RoboMaidHome: A Sensor Network-based Smart Home Environment for Service Robots
Seung-Ho Baeg, Jae-Han Park, Jaehan Koh, Kyung-Wook Park, Moon-Hong Baeg
Control and Perception Research Group
Korea Institute of Industrial Technology (KITECH)
1271 Sa 1-dong, Sangrok-gu, Ansan, 427-791, South Korea (ROK)
e-mail: (shbaeg, hans 1024, jaehanko, kwpark, mhbaeg)@kitech.re.kr
Abstract
Over the past few years, many research groups have attempted to build smart environments. Recently, several groups have been actively conducting research into the construction of smart home environment for service robots to be used as assistants. A home service robot must have are localization, navigation, object recognition, and object handling functionalities. These operations are usually performed by a service robot by itself and the robot can perform the given tasks in a limited environment. In addition, they have shown only limited capabilities in a natural environment. We initiated a smart home environment project, RoboMaidHome, for light-weight service robots to provide reliable services by interacting with the environment through wireless sensor networks. This environment consists of the following three main components: (i) smart objects and smart appliances with sensor network functionality; (ii) a home server that connects smart devices as well as maintains information for reliable services; and (iii) service robots that perform tasks in collaboration with the environment. In this paper, we explain the basic concepts and the architecture of our project and address some key issues related to the project. Finally, we discuss the future directions of our project.
Index Terms-Smart Environment, Service Robot, Sensor Networks, Smart Object, Smart Appliances.
1. Introduction
During recent years, walking humanoid robots have gained popularity from wheeled vehicle robots in various assistive roles in humanrsquo;s environment. Self-localization is a necessary requirement for the humanoid robots used in most of the assistive tasks. This is because the robots have to be able to locate themselves in their environment in order to accomplish their tasks. In addition, autonomous navigation of walking robots to the pre-defined destination is equally important mission, and therefore it is required that the robot knows its initiate location precisely. The indoor navigation is based on the map of the environment used by the robot. Assuming that the walking robot is capable of locating itself based on its initiate location and the distance walked from it, there are still factors that impair the map-based navigation. One of them is the robotrsquo;s limited ability to keep its direction when it is walking, which means that the robot is not able to walk directly from one point to another due to a stochastic error in walking direction. In this paper we present an algorithm for straightening the walking path using distance measurements by built-in sonar sensors of a NAO humanoid robot. The proposed algorithm enables the robot to walk directly from one point to another, which enables precise map- based indoor navigation.
A humanoid robot is a robot with an overall appearance based on that of the human body [1]. The robot is based on the general structure of a human, and hence it usually has a torso with a head, two arms and it walks on two legs. The humanoid robot typically has autonomous ca-pabilities, which means that it can adapt to changes in its environment or itself and continue to reach its goal. In practice this may mean self-maintenance such as automatic recharging, autonomous learning and movement as well as avoiding harmful situations. Obviously safe in-teraction with human beings and the environment is a key characteristics required from these kinds of robots. The robots are increasingly used in humanrsquo;s environment, and hence the problem of “working coexistence” of humans and humanoid robots has become acute [2].
The humanoid robots have been created to imitate some of the same physical and mental tasks that humans undergo daily, and therefore they are ideal to be used as assistive robots in many areas. Assistive robotics is a broad class of robots whose function is to provide assis-tance to the users, and they are being used in e.g. elderly care and to help people with different kinds of physical disabilities. A socially assistive robot (SAR) describes a class of robots that is the intersection of assistive robots and socially interactive robotics (robots that communi-cate with the users) [3]. During recent years, humanoid robots have gained popularity in many research-related activities. Compared to the previously employed wheeled vehicles, walking humanoid robots have certain benefits. For example, they are able to access different types of terrain and to climb stairs. On the other hand, there are also drawbacks including foot slippage, stability prob-lems during walking, and limited payload capabilities [4]. One essential drawback is also the fact that the robot has limited ability to keep constant walking direction.
