共享控制辅助的特征：基于视觉的轮椅导航辅助解决方案在人类环境中的设计毗湿奴卡拉卡特纳拉亚南引用此版本：毗湿奴卡拉卡特纳拉亚南。共享控制辅助的特征自动化。雷恩INSA，2016年。法语。NNT：2016ISAR0018。电话：01959994HAL ID：电话：01959994https://theses.hal.science/tel-01959994提交日期：2018年12月HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire我们的知识只能是有限的，而我们的无知必然是无限的。- 卡尔·波普尔确认书本论文是Inria Rennes博士工作的一部分，由Inria Rennes的Lagadic团队和Inria Grenoble的E-Motion团队合作进行，并由Inria项目实验室个人辅助生活（PAL）资助。当然，我在雷恩度过的这三年是一次非常充实和愉快的经历，经历了许多起起落落，我一定会珍惜这三年。首先，我要感谢我的顾问玛丽·巴别塔博士，她给了我追求这一研究课题的巨大自由，同时也让我深入了解了保持对这项工作总体目标的一致性的重要性。在一位伟大的专业导游和合作者的帮助下，她仍然是一个非常亲密的朋友，我可以毫无保留地与他交谈。在Inria的最初几个月里，我从与François Pasteau博士的密切合作中获益匪浅，他的专业知识帮助我完成了本研究中提出的许多实验结果。 我还受益于我的联合顾问的指导。AnneSpalanzani博士，特别是在3个月的时间里，我访问了Inria Grenoble的E-Motion团队。我也感谢她给我机会与Ren C博士合作。罗和他的学生在国立台湾大学的iCeira实验室。我全心全意地感谢Ren C.罗在他的实验室里招待了我三个月，也就是说，从他繁忙的日程表中抽出一些时间来担任辩护陪审团的成员。我还要衷心感谢Phillipe Martinet博士和François Charpillet博士，他们是论文的审稿人，花了宝贵的时间审阅论文手稿，并对本文所述的工作进行了有益和批判性的报告。我也非常感谢汤姆·卡尔森博士同意成为辩护陪审团的一员，并感谢他对工作的深刻评论。特别感谢EricMarchand博士担任评审团主席。作为Inria Rennes Lagadic团队的一员3年是一次富有成效的经历，我首先要感谢博士。弗朗索瓦·肖梅特接受我加入球队也向我灌输了如何进行研究的细微差别。我还要感谢包括Fabien Spindler博士、Alexandre Krupa博士、Eric Marchand博士和Paolo Robuffo Giordano博士在内的长期团队成员的建议，他们的建议使我能够从各个角度看待这项工作的影响。此外，我非常感谢团队的第一助理Celine Gharsalli，她帮助我融入了法国的官僚和社会生活。我先到的。我还要感谢现任团队助理Helene de la Ruee在所有行政事务中提供的帮助。但最重要的是，我感谢所有非常任团队成员，包括博士研究员。感谢学生、工程师和实习生在日常实验室活动中的帮助，特别是他们的同志情谊，这使我在雷恩的生活充满了色彩。我可能一生中最想错过这种陪伴。我特别要感谢Suman Raj Bista、Aly Mag- assouba、AurelienYol、Giovanni Claudio、Nicolas Cazy、Manikandan Bakthavatchalam、Bertrand Delabarre、Antoine Petit、Rafiq Sekkal、Le Cui、Riccardo Spica、Fabrizio Schiano、Muhammad乌斯曼、佩德罗·帕塔兰·罗萨莱斯、菲拉斯·阿比·法拉吉、皮埃尔·沙特兰、卢卡斯·罗耶、昆汀·巴托、杰森·谢弗里、唐·约文·阿格雷夫特、莱斯利·安·杜弗洛、苏里亚·郑、路易丝·德维尼、托马斯·贝拉瓦、布莱恩·佩宁、诺埃尔·梅里奥......以及我在这里遗漏的所有新团队成员。我还 想感 谢散 居在 雷恩 因里 亚的 印度 人， 包括 Raghavendran Balu、 Arif Ali、ArjunSuresh、Sajith Kalathingal、Ashwin Sridharan、Surya Narayanan、Srinivas Pinisetty和ArnabSinha。挂在外面和他们聊天总是像一个短暂的旅行回家在我的国家。最后，我最深切的感谢是我的家人，特别是我的父母，感谢他们不断的支持和鼓励。 正是因为他们无私的牺牲，我才能够实现这个目标。他们是我所坚持的一切成就的支柱，因此我把这篇论文献给我的父亲和母亲。摘要最早的使用轮椅运送残疾人的记录可以追溯到6世纪的中国。除了1933年发明的可折叠X型框架轮椅外，人类科学1400年的进化并没有从根本上改变轮椅的最初设计。与此同时，自20世纪80年代中期以来，计算机科学的进步和人工智能的发展不可避免地导致了对智能轮椅的研究。而不是专注于改善底层设计，使轮椅智能的主要目标是使其最无障碍。