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导游机器人：具有5g的功能机器
人博物馆指南
该论文于2024年1月16日被机器人和前沿收录
引言
本文介绍并讨论了5g旅游项目的导游机器人的开发和部署，旨在开发5G技术在不同
用途中的应用。其目标是开发一种自主机器人应用程序，将智能通过5Gneteot卸载
到远程机器，从而提高机器人自身的大部分计算负荷。该应用程序使用了在robotics
，（i.e.、定位、映射、规划、交互中已被广泛研究的补偿器）。然而，网络的特点
和与野外访问者的交互引入了必须考虑到的具体问题。本文详细讨论了这些问题，
总结了方法和实验的主要结果，并通过对健康系统的基因功能结构的描述，包括导
航和操作服务。软件实现完全可用。
标签：5G，类人机器人，博物馆指导机器人，自主导航，服务机器人
1介绍
在过去的几十年里， 由于技术的进步和成本的大幅下降，许多创新的解决方案已 经被整合到文化领域， 目的是使艺术更容易获得和吸引人。成功的应用范围从使用移 动应用程序（Hanussek ，2020年） 到可穿戴设备（Alletto等人，2015年） ，到脑电图 （EEG）信号（Cruz- Garza等人，2017年） ，再到提供个性化服务，如访问路径。
与此同时，最近一个吸引游客参观博物馆的解决方案是使用社交机器人。社交机器 人是具体化的，是在社交和情感层面上与人类交流和互动的自主主体。它们代表了一 个新兴的研究领域，专注于维持与一个人打交道的错觉。
博物馆导游机器人的第一个例子集中于在移动机器人基地上实现自主导航（Burgar d et al. ，1999） 。后来的迭代通过言语（诺巴克什等，1999) 、头部运动（特伦等， 1999b 、特伦等，1999a） 、情绪显示和双向言语（马卡卢索等，2005； 2瓦雷兹等人 , 2010） 。随着类人机器人的进步提高了它们的自主性和可负担性，它们越来越频繁 地被使用（Shiomietal. ，2006；猎鹰者，2013） ，因为它们使用自然手势的能力（SOA R ，2019）。
云机器人的概念（Kameietal. ，2012） 引入了机器人asa服务的概念，即传感、计算 和内存等软件组件没有必须集成到一个单个系统中。 由于网络延迟、可变的服务质量和 停机时间，云机器人软化包括一些本地处理时间敏感、低延迟服 务和在网络访问不可用或不可靠的期间的能力。特别是，机器人 系统的需求（可预测和低延迟，相对较高的g带宽，连接的可靠 性）可以受益于5g的低延迟。
地平线2020 5G-tour项目的范围是展示5G技术增强不同垂直用 例的能力。其中一个用例是开发了一个支持移动网络的联合博物 馆机器人指南。5G网络持续的高带宽和低延迟特别适合于使用低 成本的人形机器人实现机器人c应用，必须保证在长时间内安全 和一致的运行。 由于机载处理能力和电池的限制，低成本的机器 人需要卸载计算。在这项工作中，我们提出并讨论了一个导游机 器人的开发和部署，其中一些苛刻的服务被卸载到一个远程服务 器和通过5G到互联网。在本文的提醒中，我们首先总结了其开发 过程中的硬件和软件的选择， 以及对网络工作的要求和特点。然 后，我们介绍了专门针对导游机器人应用程序的操作服务， 以便 实现对歌剧的脚本解释和与访问者的互动。最后，我们报告了在 两个独立博物馆的该领域广泛试验的结果，描述了拟议应用的优 势， 以及仍被视为部署的开放问题。特别地，我们讨论了公众的 可接受性和参与性的结果，如其自主性和稳健性。
2相关工作
如今，各种技术（如投影、全息图、移动应用程序） 、交互 式系统（声音交互、触摸、免费动作）和可访问性（虚拟参观） 都可以增强参观博物馆的体验。除此之外，在过去的20年里，服 务机器人的使用使可访问性和吸引力有所增强，涵盖了各种类型 的应用程序，并提供了不同程度的实用性和可用性。机器人式博 物馆通常可分为三类：博物馆指南、远程呈现平台和艺术装置本 身（Miller等人，2008；Germak等人，2015）。
2 . 1博物馆引导机器人
