Developing a person guidance module for hospital robots

This dissertation describes the design and implementation of the Person Guidance Module (PGM) that enables the IWARD (Intelligent Robot Swarm for attendance, Recognition, Cleaning and delivery) base robot to offer route guidance service to the patients or visitors inside the hospital arena. One of the common problems encountered in huge hospital buildings today is foreigners not being able to find their way around in the hospital. Although there are a variety of guide robots currently existing on the market and offering a wide range of guidance and related activities, they do not fit into the modular concept of the IWARD project. The PGM features a robust and foolproof non-hierarchical sensor fusion approach of an active RFID, stereovision and cricket mote sensor for guiding a patient to the X-ray room, or a visitor to a patient’s ward in every possible scenario in a complex, dynamic and crowded hospital environment. Moreover, the speed of the robot can be adjusted automatically according to the pace of the follower for physical comfort using this system. Furthermore, the module performs these tasks in any unconstructed environment solely from a robot’s onboard perceptual resources in order to limit the hardware installation costs and therefore the indoor setting support. Similar comprehensive solution in one single platform has remained elusive in existing literature. The finished module can be connected to any IWARD base robot using quick-change mechanical connections and standard electrical connections. The PGM module box is equipped with a Gumstix embedded computer for all module computing which is powered up automatically once the module box is inserted into the robot. In line with the general software architecture of the IWARD project, all software modules are developed as Orca2 components and cross-complied for Gumstix’s XScale processor. To support standardized communication between different software components, Internet Communications Engine (Ice) has been used as middleware. Additionally, plug-and-play capabilities have been developed and incorporated so that swarm system is aware at all times of which robot is equipped with PGM. Finally, in several field trials in hospital environments, the person guidance module has shown its suitability for a challenging real-world application as well as the necessary user acceptance

Ferocious Marys and dark Alessas: the portrayal of religious matriarchies in Silent Hill

Theologians have repeatedly drawn attention to the unfavorable portrayal of women in Judeo-Christian texts and practice. Feminist critics have noted that “the norm for women is absence and silence” in ancient religious texts and that when women do appear, they tend to be framed in binary terms as passive devotees or monstrous demons, virginal mothers or seductive whores, innocent lambs, or corrupt sinners (Stanton 1993; Daly 1973). Unsurprisingly, such stereotypical depictions are in line with the patriarchal norms which have long persisted in wider, secular society, which deem women as inferior and subordinate to men (Schur 1984). Subsequently, there have been calls for alternative theological interpretations which value and empower women (Russell 1985) yet in the absence of such belief systems we have to look outside of existing frameworks for more egalitarian possibilities. This chapter will briefly consider the critical arguments regarding the role of women in religion, primarily Judeo-Christian scripture, and explore the value of alternative representations as a challenge to the dominant power structures in non-secular and secular society. It will do this through particular readings of the multimedia horror franchise Silent Hill, as a critical reflection of the ways that religious belief and practice can embody the social devaluation and control of women

The Bib and Apron, 1993

The yearbook of the nursing program at the Salvation Army Grace General Hospital in St. John's, NL. Includes photographs of nursing students as well as articles and other material.Range: [1940-1996]. Includes advertisements

Multi-sensor multi-person tracking on a mobile robot platform

Service robots need to be aware of persons in their vicinity in order to interact with them. People tracking enables the robot to perceive persons by fusing the information of several sensors. Most robots rely on laser range scanners and RGB cameras for this task. The thesis focuses on the detection and tracking of heads. This allows the robot to establish eye contact, which makes interactions feel more natural. Developing a fast and reliable pose-invariant head detector is challenging. The head detector that is proposed in this thesis works well on frontal heads, but is not fully pose-invariant. This thesis further explores adaptive tracking to keep track of heads that do not face the robot. Finally, head detector and adaptive tracker are combined within a new people tracking framework and experiments show its effectiveness compared to a state-of-the-art system

A contribution to robust person perception on real-world assistance robots in domestic scenarios