虽然电动轮椅的发明在一定程度上减轻了使用者在日常活动中对他人的依赖，但某些影响肢体运动、运动或视觉协调的残 疾 使 使 用 者 无 法 使 用 轮 椅 。 这 是 一 个 经 典 的 电 动 轮 椅 。 L’accessibilité peut donc êtreinterprétée comme l’idée d’un fauteuil roulant adaptée à la pathologie de l’utilisateur de tellesorte que il / elle soit capable d’utiliser les outils虽然智能机器人肯定已经准备好解决服务和医疗保健行业中越来越多的问题，但了解人类和用户如何与机器人交互以实现共同目标非常重要。特别是在辅助智能轮椅领域，需要保持用户的自主感，因为个人自由对身体和社会健康至关重要。因此，总的来说，本研究旨在描述针对轮椅使用者在室内导航时可能必须执行的基本任务，设计了一种低成本、基于视觉的辅助解决方案，用于走廊导航。该系统为走廊跟踪和安全通过车门的任务提供渐进式辅助。 该系统的评估是从一个标准的电动和机器人轮椅。基于设想的即插即用解决方案，用户之间共享控制的自适应公式 机器人被扣除。此外，由于轮椅是在人类在场的情况下操作的功能性设备，因此考虑人类居住环境的问题对于全面解决轮椅移动性的问题是重要的。基于人类学的概念，特别是空间社会习俗，提出了一个在人类在场的情况下轮椅导航的模型。此外，可以集成到社交机器人（如智能轮椅）中的导航策略允许以公平的方式接近一组交互的人类，并以社会可接受的方式加入他们。最后，基于从所提出的轮椅移动辅助解决方案中吸取的经验教训，我们可以在数学上形式化用于导航辅助的运动规划的共享自适应控制。对该形式的验证使得有可能提出用于在轮椅上和在人在场的情况下的辅助导航解决方案的一般结构。摘要中国最早的用轮椅运送残疾人的记录可以追溯到6世纪。除了1933年发明的可折叠X型框架轮椅外，1400年的人类科学进化并没有从根本上改变最初的轮椅设计。然而，自20世纪80年代中期以来，计算的进步和人工智能的发展不可避免地导致了智能轮椅的研究。与其专注于改进底层设计，制造智能轮椅的核心目标是让它更容易接近。尽管电动轮椅的发明部分地减轻了用户对其他人日常生活的依赖，但影响肢体运动、运动或视觉协调的一些残疾使用户不可能操作普通的电动轮椅。可访问性也可以被认为是一个想法，其中轮椅适应用户谁是如此生病，他/她能够充分利用其辅助功能。虽然可以肯定的是，智能机器人旨在解决服务和医疗保健行业中越来越多的问题，但解决人类和用户如何与机器人交互以实现共同目标非常重要。特别是在辅助智能轮椅领域，需要与用户保持自主感，因为个人能动性对他/她的身体和社会健康至关重要。本研究旨在全面描述辅助共享控制的概念，同时特别关注智能辅助轮椅领域内的两个问题：基于视觉的辅助和人类感知的导航。认识到轮椅用户在室内环境中可能必须执行的基本任务，我们为走廊导航设计了低成本的基于视觉的辅助框架。该框架为以下安全走廊和门路通行任务提供了渐进式援助。框架的评估是在一个机器人的现成的轮椅上进行的。从所提出的即插即用设计中，我们推断出一种在用户和机器人之间共享控制的自适应公式。此外，请记住，轮椅是在人类环境中操作的辅助设备，因此考虑轮椅移动性中的人类意识问题非常重要。我们利用人类学中的社会空间惯例来增强人类环境中的轮椅导航。更重要的是，我们提出了一种运动策略，可以嵌入到一个社会机器人（如智能轮椅），使其公平的方法，并加入一组人类互动。基于从轮椅移动辅助的拟议设计中吸取的经验教训，我们最终可以在数学上形式化辅助运动规划的自适应共享控制。最后，我们演示了这种形式化，以便为人类环境中的辅助轮椅导航设计一个通用框架。❈♦♥t❡♥ts序言1Preamble71第十三章预备赛1.1独轮车型机器人的控制[RSVO08]1.2视觉伺服[CH06]161.3贝叶斯统计与机器学习[Bar12]181.4评论19I基于视觉的轮椅导航212背景和目标232.1智能轮椅的早期工作242.2探索基于愿景的支持263走廊导航的视觉伺服313.1建模323.233号公路沿线的自治走廊3.2.1视觉特征-定义和提取333.2.2特征提取的鲁棒性363.2.3基于图像的视觉服务（IBVS）373.2.4模拟结果383.3自动人行道通道403.3.1Doorpost检测和跟踪403.3.2视觉特征-定义和提取413.3.3基于Lyapunov的控制器423.3.4模拟结果4473.4实验分析473.4.1测试设置473.4.2实验程序473.4.3分析483.5结论和意见524基于愿景的援助534.1辅助走廊544.1.1通过视觉服务实现544.1.2用于半自主导航的用户和机器人控制的融合4.1.3第57章4.1.4集成触觉指南574.1.5实验分析594.2辅助通过70号门4.2.1控制法704.2.2用户和机器人控制的融合-尊重用户意图4.2.3模拟734.2.4初步展望744.2.5实验分析754.3结论和意见79二 轮椅导航中的人类意识835人类感知导航的第一次尝试5.1导言855.2相关工作865.3Proxemics：社会空间的5.3.1个人空间885.3.2互动空间895.3.3RiskRET-具有人类意识的运动规划器5.3.4公平的方法和加入人类互动946公平的方法和加入人类互动976.1动机和目标986.2与最新技术水平98的比较6.3接近互动996.4控制系统1016.4.1建模1016.4.2任务功能1026.4.3使用冗余形式进行6.5模拟中的分析1085.1稳定性。