Self-localization of a robot is a fundamental problem in mobile robotics, and a necessary requirement for the humanoid robots used in most of the assistive tasks. This is because the robots have to be able to locate themselves in their environment in order to accomplish their tasks. In addition, autonomous navigation of walking robots to the pre-defined destination is equally important mission, and it requires that the robot precisely knows its initiate loca-tion and can perform self-localization when needed. The navigation is usually based on the map of the environ-ment used by the robot. The map-based navigation can be augmented by using additional information on the environment provided by different sensors of the robot. For example visual information provided by the built-in cameras of the robot [5] or dist
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基于传感器网络智能家居环境的服务机器人
控制与感知研究组
韩国工业技术研究所
摘要：在过去的十几年，许多研究小组尝试构建智能环境。最近一些研究组积极地专注研究用于小型家庭中作为助手的服务型机器人。一个家居服务机器人必须有定位，导航，对象识别，和对象处理功能。这些操作通常由服务机器人本身执行，而且机器人可以在有限的环境完成给定的任务。此外，它们在自然环境中的只显示出有限的能力。我们启动了一个智能家庭环境项目，叫RoboMaidHome,让轻型服务机器人通过无线传感网络与环境交流来提供可靠的服务。这个环境由以下三个主要组成部分组成：具有传感器网络功能的智能对象和智能电器；连接智能设备的家庭服务器维护可靠服务的信息；以及服务与环境协同执行任务的机器人。在本文中，我们解释了基本概念和体系结构并解决了一些与项目有关的关键问题。最后，我们讨论了我们项目的未来方向。
关键词：智能环境、服务机器人、传感器网络、智能应用
1.介绍
近年来，人形机器人已经比轮式车辆机器人更流行，它们在人类环境中具有各种辅助的作用。定位是大多数辅助任务中使用的类人机器人的必要要求，这是因为机器人必须能够将自己定位在他们的环境中才能完成他们的任务。此外，步行机器人到预定目的地的自主导航是同样重要的任务，因此要求机器人精确地知道其起始位置。室内导航基于机器人使用的环境地图。假设步行机器人能够基于其起始位置和从其走过的距离来定位自身，仍然存在损害基于地图的导航的因素，其中之一是机器人在行走时保持方向的能力有限，这意味着由于行走方向的随机误差，机器人无法直接从一个点走到另一个点。在本文中，我们提出了一种算法，用于通过机器人的内置声纳传感器进行距离测量来矫正行走路径。该算法使机器人能够直接从一个点走到另一个点，从而实现精确的基于地图的室内导航。
