Development of a distance controller for a robotic guide for blind and visually impaired users and customization for wayfinding in healthcare facilities

This thesis describes the development, control, validation, and testing of a guide robot for blind and visually impaired users. The robot is equipped with the so-called Smart Tether System, an ad-hoc add-on device that allows the robot to exert a constant force on the user. This is fundamental to provide to the user the necessary information about the right path to follow. The thesis has been developed in the framework of the ongoing project BUDD-e (Blindassistive aUtonomous Droid Device), funded by Politecnico di Milano. The main novel contribution of this work is threefold. Firstly, a distance controller for the robot is derived, validated and tested. The controller’s key role is to keep a constant distance from the user, adapting to his/her speed, starting from measurements acquired with the LiDAR sensor. For better comparison, two different controllers are tested and implemented: a "classic" controller derived in the frequency domain provided with a compensator and a H2 controller designed using Linear Matrix Inequalities. Secondly, a distance estimator is developed to ensure the security and reliability of the guide robot distance measurements. Starting from some data provided by the Smart Tether System, it is possible to reconstruct the distance information in case of failures in the LiDAR’s measurement. Thirdly, we describe the customization and the tests of the guide robot for navigation and wayfinding in healthcare facilities. The activity was carried out at the ASST Grande Ospedale Metropolitano di Niguarda, where blind and visually impaired volunteers had the possibility to try the guide robot and give important feedbacks.

Questa tesi descrive lo sviluppo, il controllo, la validazione e il testing di un robot guida per utenti non vedenti e ipovedenti. Il robot è dotato del cosiddetto Smart Tether System, un dispositivo aggiuntivo appositamente progettato che consente al robot di esercitare una forza costante sull’utente. Questo permette di fornire all’utente le informazioni necessarie sulla direzione da seguire. La tesi è stata sviluppata nel contesto del progetto BUDD-e (Blind-assistive aUtonomous Droid Device), finanziato dal Politecnico di Milano. Il principale contributo innovativo di questo lavoro è triplice. In primo luogo, è stato sviluppato, validato e messo alla prova un controllore di distanza per il robot. Il ruolo chiave del controllore è mantenere una distanza costante dall’utente, adattandosi alla sua velocità, a partire dalle misurazioni acquisite con un sensore LiDAR. Per un migliore confronto, sono stati confrontati due controllori: un controllore "classico" derivato nel dominio delle frequenze dotato di un compensatore, e un controllore H2 progettato con il metodo delle Linear Matrix Inequalities. In secondo luogo è stato sviluppato uno stimatore di distanza per garantire la sicurezza e l’affidabilità delle misurazioni di distanza del robot guida. Partendo da alcuni dati rilevati dallo Smart Tether System, è possibile ricostruire le informazioni sulla distanza in caso di problemi nelle misurazioni del LiDAR. In terzo luogo, è stata svolta la personalizzazione e i test del robot guida per la navigazione e l’orientamento nelle strutture sanitarie. L’attività è stata svolta presso l’ASST Grande Ospedale Metropolitano di Niguarda, dove volontari non vedenti e ipovedenti hanno avuto la possibilità di provare il robot guida e fornire importanti riscontri.