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... ... ... ... ... ...1086.5.2收敛。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1086.5.3稳健性。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1106.6实验。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1126.7进一步讨论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1127.1适应性。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1126.7.2上下文依赖性。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1146.7.3群体认知。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1146.8结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1143迈向辅助共享控制1157用于人类感知轮椅导航的1177.1导言1187.1.1目标1187.1.2支持框架的组件1197.2半自治框架1207.2.1建模1207.2.2用户意图估计1217.2.3控制共享1247.3分析1267.3.1模拟1267.3.2实验1287.4结论1318辅助共享控制的1338.1动机1348.2第134章8.3相关研究1348.3.1用户意图估计1358.3.2关于控制共享1358.4方法1368.5使用短期目标的辅助共享控制1368.5.1假设1368.5.2预测短期目标1378.5.3共享控制1408.6第141章最后143A推导方程（3.23）、（3.25）和（3.27）147参考书目151图165列表U序言本文首先是对机器人技术的机器人学的研究必然从两个基本的心理问题开始："机器人应该是什么样子？" "机器人是做什么的？" [98] 对于第一个问题，可以通过以下描述来回答机器人的外观（即物理结构和属性）及其行为（即性能）的附加。第二个问题自然会引出一个包含第一个问题的答案。操纵物体的机器人必须能够抓取，在房间中导航的机器人必须具有感知环境和规划路径的能力，在空气和空间中导航的机器人必须具有感知环境和规划路径的能力。在不利条件下，必须20世纪80年代，罗德尼·布鲁克斯（Rodney Brooks）提出了行为机器人学的新概念，从而开辟了一个广泛的研究领域，涉及机器人技术，特别是随着具有强大计算能力的计算机的出现，随着智能传感器的出现和广泛部署，各种形状和大小的机器人如雨后春笋般涌现，并不可避免地--人类居住的空间许多原因导致了这种现象，包括要做到这一点，显然有必要实施控制解决方案和决策策略，以实现人类和机器人之间的安全和无缝协作。因此，人机协作正在成为一个令人兴奋的研究领域，其1P代表2人与机器人的合作已经成熟：一个人类队友在这项工作通过共享控制策略解决了辅助问题，实现了一般的人机协作，并通过基于传感器的解决方案更具体地应用于机器人轮椅的辅助导航。L’idée centrale relative à l’assistance parcontrôle partagé est, entre autres, que le robot (ou l’utilisateur) s’adapte aux forces/faiblesses del’utilisateur (ou le robot), de sorte qu’une collabo- ration通过将这些基于传感器的辅助原理应用这是一个基于用户意图提供帮助的问题，以便首先避免危险，然后减少疲劳和压力。 在框架中Inria（国家计算机科学和自动化研究所），称为IPL PAL Inria项目实验室（个人辅助生活）的行动特别旨在研究基于传感器的轮椅因此，由于这一应用构成了我们研究的主线，我们在这项工作中提出了以下与共享控制辅助有关的贡献[1]我们将在后面的章节中对这些术语进行数学上的详细说明和
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