人形机器人是一种基于人体整体外观的机器人。 机器人基于人的一般结构，因此它通常具有带头部的躯干，两个臂并且它在两条腿上行走。 人形机器人一般具有自主能力，这意味着它可以适应环境或自身的变化并继续达到其目标。 在实践中，这可能意味着自我维护，例如自动充电，自主学习和移动以及避免有害情况。 显然，与人类和环境的安全互动是这些机器人所需的关键特征。 机器人越来越多地应用于人类的环境中，因此人类和人形机器人的“共存”问题变得越来越尖锐。
人形机器人的创造是为了模仿人类每天所经历的一些相同的身体和心理任务，因此它们非常适合在许多地区用作辅助性的机器人。辅助机器人是一类广泛使用的机器人，其功能是为用户提供帮助，并且它们被用于老年人护理和帮助有不同身体残疾的人的情况。社交辅助机器人（SAR）描述了一类机器人，它们是辅助机器人和社交互动机器人（与用户交流的机器人）的中间项。近年来，人形机器人在许多研究相关活动中获得了普及。与先前使用的轮式车辆相比，行走的人形机器人具有一定的益处。例如，他们能够应用于不同类型的地形和爬楼梯。另一方面，它们还存在缺点，包括脚滑动，行走时的稳定性问题以及有限的有效载荷能力。一个基本缺点还在于机器人具有有限的保持恒定行走方向的能力。
机器人的自定位是移动机器人中的基本问题，并且是大多数辅助任务中使用的人形机器人的必要要求。这是因为机器人必须能够将自己定位在他们的环境中才能完成他们的任务。此外，步行机器人到预定目的地的自主导航是同样重要的任务，并且它要求机器人精确地知道其启动位置并且可以在需要时执行自定位。导航通常基于机器人使用的环境地图。可以通过使用由机器人的不同传感器提供的关于环境的附加信息来增强基于地图的导航的准确性。例如，由机器人的内置摄像机提供的视觉信息或来自超声波传感器的距离信息可用于辅助导航和避免障碍物。近年来，已经有人提出了许多用于室内和室外环境中的机器人导航的方法。西拉和施密特提出的方法是基于引导机器人导航中预测的视觉信息的最大化。 图和巴特斯已经应用模糊学习来构建一个有助于为真实路径规划机器人任务的地图，避障和物体处理也是自主导航中的关键任务。
假设步行机器人能够基于其起始位置和从其走过的距离来定位自身，仍然存在可能损害基于地图的导航和自定位的因素。 一个重要因素是机器人在行走时保持方向的能力有限。 根据我们的实验，人形机器人的行走路径可能与其初始路径相差10米，距离为10米。 因此，机器人不能直接从一个点走到另一个点，这导致基于地图的导航的困难。 在本文中，我们提出了一种使用机器人的内置声纳传感器进行距离测量来矫正行走路径的算法。 这样可以改善室内导航并且机器人能够直接从一个点走到另一个点，这使得基于地图的室内导航成为可能。
我们研究中机器人方法的应用领域是老年人护理。 我们研究的是人形机器人如何在养老院和医院等老年护理机构中用作助手。 为机器人分配的一个中心任务是基于计算机视觉的养老院居民的远程监控。 机器人能够从安装在疗养院中的远程护理系统接收警报，并且在例如情况下自动导航到居民的房间。机器人可以通过互联网将视频或图片传输到远程目的地， 还可以通过机器人在远程护理人员和居民之间建立语音连接。 通过这种方式，远程护理人员能够检查房间中的情况，并采取适当的措施。 为了使这种程序成为可能，机器人需要一个准确的系统来进行自我定位和自主室内导航。
智能环境是一个小型世界，智能设备通过网络不间断地协作，为居住者提供上下文感知服务，例如减轻管家的负担。 根据上面，智能意味着有能力收集和应用知识，而环境则由我们生活和工作的环境组成，智能环境将计算机连接到日常设置和日常任务。 考虑到人们大部分时间都在家中度过，建立一个舒适安全的智能家居环境是许多研究人员和工程师最有吸引力的研究课题之一， 难怪我们在舒适安全的家庭环境中经常感到快乐。因此，一些研究和工业团体不仅试图通过安装智能传感器，智能设备和执行器来构建智能环境，而且还通过无线网络将它们集成在一起，为居民提供许多辅助服务。 收集信息并将其存储在知识数据库中，同时以自动方式在远程控制的基础上操作传感器和设备。 为此，机器人应该足够聪明，以了解居民的意图以及获取他们和环境知识的能力。
