Ein benutzer- und umgebungsangepasstes Steuerungssystem für die Zielführung roboterbasierter Gehhilfen

Abstract

Gehhilfesysteme wie Rollatoren stellen eines der wichtigsten Hilfsmittel für den Erhalt der Mobilität und der damit verbundenen Selbstständigkeit der betroffenen Personen dar. Konventionelle Gehhilfen sind dafür jedoch oftmals nicht ausreichend. Neben einer hohen Zahl von Unfällen, die in Verbindung mit Gehhilfen jährlich auftreten, müssen viele mobilitätseingeschränkte Personen aufgrund ihrer Beschwerden beim Gehen mit dem Rollator aus Sicherheitsgründen zusätzlich von einer Pflegekraft begleitet werden oder sogar ganz auf das selbstständige Gehen verzichten. Eine mit Robotertechnologie ausgestattete Gehhilfe, die in der Lage ist, ihre Umgebung wahrzunehmen und den Benutzer sicher zum gewünschten Ziel zu führen, die dabei auf die speziellen Eigenschaften und Fähigkeiten des Benutzers eingeht und diese während der Fahrt berücksichtigt, kann die Selbstständigkeit älterer und behinderter Menschen weiter fördern und erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Steuerungssystem für die Zielführung roboterbasierter Gehhilfen zu gewinnen, das • seine Umgebung wahrnimmt und den Weg zum Ziel entsprechend plant und anpasst, • an die Fähigkeiten und Bedürfnisse eines Benutzers angepasst werden kann und • das Fahrverhalten der Gehhilfe in Echtzeit an die Bewegung des Benutzers anpasst, so dass der Benutzer immer sicher gestützt wird.

Die Anpassung der Bewegungsrichtung der roboterbasierten Gehhilfe an die Benutzereingaben und die Umgebung wird mittels der erweiterten Methode elastischer Bänder, die für diese Aufgabe speziell weiterentwickelt wurde, realisiert. Neben der automatischen Anpassung des Bewegungspfads zur Hindernisumfahrung können bei Divergenzen zwischen der geplanten und der vom Benutzer vorgegebenen Fahrtrichtung verschiedene Arten von Bahnmodifikationen aktiviert werden. Die Auswahl einer geeigneten Bahnmodifikation erfolgt anhand der vom Benutzer vorgegebenen Bewegungsrichtung und der in der Nähe des Roboters erkannten Hindernisse. Das benutzer- und umgebungsangepasste Steuerungssystem wurde auf dem mobilen Roboterassistenten Care-O-bot® II implementiert und getestet. Zum Nachweis der Anwendbarkeit des Steuerungssystems wurde Care-O-bot® II in einem Seniorenheim in Betrieb genommen und durch mehrere Bewohner des Heims, die auch im täglichen Leben eine Gehhilfe benutzen, getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Steuerungssystem die an es gestellten Anforderungen erfüllt.

Mobility aids such as walkers are some of the most important devices for elderly and frail people to maintain mobility and thus live an independent, self-supported life. Even though conventional walkers are fairly easy to use devices a significant number of accidents involving walker use are reported every year. Additionally, even when using a walker, many elderly people need to be accompanied by nurses when moving around. Other people use wheelchairs although they are still able to walk. Robotic walkers able to perceive and localize themselves in their environment and to guide their user to a target can enhance the independence of elderly or disabled persons with mobility constraints. Within this thesis a control system for robotic walking aids has been developed that • perceives its environment and adapts the path to the given target accordingly, • can be adapted to the capabilities and needs of its user, and • adapts its motion in real-time to the motion of the user and therefore ensures his safe support at all times.

In order to adjust the motion direction of the robotic walker to the environment and to the input of the user, the method of elastic bands has been adapted and extended. The elastic band algorithm automatically smoothens a given path and leads it around obstacles detected in the environment. In order to consider the input of the user, when the desired motion direction of the user diverges significantly from the planned motion; different modifications of the elastic band can be activated. The adequate path modification strategy is selected depending on the desired motion direction of the walking aid user and the obstacles detected within the vicinity of the robot. The user and environment adaptive control system has been implemented and tested on the mobile robot assistant Care-O-bot® II. In order to prove the correct function and usefulness of the guidance system, a field test was done in an elderly people’s residence. It could be shown that the control system meets all specified requirements.