Die höhere Lebenserwartung der Bevölkerung und eine rückläufige Geburtenrate führen zu einem steigenden Anteil älterer Menschen in der Gesellschaft. Mobile Assistenzroboter sollen ältere Personen zukünftig in ihren Wohnungen unterstützen. Um sinnvolle Funktionen und Dienste anbieten zu können, muss der Roboter Personen in seiner Umgebung wahrnehmen können. Das häusliche Szenario stellt dabei aufgrund seiner Komplexität eine Herausforderung für die Erkennungsalgorithmen dar. Komplexität entsteht beispielsweise durch unterschiedliche Einrichtungsmöglichkeiten, schwierige Beleuchtungsbedingungen und variable Nutzerposen. Die Dissertation stellt eine Architektur zur Personenwahrnehmung für mobile Roboter vor. Die modulare Architektur beschreibt die verwendeten Komponenten und deren Kommunikation untereinander. Aufgrund der Modularität können einzelne Komponenten schnell integriert oder ausgetauscht werden. Die Arbeit evaluiert eine Vielzahl von multi-modalen Detektionsverfahren auf Basis von Laser-, Kamera- und 3D-Tiefendaten. Ausgewählte Algorithmen werden für Anwendungsszenario angepasst und weiterentwickelt. Die Hypothesen der Detektoren werden durch einen Personentracker raumzeitlich gefiltert und fusioniert. Besonderheiten des Personentrackers umfassen die Unterstützung mehrerer Filter und Systemmodelle, die Integration von nicht unabhängigen und verspäteten Beobachtungen, die Schätzung der Existenzwahrscheinlichkeit sowie die Integration von Umgebungswissen. Um Nutzer, welche sich nicht im Sichtbereich des Roboters befinden, in der Wohnung zu finden, werden verschiedene Suchverfahren vorgestellt. Das fortschrittlichste Verfahren verwendet eine explorative Suche, um die gesamte Wohnung effektiv zu durchsuchen. Dabei werden falsch-positiv Detektionen ausgeschlossen und mit dynamischen Hindernissen und nicht erreichbaren Räumen umgegangen. Die Arbeit stellt ein Verfahren für die Erkennung von gestürzten, am Boden liegenden Personen vor. Die auf Tiefendaten basierende Erkennung erlaubt es dem Roboter, Personen von anderen Objekten oder Tieren in der Wohnung zu unterscheiden. Die entwickelten Algorithmen wurden im realen Anwendungsszenario evaluiert, indem der Roboter für bis zu 3 Tage in den Wohnungen von Senioren zur freien Nutzung verblieb. Die Experimente zeigten, dass die vorgestellte Architektur zur Personenwahrnehmung robust genug arbeitet, damit der Roboter mithilfe seiner Dienste einen Mehrwert für die Senioren liefern kann.The increased life expectancy of the population and declining birth rates lead to an increasing proportion of elderly people in the modern society and hence an increasing need for age care. Mobile robots can assist users in theirs homes by means of services and companionship. To provide useful functionalities, the robot must be able to observe the user in the environment. The domestic scenario poses a challenge for people detection and tracking algorithms through its complexity caused, among others, by variable furnishing options, difficult lighting conditions and various user poses. This thesis presents an architecture for people detection and tracking for mobile robots in domestic environments. The modular architecture describes the used components and their communication with each other. Due to the modularity of design, the individual components can be easily integrated or exchanged. This work evaluates a variety of multi-modal detection methods based on laser data, camera data and 3D depth data. Suitable algorithms are being applied, adapted and enhanced. The detections are processed by a person tracker to allow for spatial-temporal filtering. Important features of the person tracker include the support of multiple filters and system models, the integration of coupled observations and out-of-sequence measurements, the estimation of the existence probability and the integration of environmental knowledge. The thesis proposes various methods to search and locate users in the apartment, which have left the robots limited field-of-view. The most advanced method uses an exploratory search method to examine the environment effectively. It handles false positive detections, dynamic obstacles and inaccessible rooms in a reasonable manner. Furthermore, this work presents a method to detect people that have fallen to the ground given occlusion. The method uses the depth data of a Kinect sensor mounted on the mobile robot. Point clouds are segmented, layered and classified to distinguish fallen people from furniture, household objects and animals. The developed algorithms were evaluated in a real-world scenario, by allowing the robot to stay in retirement homes for up to three days. The experiments showed that the presented architecture for people detection and tracking is robust enough, so that the robot's services proved to provide an added value to the seniors citizens