此外，它应该适应环境以改善居住者的环境体验，最终目标是实时提高环境居民的体验的感受。最近，一些团队一直试图通过使用服务机器人作为辅助女佣来处理日常家务，使家庭环境尽可能舒适。为了做到这一点，家中的机器人应该提供本地化，导航，对象识别和处理等功能，以保证可靠的服务。然而，机器人已经在有限的世界中执行了一些给定的任务并且显示了有限的交互能力，因为大多数计算上复杂的操作是由服务机器人自己执行的。配有昂贵传感器和处理器的机器人增加了成本。尽管成本增加了，但与机器人系统的成本相比，许多用户对机器人的性能并不满意。因此，以合理的价格提供具有良好性能的服务机器人是一个我们研究者重要的研究目标。
基于这些预测，我们已经尝试为相对便宜和高性能的服务机器人构建智能环境：（1）射频识别（RFID）标签的价格将在几年内大幅降低; （2）在10年内，沃尔玛，Target，Best Buy等零售巨头将为其所有产品贴上RFID标签，以追踪其位置和历史轨迹。 预计到这些变化的发生，我们已经在智能家居环境中安装了带有RFID标签的智能设备。
我们的项目有以下好处。 首先，通过与联网的智能设备和服务机器人的环境交互，机器人甚至可以在诸如家庭，医院，博物馆等环境中执行复杂的任务，并且它们具有优越的性能。 他们可以使用来自数据库的产品信息识别对象，并在环境的帮助下识别他们自己的位置。 其次，服务机器人可以用最少的设备执行许多复杂的任务，例如相机，RFID阅读器和通信模块。
在执行任务时，机器人可以结合环境执行许多计算上复杂的任务。 因此，它可以在不降低性能的同时降低服务机器人的成本。 我们的智能环境由带RFID标签的智能设备，带RFID读取器的智能设备和服务机器人组成，它们通过无线网络连接。 我们项目的一个目标是通过基于无线传感器网络的通信来建立一个智能对象连接智能对象和智能设备的原型智能设备。
通过这个项目，我们计划打破服务机器人的许多技术障碍，与“智能环境”合作，进入家庭环境中的日常生活。具体来说，我们希望通过我们新颖的智能家居环境测试机器人服务应用于实际应用的可行性。为此，我们于2005年在韩国工业技术研究院的研究楼内建造了一个智能房间，以支持我们正在进行的家居机器人项目。本文的结构如下：在第2节中，我们回顾了有关智能环境的相关工作;在第3节中，描述了我们的家居机器人架构和技术;在第4节中，我们总结了未来工作的方向。相关工作马克·威斯尔介绍“无处不在的计算机”并预测未来的计算技术将使机器进入我们的环境，包括麻省理工学院，微软，IBM，飞利浦，思科和施乐在内的许多研究团队已经构建了智能环境。他们试图将它们作为测试平台来用于普遍存在的普适计算研究。
环境通常由一组上下文感知服务和应用程序填充。谭吉德等人提出了一个框架，作为以人为中心的智能环境的通用模型，然后是在家庭和办公环境中应用的场景。 他们指出，与传统的人机交互不同，以人为基础的方法可以使智能环境理解用户的意图，从而实现用户与环境之间的自然交互。
许多原型智能环境的构建都具有类似的目标。在佐治亚理工学院，研究人员建立了，一个充满环境感知设备的智能房间。这个实验家庭拥有两个生活空间，它们被用作普适计算研究的生活实验室。该组织的许多研究人员试图让智能房间除了了解其居民的信息之外，还能了解其有关自身的背景信息。科罗拉多大学的自适应住宅是一个实际的房子，配备了各种传感器监测室温，照明，供暖和通风。其控制系统，家庭环境自适应控制，在监测环境的基础上生成行动代码并观察居民的模式。它配备了学习机制，可以预测未来的状态，因此程序员无需编写动作代码。德克萨斯大学阿灵顿分校的管理智能多功能家庭项目旨在创建一个充当智能代理的环境。
在代理感知其环境传感器的状态之后，它通过设备控制器对环境起作用。 为了实现舒适和有效率的目标，代理预测居民的未来可能的行动，并且可以基于这些预测的行动来确定如何控制环境中的设备。微软的愿景研究小组开展了轻便生活项目。这个项目旨在通过几何世界建模，感知和中间件，服务描述，动态地将各种设备聚合成一致的用户体验。他们使用智能日常物品和个人设备构建智能环境。 他们的目的是通过在用户想要的时候用新的智能对象替换现有对象，以渐进和自发的方式使环境变得智能化。
