Towards Real-World Applications with an Autonomous Powered Wheelchair

Resumen Técnico: Hacia Aplicaciones en el Mundo Real con una Silla de Ruedas Motorizada Autónoma

Planteamiento del Problema
Si bien los robots móviles autónomos han alcanzado una alta madurez tecnológica en entornos industriales y controlados, su integración en la movilidad asistencial para sillas de ruedas motorizadas sigue siendo limitada. Las soluciones existentes suelen fallar al intentar combinar eficazmente la robótica autónoma avanzada con plataformas de movilidad fáciles de usar, particularmente en escenarios complejos del mundo real ("in-the-wild"). Existe una creciente demanda de sistemas de asistencia que ofrezcan soporte activo, se adapten a entornos dinámicos y proporcionen una operación intuitiva; sin embargo, las sillas de ruedas motorizadas actuales suelen carecer de una integración efectiva con capacidades avanzadas de percepción y navegación.

Metodología
Los autores presentan un prototipo de prueba de concepto que aumenta la Genny Zero, una silla de ruedas motorizada de autoequilibrio disponible comercialmente, con capacidades de percepción y navegación autónomas. La Genny Zero es una plataforma no holonómica controlada mediante el desplazamiento del peso corporal (para el movimiento longitudinal) y un manillar (para la dirección), que originalmente carecía de sensores exteroceptivos.

• Integración de Hardware: La plataforma fue equipada con un módulo de detección frontal que consta de:

  • Un LiDAR Robosense Airy (campo de visión horizontal de 360° y vertical de 90°) para localización, navegación y evasión de obstáculos.
  • Una cámara estéreo RGB-D ZED 2i (campo de visión horizontal de 101°, vertical de 68°) para la percepción e interacción consciente de los humanos.
  • Un ordenador portátil integrado (Ubuntu 22.04, ROS 2 Humble) que ejecuta la pila de percepción y control.
  • Los sensores fueron montados en el reposapiés con una inclinación de 20° para equilibrar la cobertura del plano del suelo y los sujetos humanos.

• Arquitectura de Software: La pila de autonomía está construida sobre ROS 2 Nav2.

  • Driver: Un controlador personalizado interactúa con las placas de control internas de la Genny Zero, exponiendo odometría estándar y árboles TF, mientras convierte los comandos de velocidad Twist de ROS en comandos de inclinación (pitch) y dirección.
  • Localización y Mapeo: La nube de puntos 3D del LiDAR se convierte en un escaneo planar 2D virtual (alineado con la gravedad) para su uso con SLAM, Localización de Monte Carlo Adaptativa (AMCL) y el controlador Regulated Pure Pursuit.
  • Percepción e Interacción: La ZED 2i utiliza el seguimiento corporal 3D para estimar las articulaciones del esqueleto del usuario. Un módulo de reconocimiento de gestos interpreta posiciones específicas de las manos para activar comportaciones de alto nivel:
    • Hailing (Llamada): Una mano levantada sobre la cabeza.
    • Follow Me (Sígueme): Una mano cerca del hombro.
    • Stop (Parar): Ambas manos colocadas cerca de los hombros.
  • Mecanismos de Seguridad: El sistema incluye un mecanismo de seguridad por tiempo de espera de comando (0.25s) que activa un comando de parada si no se recibe entrada. La plataforma está limitada por hardware a 10 km/h, con límites de software establecidos en 1.0 m/s para los experimentos.

Contribuciones Clave

1. Integración del Sistema: La integración exitosa de la robótica autónoma (LiDAR/RGB-D, Nav2) en una plataforma de silla de ruedas de autoequilibrio comercial que no fue diseñada originalmente para la autonomía.
2. HRI Basado en Gestos: La implementación de un sistema de reconocimiento de gestos utilizando el seguimiento corporal para iniciar y terminar modos autónomos (llamada y seguimiento) sin contacto físico.
3. Aplicaciones Demostradas:
   • Seguimiento de Personas: La silla de ruedas rastrea la posición de la pelvis del usuario, manteniendo una separación de 1.25 m mientras navega a través de puertas y pasillos, evitando obstáculos detectados por el LiDAR.
   • Hailing (Llamada): El sistema detecta el gesto de "llamada" de un usuario desde la distancia (aprox. 5 m), localiza al usuario y navega autónomamente hasta una distancia de parada de 1.0 m.

Resultados
El sistema fue evaluado en entornos de laboratorio interiores y pasillos universitarios. Los experimentos demostraron que la canalización integrada pudo ejecutar con éxito las conductas objetivo en la plataforma real de la Genny Zero.

• La silla de ruedas siguió con éxito a un usuario a través de entornos restringidos, incluyendo el cruce de puertas y la navegación por giros, manteniendo un movimiento libre de colisiones.
• La función de hailing convocó con éxito a la silla de ruedas desde la distancia y navegó hacia el usuario.
• El sistema operó bajo la supervisión de un operador que podía interrumpir el comportamiento autónomo mediante un mecanismo de tiempo de espera.
• Limitaciones Observadas: El prototipo se demostró con la silla de ruedas desocupada debido a que las limitaciones de torque (1 Nm) son insuficientes para un usuario sentado. La configuración de sensores únicamente frontales limita el movimiento autónomo hacia atrás y crea problemas de oclusión para la percepción de corto alcance. La interfaz de control actual trata la plataforma como una base móvil plana, lo que causó oscilaciones (comportamiento de parada y arranque) cuando la dinámica de autoequilibrio interactuaba con las frecuentes actualizaciones de los objetivos de navegación causadas por el ruido de seguimiento.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo posiciona este trabajo como un estudio preliminar y un prototipo de prueba de concepto más que como una solución de silla de ruedas autónoma totalmente desplegable. Su principal significancia radica en cerrar la brecha entre una plataforma de movilidad comercial real y módulos avanzados de percepción, interacción y navegación. Los autores argumentan que esta integración resalta la viabilidad de combinar la robótica autónoma con la movilidad asistencial, identificando explícitamente los desafíos técnicos que deben resolverse antes de que se puedan realizar soluciones listas para el usuario.

Los desafíos clave identificados para trabajos futuros incluyen:

• Desarrollar controladores conscientes de la plataforma (por ejemplo, LQR, MPC) que modelen explícitamente las dinámicas de autoequilibrio para evitar oscilaciones.
• Lograr una percepción omnidireccional mediante una integración más profunda de múltiples sensores compactos.
• Transicionar de la autonomía total a estrategias de control compartido donde la autonomía apoye al conductor en lugar de reemplazarlo.
• Realizar una validación más amplia con usuarios en entornos diversos y concurridos para evaluar la seguridad, la usabilidad y la robustez.

Los autores concluyen que, si bien el sistema actual aún no es adecuado para la operación en el mundo real con obstáculos, proporciona una base y una guía necesaria para el desarrollo de funciones de asistencia al conductor inteligentes para sillas de ruedas motorizadas.