虽然已经部署了与游客互动的静态机器人（Bickmore等人， 2011 ；Pitsch等人，2011 ； 山崎等人，2012 ；Gehle等人，2017 ) , 移动机器人更常用于作为博物馆引导机器人 。移动导游首 先作为轮式感知基地实施（Burgard et al. ，1999） ，并增加了通 信设备，如围栏、音箱、彩色led 、武器。随后，类人动物（Falc oner ，2013）或更常见的由可移动基部和上类人躯干组成的半类 人动物（Shiomietal. ，2006）
利用他们与人类进行自然互动的机会。表1报告了博物馆导航机 器人的导航、交互能力和技术准备水平。Hellou等人（2022年） 也编制了一份更全面的综述。
2. 1 . 1移动基地
博物馆最早的指南机器人平台的例子包括1997年在德国博物 馆波恩博物馆（伯尔加德等人 ， 1999 年） 推出的犀牛 ， 以及 1998年在匹兹堡卡内基自然历史博物馆推出的轮式移动机器人芯 片，它通过演讲提供了单向叙事（诺巴克什等人，1999年） 。随 后，该平台的其他迭代，也提供了有限的视听信息（Nourbakhsh 等人，2003年） 。史密森尼博物馆的美国国家历史博物馆介绍了 密涅瓦，它是犀牛的继承者。犀牛是一种移动机器人，配备有移 动的头部，能够根据用户的行为产生面部表情来表达情绪（Thru netal. ，1999a） 。这些以及后来的轮对机器人平台能够通过概率 定位和映射、基于距离传感器（如激光距离探测仪、声纳、红外 线） 的全球规划和避障来自动导航。这些早期的应用主要集中在 动态博物馆环境中的高效测绘和定位上（Trahaniasetal. ，2005） 。网络通信首先是通过无线以太网完成的（Thrunetal. ，1999b） , 核心导航组件运行在船上。特别是，在Thrun等人（1999b） 中 , Thrun等人（1999a） 的定位和避障主要是在机上执行，而人的 检测可以远程执行。在我们的应用程序中，我们展示了，即使是 偏离robot ，e.g.控制回路的组件，3D避障，也可以通过行延迟5g 网络远程执行。后来的工作（Trahaniasetal. ，2005）增加了Web 接口，但在这些情况下，通信是异步的，主要降级为远程操作。
在拉特龙，研究的焦点通过语音识别和情绪状态从自动导航 转向了社会互动 。在意大利的阿根廷艺术博物馆推出的电影机 器人引导机器人，允许游客们提问。为了提供一致的答案，我 们开发了一个语义模块来过滤问题和检索有用的信息（Macaluso et al. ，2005） 。导航是通过机载ste reo相机和放置特别标记在 博物馆 。Urbano引导机器人（Alvarezetaz. ，2010） ，在西班牙 各地的展览中部署，能够识别问题和调制后期讲话， 以反映一 系列不同的情绪状态， 除了面部表情 。导航仍然可以通过激光 测距仪 、 声纳和红 外线来实现 。 移动基地仍在使用； 在 Del Duchetto等人（2019年） 中，作者关注了高水平的规划和长期的 操作性。机器人和基础设施之间的集成最近也被使用了；Temi （2022）能够打开自动门，降低其他展览的数量。
2 . 1 .2类人体
最近，导游机器人一直专注于人机互动，并获得了更人性化 的外观。
在2005年世博会上使用的复制品Q1-Q2有一个人体上部
身体具有真实的外表，并通过言语、面部表情和肢体语言进行 交流。身体上覆盖着触觉皮肤以进行感觉触觉（ Matsui et al. ， 2005） 。2006年在大阪科学博物馆的一次实地试验中，部署了4 名人形导游（Shiomietal. ，2006） 。定位是通过红外摄像机跟踪 系统和与访客活跃的RFID标签交互实现的。值得注意的是，2013 年被日本新兴科学与创新国家博物馆担任博物馆导游（ Falconer , 2013） 。一群游客通过举手的方式，探讨了对说话者的认可 。在华盛顿史密森尼博物馆的三个博物馆中使用了六个胡椒机 器人， 回答游客的问题，并使用声音和手势进行叙述（SOAR ， 2019） 。胡椒粉配备了rgb-数码相机，激光和声纳的组合。
其他类人机器人包括类人躯干，在中国遗产中心的游客试用 , 并提供双语语音互动，通过单眼面部跟踪和声音定位跟踪（P ang等人，2018） ， 以及最近的商业解决方案（ Promobombot ， 2022）。
2 .2网真机器人
网真机器人被广泛使用，通常是游客通过远程远程操作探索 博物馆或博物馆其他无法进入的部分的一种手段。通常采用配备 屏幕和摄像头的车轮平台。例如Csiro在澳大利亚国家博物馆的试 点（舒尔茨等人，2013） ，法国国家古迹博物馆（ Norio ，2015 ) , 以及伦敦泰特博物馆用于夜间远程探索展览的多个远程呈现 机器人（泰特，2014）。
