Navigation semi-autonome d'un fauteuil roulant motorisé en environnements restreints

Ce travail introduit un système de navigation semi-autonome pour fauteuil roulant motorisé (FRM) visant à assister les personnes à mobilité réduite dans leurs déplacements quotidiens. Différentes fonctionnalités d'assistance à la navigation sont offertes, telles que l'assistance d'évitement de collision et de déblocage lors d'impasses, puis l'exécution de manoeuvres automatiques : de mouvements rectilignes, de suivi de murs, de suivi de personnes, de traversée de passages étroits et de stationnement. Élaboré avec l'appui de professionnels en réadaptation et d'usagers de FRM, le système de navigation proposé se distingue par sa facilité d'appropriation attribuable à des fonctionnalités simples à maîtriser, par sa navigation intuitive, confortable et sécuritaire, puis par ses aptitudes à opérer en environnements restreints, variés et inconnus. Le système est validé à l'aide du WST (Wheelchair Skills Test) en collaboration avec des professionnels en réadaptation du centre Lucie-Bruneau de Montréal. Huit usagers sains et neuf usagers handicapés ont exécuté le test. Les 8.8 kilomètres parcourus sur vingt-cinq heures d'expérimentation ont démontré l'efficacité et la fiabilité de la solution proposée. Les commentaires positifs des usagers confirment l'intérêt des différentes facettes du système. Les expériences ont, en outre, démontré une aptitude exceptionnelle à la réalisation automatique de manoeuvres en environnements restreints, comme lors de passage de portes standards (moins de 90 cm de large) et de stationnement. Ces performances sont rendues possibles en redéfinissant comment une plate-forme mobile doit se mouvoir dans l'espace, réagir aux obstacles, gérer l'incertitude des mesures, compenser l'erreur d'exécution, établir des stratégies valides dans la plupart des contextes liés aux fonctionnalités et, enfin, organiser l'ensemble des fonctionnalités sous une architecture de contrôle facilitant leur développement. Ce travail contribue ainsi à la robotique mobile par l'apport d'approches de suivi de séquence de points (et de trajectoires), d'évitement stratégique de collisions et d'impasses, de stationnement parallèle, de traversée de passages étroits, d'autolocalisation en environnement partiellement inconnu et par une architecture de contrôle sous laquelle opère l'ensemble des fonctionnalités. Ces méthodes se distinguent par leur capacité à s'adapter à des contextes variés et restreints, puis par leur simplicité d'utilisation. Chaque approche est étudiée individuellement, puis conjointement dans l'application de fauteuil roulant semi-autonome.

Abstract

This work presents a semi-autonomous navigation system for powered wheelchairs which provides assistance to people with mobility impairments during their activities of daily living. The system has various functionalities such as collision assistance, anti-deadlock assistance, automatic maneuvers including moving on a distance, following a wall, following a person, passing through a narrow passage and parking in restrained areas. Built in regard to the advices of clinicians and wheelchair users, the proposed navigation system is especially easy to run due to a set of easy to- understand functions providing an intuitive, comfortable and secure navigation. It is capable to operate in various restrained and unknown environments. The system has been validated using the Wheelchair Skills Test (WST) by clinicians from the Lucie-Bruneau rehabilitation center in Montreal. Eight healty users and nine impaired users have done the test. The 8.8 kilometers covered in 25 hours of experimentation have shown the efficiency and the reliability of the proposed solution. The positive user comments point out the relevance of the different system features. Specifically, the experiments have demonstrated the system's exceptional skills in carrying out automatic maneuvers in restrained environments, such as passing standard doors (width less than 90 cm) and parking. The special system's efficiency to perform in various restrained environments is made possible by redefining how a mobile platform should move, react to obstacles, deal with measurement uncertainties, compensate for execution errors, set up strategies that are applicable in most operation contexts and organize the overall functionalities into an efficient control architecture. The work resulting from this investigation contributes to the mobile robotic field by proposing novel approaches for the problems of waypoint-following (and path-following), collision assistance, deadlock avoidance, parallel parking, narrow passages and self-localization, as well as for a special control architecture that underlies all functionalities. All these approaches differ from previous ones in their adaptability to varied and restrained contexts, and for their simplicity of use. The approaches are first studied separately, next jointly in the semi-autonomous navigation system.