Probabilistische Methoden für die Roboter-Navigation am Beispiel eines autonomen Shopping-Assistenten

Abstract Autonomous navigation, in addition to interaction, is a basic ability for the operation of a mobile service robot. Here, important subskills are selfocalization, path planning, and motion control with collision avoidance. A further pre-condition for many navigation tasks ist the generation of an environment model from sensor observationa, often in combination with autonomous exploration. In this thesis, these challenges are considered in the context of the development of an interactive mobile shopping guide, which is able to provide information about the shop's products to customers of a home improvement store and guide them to the respective location. The focus of this work lies on the initial environment mapping. A method for Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) has been developed, which in contrast to other comparable approaches does not assume the use of high-precision laser range scanners. Instead, sonar range sensors are used mainly, which feature an inferior spatial resolution and increased measurement noise. The resulting Map-Match-SLAM algorithm is based on the well known Rao-Blackwellized Particle Filter (RBPF), in combination with local maps for representation of most recent observations and and a map matching function for comparison of local and global maps. By adding a memory-effcient global map representation and dynamic adaption of the number of particles, online mapping is possible even under high state uncertainty resulting from the sensor characteristics. The use of local maps for representation of the observations and the sensor-independent weighting function make Map-Match-SLAM applicable for a wide range of different sensors. This has been demonstrated by mapping with a stereo camera and with a single camera, in combination with a depth-from-motion algorithm for pre-processing. Furthermore, a SLAM assistant has been developed, which is generating direction hints for the human operator during the mapping phase, in order to ensure a route that enables optimal operation of the SLAM algorithm. The assistant represents an intermediate step between purely manual mapping and completely autonomous exploration. A second main part of the work presented here are methods for the autonomous operation of the robot. For selflocalization, a map matching approach with local maps is used, similar to the proposed SLAM algorithm. Improvements of robustness and precision are achieved in combination with an existing visual localization approach which is using omnidirectional camera images. Path planning is done by the utilization of standard graph search algorithms. To that purpose, the grid cells of the global map are regarded as graph nodes. Comparitive analysis is presented for search algorithms with and without heuristics (A*/Dijkstra algorithm), for the specifcs of typical operation areas. Two different algorithms have been developed for motion control and collision avoidance: A reactive method, which is an enhancement of the existing Vector Field Histogram (VFH) approach, is experimentally compared with a new anticipative method based on sampling and stochastic search in the trajectory space. All the developed methods are employed on a team of shopping robots, which have been in permanent public test operation in a home improvement store for six months currently. The description of navigation methods is complemented by an overview of further software componentsof the robots, e.g. for Human-Robot-Interaction, and a detailed description of the control architecture for coordination of the subsystems. Analysis of long term test operation proves that all the applied methods are suitable for real world applications and that the robot is accepted and regarded as a valuable service by the customers.Die autonome Navigation stellt neben der Interaktionsfähigkeit eine Grundlage für die Funktion eines mobilen Serviceroboters dar. Wichtige Teilleistungen sind dabei die Selbstlokalisation, die