteur / Autrice : Vishnu Karakkat Narayanan
• Direction : Marie Babel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique) - Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires / IRISA - Visual servoing in robotics, computer vision, and augmented reality
• Jury : Président / Présidente : Éric Marchand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Babel, Éric Marchand, Philippe Martinet, Ren C. Luo, Tom Carlson, Anne-Marie Spalanzani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Martinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fauteuils roulants

Robots

Mots clés libres

Robotique d'assistance

Contrôle partagé

Asservissement visuel

Navigation sociale

Wheelchaire navigation assistance

Shared control

Vision-based designs

Résumé

Les premiers documents attestant l'utilisation d'une chaise à roues utilisée pour transporter une personne avec un handicap datent du 6ème siècle en Chine. À l'exception des fauteuils roulants pliables X-frame inventés en 1933, 1400 ans d'évolution de la science humaine n'ont pas changé radicalement la conception initiale des fauteuils roulants. Pendant ce temps, les progrès de l'informatique et le développement de l'intelligence artificielle depuis le milieu des années 1980 ont conduit inévitablement à la conduite de recherches sur des fauteuils roulants intelligents. Plutôt que de se concentrer sur l'amélioration de la conception sous-jacente, l'objectif principal de faire un fauteuil roulant intelligent est de le rendre le plus accessible. Même si l'invention des fauteuils roulants motorisés ont partiellement atténué la dépendance d'un utilisateur à d'autres personnes pour la réalisation de leurs actes quotidiens, certains handicaps qui affectent les mouvements des membres, le moteur ou la coordination visuelle, rendent impossible l'utilisation d'un fauteuil roulant électrique classique. L'accessibilité peut donc être interprétée comme l'idée d'un fauteuil roulant adaptée à la pathologie de l'utilisateur de telle sorte que il / elle soit capable d'utiliser les outils d'assistance. S'il est certain que les robots intelligents sont prêts à répondre à un nombre croissant de problèmes dans les industries de services et de santé, il est important de comprendre la façon dont les humains et les utilisateurs interagissent avec des robots afin d'atteindre des objectifs communs. En particulier dans le domaine des fauteuils roulants intelligents d'assistance, la préservation du sentiment d'autonomie de l'utilisateur est nécessaire, dans la mesure où la liberté individuelle est essentielle pour le bien-être physique et social. De façon globale, ce travail vise donc à caractériser l'idée d'une assistance par contrôle partagé, et se concentre tout particulièrement sur deux problématiques relatives au domaine de la robotique d'assistance appliquée au fauteuil roulant intelligent, à savoir une assistance basée sur la vision et la navigation en présence d'humains. En ciblant les tâches fondamentales qu'un utilisateur de fauteuil roulant peut avoir à exécuter lors d'une navigation en intérieur, une solution d'assistance à bas coût, basée vision, est conçue pour la navigation dans un couloir. Le système fournit une assistance progressive pour les tâches de suivi de couloir et de passage de porte en toute sécurité. L'évaluation du système est réalisée à partir d'un fauteuil roulant électrique de série et robotisé. A partir de la solution plug and play imaginée, une formulation adaptative pour le contrôle partagé entre l'utilisateur et le robot est déduite. De plus, dans la mesure où les fauteuils roulants sont des dispositifs fonctionnels qui opèrent en présence d'humains, il est important de considérer la question des environnements peuplés d'humains pour répondre de façon complète à la problématique de la mobilité en fauteuil roulant. En s'appuyant sur les concepts issus de l'anthropologie, et notamment sur les conventions sociales spatiales, une modélisation de la navigation en fauteuil roulant en présence d'humains est donc proposée. De plus, une stratégie de navigation, qui peut être intégrée sur un robot social (comme un fauteuil roulant intelligent), permet d'aborder un groupe d'humains en interaction de façon équitable et de se joindre à eux de façon socialement acceptable. Enfin, à partir des enseignements tirés des solutions proposées d'aide à la mobilité en fauteuil roulant, nous pouvons formaliser mathématiquement un contrôle adaptatif partagé pour la planification de mouvement relatif à l'assistance à la navigation. La validation de ce formalisme permet de proposer une structure générale pour les solutions de navigation assistée en fauteuil roulant et en présence d'humains.

Earliest records of a wheeled chair used to transport a person with disability dates back to the 6m century in China. With the exception of the collapsible X-frame wheelchairs invented in 1933, 1400 years of human scientific evolution has not radically changed the initial wheelchair design. Meanwhile, advancements in computing and the development of artificial intelligence since the mid-1980s has inevitably led to research on Intelligent Wheelchairs. Rather than focusing on improving the underlying design, the core objective of making a wheelchair intelligent is to make it more accessible. Even though the invention of the powered wheelchairs have partially mitigated a user's dependence on other people for their daily routines, some disabilities that affect limb movements, motor or visual coordination, make il impossible for a user to operate a common powered wheelchair. Accessibility can also thus be thought of as the idea, where the wheelchair adapts to the user malady such that he/she is able to utilize its assistive capabilities. While it is certain that intelligent robots are poised to address a growing number of issues in the service and medical care industries, it is important to resolve how humans and users interact with robots in order to accomplish common objectives. Particularly in the assistive intelligent wheelchair domain, preserving a sense of autonomy with the user is required, as individual agency is essential for his/her physical and social well-being. This work thus aims to globally characterize the idea of assistive shared control while particularly devoting the attention to two issues within the intelligent assistive wheelchair domain viz. vision-based assistance and human-aware navigation.Recognizing the fundamental tasks that a wheelchair user may have to execute in indoor environments, we design low­cost vision-based assistance framework for corridor navigation. The framework provides progressive assistance for the tasks of safe corridor following and doorway passing. Evaluation of the framework is carried out on a robotized off-the­shelf wheelchair. From the proposed plug and play design, we infer an adaptive formulation for sharing control between user and robot. Furthermore, keeping in mind that wheelchairs are assistive devices that operate in human environments, it is important to consider the issue of human-awareness within wheelchair mobility. We leverage spatial social conventions from anthropology to surmise wheelchair navigation in human environments. Moreover, we propose a motion strategy that can be embedded on a social robot (such as an intelligent wheelchair) that allows il to equitably approach and join a group of humans in interaction. Based on the lessons learnt from the proposed designs for wheelchair mobility assistance, we can finally mathematically formalize adaptive shared control for assistive motion planning. ln closing, we demonstrate this formalism in order to design a general framework for assistive wheelchair navigation in human environments.