2 . 3现场实验评价
大多数机器人都是在几天甚至几周内在实际博物馆的试点研 究中进行测试的（SOAR ，2019； Burgard等人，1999；诺巴克什 等人，1999；威勒克等人，2001；Thrun等人，1999b） ，而至少 有一个剩余使用174天，尽管不是连续的和使用不同的硬件
以及软件迭代（Nourbakhsh等人，1999年）及其后继任者) 。值 得注意的是，Del Duchetto等人（2019年）旅行了超过300公里， 共旅行了2300次，平均旅游持续时间为4.5分钟。大多数导游的持 续时间往往很短，从2分钟到10分钟不等（Gasteigeretal. ，2021） 。相比之下，我们的导游机器人被部署在两个不同的地点，每个 地点为期两周，第一周主要用于设置和调整，第二周专门指导参 观者通过展览和收集游客体验。这两个场馆的实际巡演在开放时 间内持续了整整一周，两个完整的巡演都持续了20到45分钟。
3机器人平台
由于最近使用类人作为博物馆导游的积极结果（2.1.2） ，R1 轮式人形机器人（Parmiggianietal. ，2017）被选为机器人平台， 因为它能够提供手势和面部表达，并在平面上平滑运动。R1 ( 图1）是由意大利技术研究所（IIT）开发的一款可负担得起的移 动机器人，
它由人形躯干和头部和无轮的基部组成。该机器人有两个8 DOF 的手臂和一个2 DOF的头部，带有一个可编程的RGB LED面显示器 来显示面部表情，这使得它特别适合与访问者互动。
在本工作过程中，机器人传感设备、网络硬件和机载计算硬 件经过了不同的修改，最终达到了实验试验中使用的最终配置。 最初，机器人配备了两个RPLIDARA2激光运行ge发现器安装在底座上，车轮之 间， 向前和向后； 一个435RGB-D摄像头安装在表面，两个嵌入 式电脑（一个NUC ，一个安装在内部） ， 以及一个头部定制的 FPGA控制左显示器。位于躯干的Mikrotikhac路由器通过一个支 持5g的智能手机连接viaUSB连接所有分散的机器人组件并允许 远程通信，它固定在单臂上。有些设备没有被使用， 比如位于 机器人眼睛里的立体摄像系统。
在项目过程中，两个激光测距仪升级为RPLIDARA3s ，最大可 用范围为25米；RGB- D相机升级为现实的D455 ，提供了更大的视 场和更高的深度精度。更大的视野，与头部运动相结合，可以增 强动态机器人的视觉意识， 以增加安全性， 同时也允许在机器人 周围规划更平滑的轨迹。
4系统架构
本节介绍了实际的导游机器人应用程序的组件。在图2中报 告了该应用程序的图形化概述。它显示了驻留板热机器人的组件 , 外部在本地服务器和远程互联网。
从软件的角度来看，R1类人机器人技术是基于IIT开发的中间 件YARP（Metta等人，2006年） 。所有的导航和操作服务都建立 在YARP库之上，YARP库负责管理整个网络的数据交换。YARP通 过称为端口的特殊对象实现c通信，这些对象将消息传递到任意 数量的观察者（其他端口） 。计算可以在本地进行变形，即在一 台机器上，或者可以分布于任意数量的机器上，每个机器运行多 个进程，使用多个底层通信协议中的任何一个。yarp中间件实现 了一个插件系统，它允许向连接添加数据压缩方法， 以及一种通 过共享内存进行进程间通信的有效方法。这些特性是优化系统内 数据流的基础。
另一方面，对于自动导航，我们使用了来自ROS 1生态系统的 组件（ ROS ，2023） 。驻留在同一机器上的ROS组件内的通信是 通过ROS主题完成的，而YARP之间和ROS组件之间和位于不同机 器上的ROS组件之间的通信利用现有的YARP-ROS接口（Randazzo 等人，2018） 。特别是，在提议的应用程序中使用了ROS Noetic
。
导游机器人应用程序的软件实现是公开的（导游机器人源代 码，T2023）。
在本节的其余部分中，我们将首先描述机器人运动所需的自 主导航服务（本地化、地图创建、路径规划）的实现，然后是构 成实际导游应用程序的操作服务。
（截取论文开头部分内容，完整内容和机翻文件附件可下载）
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