Pfadplanung und die Bewegungssteuerung unter Vermeidung von Kollisionen. Eine Voraussetzung für viele Navigationsaufgaben ist zudem die Erstellung eines Umgebungsmodells aus sensorischen Beobachtungen, unter Umständen in Verbindung mit einer selbständigen Exploration. Diese Teilprobleme wurden in der vorgelegten Arbeit vor dem Hintergrund der Entwicklung eines interaktiven mobilen Shopping-Lotsen bearbeitet, welcher Kunden eines Baumarktes Informationen zu Produkten zur Verfügung stellen und sie auf Wunsch zum Standort der gesuchten Waren führen kann. Den methodischen Kern der Arbeit bildet die initiale Umgebungskartierung. Dafür wurde ein Verfahren zum Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) entwickelt, welches im Gegensatz zu vergleichbaren Ansätzen nicht auf den Einsatz hochgenauer Laser-Range-Scanner ausgerichtet ist. Stattdessen wurden hauptsächlich Sonar-Sensoren benutzt, die sich durch eine wesentlich geringere räumliche Auflösung und höhere Messunsicherheit auszeichnen. Der entwickelte Map-Match-SLAM-Algorithmus beruht auf dem bekannten Rao-Blackwellized Particle Filter (RBPF), welcher mit einer lokalen Karte zur Repräsentation der aktuellen Umgebungsbeobachtungen sowie einer Map-Matching-Methode zum Vergleich der lokalen und globalen Karte kombiniert wurde. Durch eine speichereffiziente Darstellung der globalen Karte und dynamische Adaption der Partikel-Anzahl ist trotz der aus den sensorischen Beschränkungen resultierenden großen Zustandsunsicherheit die Online-Kartierung möglich. Durch die Transformation der Beobachtungen in eine lokale Karte und die sensorunabhängige Bewertungsfunktion ist das Map-Match-SLAMVerfahren für ein breites Spektrum unterschiedlicher Sensoren geeignet. Dies wurde exemplarisch durch die Kartierung unter Nutzung einer Stereo-Kamera-Anordnung und einer einfachen Kamera in Verbindung mit einem Depth-from-Motion-Verfahren gezeigt. Aufbauend auf dem Kartierungsalgorithmus wurde zudem ein SLAM-Assistent entwickelt, welcher während der Kartierungsphase Aktionsvorschläge für den menschlichen Bediener präsentiert, die eine optimale Funktion des SLAM-Algorithmus gewährleisten. Der Assistent stellt damit eine Zwischenstufe zwischen rein manueller Steuerung und komplett autonomer Exploration dar. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit stellen die Verfahren für die autonome Funktion des Roboters dar. Für die Selbstlokalisation wird ebenso wie beim SLAM ein Map Matching mit lokalen Karten eingesetzt. Eine Verbesserung der Robustheit und Genauigkeit wird durch die Kombination dieses Ansatzes mit einem vorhandenen visuellen Selbstlokalisations-Verfahren auf Basis einer omnidirektionalen Kamera erzielt. Für die Bestimmung des optimalen Pfades zu einem Zielpunkt kommen Standard-Algorithmen zur Pfadsuche in Graphen zum Einsatz, die Zellen der Karte werden dazu als Graphknoten interpretiert. Die Arbeit präsentiert vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von Algorithmen mit und ohne Suchheuristik (A*/Dijkstra-Algorithmus) in der konkreten Einsatzumgebung. Für die Bewegungssteuerung und Kollisionsvermeidung wurden zwei verschiedene Algorithmen entwickelt: Einem reaktiven Verfahren, welches eine Weiterentwicklung des bekannten Vector Field Histogram (VFH) darstellt, wird ein neues antizipatives Verfahren auf Basis von Sampling und stochastischer Suche im Raum der möglichen Bewegungstrajektorien gegenüber gestellt und experimentell verglichen. Die entwickelten Methoden kommen auf mehreren Shopping-Robotern zum Einsatz, die sich seit ca. sechs Monaten im dauerhaften öffentlichen Testbetrieb in einem Baumarkt befinden. Neben den Navigationsmethoden gibt die Arbeit einen Überblick über die weiteren Module des Roboters, z.B. für die Nutzer-Interaktion, und beschreibt detailliert die Steuerarchitektur zur Koordinierung der Teilleistungen. Die Eignung aller eingesetzten Methoden für den Einsatz in einer realen Anwendung und die hohe Akzeptanz der Nutzer für das entwickelte Gesamtsystem werden durch die Auswertung von Langzeittests nachgewiesen

