Free space detection using a B-Spline for safe robot teleoperation

This thesis focuses on developing an algorithm for free space detection using a B-spline for safe robot teleoperation. The specific case considered is the virtual walking, which utilizes an avatar robot to assist elderly people with limited mobility in exercising safely. To achieve this result, a combination of an autonomous treadmill and a joystick controls the robot's movements, enabling users to train indoors but at the same time feel as if they are outdoors. One of the most critical aspects to consider is that the user must be aware of the environment surrounding the robot, for its safety and the one of the people around. However, just the streaming of the camera is not enough to achieve this goal. For this reason, an algorithm to detect any potential obstacles and estimate the available space where the robot can move becomes necessary to ensure safety. The research aims to leave the person completely in charge of the robot by giving him/her information through a user-friendly GUI that displays the free space, and warning messages when a possible collision is detected, making navigation easier. Different realistic obstacle avoidance scenarios have been tested to validate the proposed approach.

La tesi è incentrata sullo sviluppo di un algoritmo per la teleoperazione in sicurezza di un robot, utilizzando una B-spline per il rilevamento dello spazio libero in cui poter navigare. Nello specifico viene analizzato il caso di un sistema avatar per assistere le persone anziane con mobilità limitata nell'esercizio fisico in sicurezza. Il sistema è composto da un robot avatar comandato dall'utente attraverso un tapis roulant automatico per il suo avanzamento e un joystick per farlo ruotare. Con l'utilizzo della realtà virtuale è permesso alla persona di allenarsi in un ambiente chiuso con le stesse sensazioni e problematiche avvertite all'aperto. Un aspetto importante della ricerca è la necessità che il robot avatar sia utilizzato in sicurezza per se stesso e per coloro che lo incontrano nel suo percorso. Questo obiettivo non può essere raggiunto con il solo streaming della videocamera ed è per questo che diventa necessaria l'implementazione di un algoritmo che rilevi potenziali ostacoli e valuti lo spazio disponibile in cui il robot possa muoversi. Sarà l'utente ad avere il completo controllo del robot e la ricerca mira a fornirgli informazioni tramite un'interfaccia grafica di facile utilizzo che visualizza lo spazio libero ed evidenzia messaggi di allerta per una possibile collisione. Sono stati effettuati diversi tests con differenti casistiche a convalida del sistema proposto.