最近，一些团体试图将机器人代理包括在他们的智能环境中。他们将社交机器人描述为个人助理，它是用户和智能环境之间的中介。 他们专注于了解用户和环境状况，识别用户意图以及制定战略以及实现用户目标的计划等问题。 由于语音是人机交互中最自然的输入通道之一，因此索尼AIBO根据语音内容和语音的价值分析了口语。 然后他们通过使用贝叶斯网络的方法认识到了说话者的意图。他们介绍了无处不在的机器人，它存在于提供物理和虚拟环境的u空间中。
Ubibot采用了三种形式的机器人：软件机器人，移动机器人和嵌入式机器人。软件机器人以无缝方式提供集成的移动服务。引入了移动机器人，瑞塔来研究其概念的可用性，然后进行了两次成功的演示。然而，该小组在其架构中没有包括任何物理机器人。他们描述了无所不在的计算环境，无所不在的机器人空间，包括分布在物理空间和网络空间周围的网络传感器，执行器和软件服务。在这种环境中，机器人可以扩展其感知和行动能力。无处不在的机器人伴侣是他们在无处不在的环境中具有高水平互动的网络机器人的模型。语义URS（SURS）是URS的组件，在语义Web技术的基础上提供通用数据语义。他们将SURS应用于办公室监控服务。该小组试图通过无缝连接提供各种服务，但在设计模型时没有考虑机器人的成本。他们描述了WABOT项目，旨在设计一个实现人与机器人之间在现实中共生的最佳系统。他们打算建立一个以舒适的方式促进人类与机器人分享生活的空间。这实际上是第一次关注人机共生的尝试。他们在设计项目时也没有考虑合适的机器人。
基于RFID的服务智能环境机器人RFID技术因其提供比条形码技术更高的识别率以及由于其自动信息收集和处理而有助于减少时间和成本而受到欢迎。它还可以有效地用于防盗和识别产品。我们预计，几年后，所有制造商都会用RFID标签标注产品。在这种假设下，我们的智能桌子能够使用RFID标签定位智能物品。已经进行了许多尝试以将RFID技术应用于智能环境，但是没有团队尝试将RFID标签用于服务机器人的智能环境并执行诸如本地化，对象识别和对象操纵的一组复杂任务。我们为服务机器人提出了一个新颖的智能家居环境项目。通过无线传感器网络与环境互动，轻量级服务机器人用最少的设备可以保证在复杂环境中具有出色性能的可靠服务。我们构建的智能家居原型示意图如图1所示。服务机器人的智能家居环境主要由三个部分组成：（1）智能对象和具有传感器网络功能的智能设备; （2）管理数据的家庭服务器以及维护智能对象和服务机器人之间的连接; （3）执行内务处理任务的服务机器人。
图1
智能家居环境的示意图智能设备是带有RFID标签的物品或物品，是我们环境的基本要素。它们没有通信功能，只能由智能对象或智能设备识别。智能对象是具有RFID传感器或致动器或两者的对象。它们有自己的中央处理单元（CPU），可以与家庭服务器通信。智能电器是电气设备，与智能对象一样，它们具有自己的CPU，通信功能，传感器或执行器。由于智能家电和智能物体附有RFID阅读器，因此可以判断智能物品是否在其上。我们经常将智能设备用于智能对象和智能设备。家庭服务器管理智能对象和智能设备，收集有关联网智能设备的数据，根据收集的数据做出决策，并控制智能设备。 智能机器人一号是我们家庭环境的服务机器人。通过传感器网络与环境交互，它不仅可以控制和管理智能设备，还可以提供可靠的服务。房屋的地板布局如图2所示。它有厨房，起居室，卧室和洗衣房。客厅配有智能桌子和三把椅子。
图2
智能家居环境的楼层布局图3显示了在韩国工业技术研究楼内建造的样板房智能房的物理结构。
图3
我们的智能家居服务机器人项目的智能房间的物理结构我们
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