Realisierung nutzeradaptiven Interaktionsverhaltens für mobile Assistenzroboter

Im Zentrum dieser Dissertation steht die soziale Assistenzrobotik. In den letzten Jahren hat die Bedeutung dieses Teilgebietes der mobilen Robotik stark zugenommen und zusammen mit der Diversifizierung robotischer Fähigkeiten hat sich die Nutzergruppe hin zur breiten Masse mit potentiellen technischen Laien gewandelt. Aus dieser Situation heraus erwachsen an die Interaktionsfähigkeiten sozialer Assistenzroboter umfangreiche Anforderungen. Insbesondere stehen in dieser Arbeit die Multimodalität der Interaktion und die Anpassungsfähigkeiten an den konkreten Nutzer im Vordergrund. Am Beispiel eines Serviceroboters für die häusliche Gesundheitsassistenz, wie er in einem vom Autor mit bearbeiteten Forschungsprojekt realisiert wurde, wird zunächst der Analyse- und Entwurfsprozess für dessen Umsetzung geschildert. Im Anschluss daran wird gezeigt, wie sich aus der Systemspezifikation eine mehrschichtige Systemarchitektur ableiten lässt, welche auch auf andere Robotikanwendungen übertragbar ist. Der Fokus liegt dabei auf der modularen Realisierung einer Ablauf- und Dialogsteuerung. Um dem System eine Persönlichkeit zu geben und ein im Langzeiteinsatz akzeptierbares Dialogverhalten zu generieren, wurde ein frame-basierter Dialogmanager konzipiert und umgesetzt. Dabei wurden Aspekte wie Modularität durch ein App-Konzept, leichte Erweiterbarkeit und die Möglichkeit, nutzeradaptive Dialoge zu realisieren, berücksichtigt. Im Kern des vorgestellten Dialogsystems kommt eine gänzlich neue Methode der probabilistischen online-Planung von Dialogsequenzen zum Einsatz. Ein eigens konzipiertes Realweltexperiment konnte zeigen, dass es mit diesem System möglich ist, anhand von systeminternen aber auch nutzergetriebenen Bewertungen, das Dialogverhalten im Rahmen von durch den Designer vorgegebenen Freiheiten zur Laufzeit zu optimieren. Die Gestaltung des robotischen Gesundheitsassistenten wurde durch weitere Teilsysteme abgerundet. Unter diesen spielen verschiedene taktile Sensoriken und ein Emotionsmodell eine entscheidende Rolle für die Realisierung eines liebenswerten Begleiters. Letztendlich konnte in sehr erfolgreichen teils mehrtägigen Nutzerstudien mit Senioren die Praktikabilität des entwickelten Interaktionskonzepts und der Systemarchitektur nachgewiesen werden.The central topic of this thesis concerns social service robotics. In recent years this branch of mobile robotics in general has seen increasing interest. Due to increasing capabilities and growing fields of application of such robots, the group of potential users has changed. Unexperienced users raise extensive requirements regarding the interaction capabilities of such robots. The multi-modality of human-robot dialog and its adaptivity regarding user's preferences and needs are in the focus of this thesis. First, the analysis and specification process for such a system is explained by means of an example, which is a service robot for health assistance in home environments, as it has been developed in a research project at which the author participated. Following this, it is shown how a multi-layer system architecture is derived from that specification, which is applicable to other robotic applications as well. Though the main focus is on a modular realization for the control structures and the dialog handling. In order to enable a long term acceptability of such a system and to give it a personality, a frame-based dialog manager has been designed and is explained in detail. Aspects of interest there are modularity by means of an app-concept, extendablility, and adaptivity of the interaction skills regarding users' qirks and demands. In the core of the presented dialog system, there is a unique planning mechanism based on probabilistic reasoning in a factor graph model of the dialog going on. In a real world experiment it could be shown that this online learning concept is able to optimize dialog behavior regarding system internal as well as user driven reward signals. During the implementation of the health assistant robot further system components have been developed in order to realize a likeable companion. Among them, there are two kinds of tactile sensors and an emotion model, which are presented in this thesis as well. Finally, very successful real world user trials of the health assistant robot involving 9 elderly people are described to show that the presented concepts for system architecture and dialog modelling are viable

Sisters and the Undertakers Son: a Novel Manuscript with a Critical Introduction

"The Sisters and The Undertaker's Son" is a first-person narrative about a fifteen-year-old girl, Shine, from a small town in central Illinois. The time is Christmas, 1979. At the opening of the book, Shine's family goes bankrupt, an older sister Shine has never met shows up on the doorstep and ruins Shine's birthday party, and a great aunt dies but fails to leave Shine's family an inheritance. In the book, Shine attempts to form various relationships, including one with her unhappy and secretive mother; her absent, truck-driving father; her attention-getting half-sister, Rowena; her precocious sister, Mosha; her unthinking cousin, Arnold; and the moody, dark undertaker's son, Rembrandt. Shine even sits atop the Second Baptist Church and waits for "God in the Sun" to appear to her. She wants to be recognized and loved, and she will resort to greater and more desperate measures to achieve her goal, including dropping out of school, getting married, and trying to rid herself of Rowena forever.English Departmen