[论文解读] Hibikino-Musashi@Home 2017 Team Description Paper

S. Hori, Yutaro Ishida+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Robotics and Automated Systems参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文介紹了Hibikino-Musashi@Home 2017團隊的家用服務機器人系統，整合了基於ROS的軟體、透過創新COMTA介面實現的FPGA加速處理，以及先進的人機互動技術。主要貢獻包括使用SSVEP的腦波控制機器人操作，以及基於非接觸式生物感測器的跌倒偵測，兩項技術均在RoboCup@Home競賽中展現優異表現，獲得頂尖名次與獎項。

ABSTRACT

Our team Hibikino-Musashi@Home was founded in 2010. It is based in Kitakyushu Science and Research Park, Japan. Since 2010, we have participated in the RoboCup@Home Japan open competition open-platform league every year. Currently, the Hibikino-Musashi@Home team has 24 members from seven different laboratories based in the Kyushu Institute of Technology. Our home-service robots are used as platforms for both education and implementation of our research outcomes. In this paper, we introduce our team and the technologies that we have implemented in our robots.

研究动机与目标

• 在RoboCup@Home日本公開賽中開發並展示先進的家用服務機器人技術。
• 建立一個整合九州工業大學多個實驗室專業知識的研究與教育平台。
• 實現機器人研究的實際應用，包括協助行動能力受限人士的輔助技術。
• 透過開發ROS-FPGA介面COMTA，推進嵌入式機器人技術，實現高效能硬體加速。
• 展示新型人機互動方法，例如腦波控制與非接觸式健康監測。

提出的方法

• 使用兩種機器人平台：Exi@（自研）與HSR（豐田標準平台），各自在競賽中承擔不同角色。
• 建構基於ROS的軟體堆疊，用於感知、導航、操作與人機互動，並開發自訂模組以實現物件辨識、SLAM與追蹤個人功能。
• 利用遷移學習，將22層的GoogLeNet卷積神經網絡應用於物件辨識，每種物件使用2,700張增強影像進行訓練。
• 透過COMTA介面整合FPGA，加速實時處理任務，如人員偵測與追蹤。
• 開發基於腦波控制的機器人介面，利用腦電圖（EEG）量測穩定狀態視覺誘發電位（SSVEP），以選擇機器人動作。
• 部署非接觸式生物感測系統，利用電波反射技術，穿透牆壁監測身體動作、心率與呼吸，用於跌倒偵測。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效透過FPGA加速擴展基於ROS的機器人系統，以支援即時感知任務？
• RQ2 在家庭服務情境中，腦波信號（SSVEP）是否能可靠地用於控制機器人導航與動作？
• RQ3 非接觸式生物感測器能否穿透牆壁偵測跌倒等關鍵事件與生命徵象，實現遠端健康監測？
• RQ4 多實驗室團隊如何整合多樣化的研究成果，形成統一且具競爭力的家用服務機器人平台？
• RQ5 FPGA加速處理在提升嵌入式機器人系統的能源效率與運算速度方面，扮演何種角色？

主要发现

• 該團隊在2016年RoboCup@Home日本公開賽中獲得第二名，2015年獲得第三名，展現系統的高可靠度與優異性能。
• COMTA介面成功實現ROS與FPGA之間低延遲、高效率的通訊，有效加速即時處理任務。
• 使用SSVEP的腦波控制機器人系統，使使用者能以高準確度指揮機器人左右移動，適用於行動能力受限患者的輔助控制。
• 非接觸式生物感測系統能穿透牆壁偵測跌倒並監測生命徵象，實現無接觸的遠端健康監測。
• 利用GoogLeNet與遷移學習，僅以每類2,700張增強影像，即達成對15種競賽物件的穩健辨識。
• FPGA加速的人員偵測系統相比純CPU執行，展現更佳的處理速度與更低的功耗。