Enhancement of the applications and functionalities of the Assistant Personal Robot platform

Abstract

La plataforma robòtica APR va sorgir d’un projecte el qual es centrava en investigar nous mètodes y algoritmes per convertir a un robot mòbil en una eina amb serveis d’assistència per ajudar a persones discapacitades o de la tercera edat amb l’objectiu de millorar la seva qualitat de vida. Aquest projecte es va desenvolupar en el grup d’investigació de processat de senyal i robòtica de la Universitat de Lleida. El desenvolupament de la plataforma APR va progressar gracies a la implementació de nombroses aplicacions, el disseny de nous prototips APR i la publicació de diversos articles científics. En aquell moment, les noves característiques del robot mòbil no sol van aportar els serveis d’assistència pel qual va ser dissenyat inicialment, sinó que també va començar a convertir-se en una extraordinària eina d’investigació per desenvolupar nous coneixements basats en els conceptes d’Internet de les coses (IoT), la tecnologia de la informació (IT) o la intel•ligència ambiental (AmI). En aquesta tesi es presenten quatre treballs d’investigació relacionats amb el desenvolupament y la millora de les aplicacions y funcionalitats de la plataforma APR. El primer treball presenta el desenvolupament d’un dispositiu sensor compacte destinat a ser utilitzat com una eina portàtil de recol•lecció y registre de dades ambientals. El segon treball presenta el desenvolupament d’una matriu de sensors de gasos de baix cost per la detecció de fuites de gasos en entorns complexes. El tercer treball proposa un mètode que permet aplicar tècniques SLAM en un LIDAR 2D inclinat cap al terra amb el fi de detectar forats o petits objectes que normalment no es poden detectar quan s’utilitza un LIDAR 2D en posició horitzontal. Finalment, el quart treball presenta la implementació d’una roda omnidireccional no òptima y l’anàlisi de la reducció de vibracions mitjançant la utilització d’un sistema de suspensió passiva. El disseny de la nova roda omnidireccional no òptima té com a objectiu expandir les capacitats del robot mòbil, reduint el cost d’implementació de les rodes i aportar noves possibilitats de mobilitat en ambients interiors o exteriors.

La plataforma robótica APR surgió de un proyecto en cual se centraba en investigar nuevos métodos y algoritmos para convertir a un robot móvil en una herramienta con servicios asistenciales para ayudar a personas discapacitadas o mayores con el objetivo de mejorar su calidad de vida. Este proyecto se desarrolló en el grupo de investigación de procesador de señal y robótica de la Universidad de Lleida. El desarrollo de la plataforma APR progresó gracias a la implementación de diversas aplicaciones, el diseño de nuevos prototipos APR y la publicación de diversos artículos científicos. En ese momento, las nuevas características del robot móvil no solo aportaron las servicios de asistencia por las cuales fue diseñado, sino que también empezó a convertirse en una extraordinaria herramienta de investigación para desarrollar nuevo conocimiento basado en conceptos como el Internet de las cosas (IoT), la tecnología de la información (IT) o la inteligencia ambiental (AmI). En esta tesis se presentan cuatro trabajos de investigación relacionados con el desarrollo y la mejora de las aplicaciones y funcionalidades de la plataforma APR. El primer trabajo presenta el desarrollo de un dispositivo sensor compacto destinado a ser utilizado como una herramienta portátil de recolección y registro de datos ambientales. El segundo trabajo presenta el desarrollo de una matriz de sensores de gas de bajo coste para la detección de fugas de gases en entornos complejos. El tercer trabajo propone un método que permite aplicar técnicas SLAM en un LIDAR 2D inclinado hacia el suelo con el fin de detectar agujeros u objetos pequeños que normalmente no se detectan cuando se utiliza un LIDAR 2D en posición horizontal. Finalmente, el cuarto trabajo presenta la implementación de una rueda omnidireccional no óptima y la reducción de vibraciones mediante la utilización de un sistema de suspensión pasiva. El diseño de la nueva rueda omnidireccional no óptima tiene como objetivo expandir las capacidades del robot móvil, reduciendo el coste de implementación de las ruedas y aportar nuevas posibilidades de movilidad en ambientes interiores o exteriores.

The APR platform was created in a project focused on investigate new methods and algorithms to convert a mobile robot into an assistive service tool in order to help disabled or elderly people with the objective to improve their quality of life. This project was developed on the Signal Processing and Robotics Research Group from the University of Lleida. The development of the APR platform has enabled the implementation of multiple applications and the design of new APR prototypes. At that moment, the new features of the mobile robot platform not only provided the assistive services that was initially conceived on, but it also started to become a versatile research tool to develop new knowledge based on concepts such as Internet of Things (IoT), Information Technologies (IT) or Ambient Intelligence (AmI). This thesis presents four research works related with the development and improvement of the applications and functionalities of the APR platform. The first work presents the implementation of a compact sensor device intended to be used as a portable gathering ambient data tool based on standard protocols. The second work presents the development of a low-cost gas sensor array for early gas leak detection. The sensor device aims to detect multiple gas sources in complex environments. The third work proposes a method to perform the SLAM technique on a fixed tilted-down 2D LIDAR in order to detect holes or small objects that usually remains undetected when using a fixed horizontal 2D LIDAR. Finally, the fourth work presents the implementation of a non-optimal omnidirectional wheel and the analysis of the reduction of vibrations through the use of a passive suspension system. The design of the new non-optimal omnidirectional wheel aims to expand the capabilities of the mobile robot, reducing the manufacturing cost and providing new mobility possibilities in indoors and outdoors environments.