فراخوان ساخت ویلچر برقی خودران در محیط بسته و مسطح

‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌به گزارش روابط‌عمومی بنیاد ملی علم ایران (INSF) ، براساس برنامه‌ریزی‌های صورت گرفته، بنیاد ملی علم ایران در راستای مأموریت‌گرا‌شدن پژوهش‌ها و حمایت از طرح‌های پژوهشی که به فناوری روز دنیا می‌پردازد و می‌تواند باری از دوش صنعتگران کشور بردارد، فراخوان‌هایی را با عنوان برنامه حمایت از پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان منتشر می‌کند. در این برنامه، نیاز‌های پژوهشی پرریسک شرکت‌های دانش‌بنیان، از طریق سامانه کایپر بنیاد ملی علم ایران به این نهاد اعلام می‌شود و پس از بررسی و داوری‌های لازم، فراخوان پژوهش‌های عمیق و پرریسک شرکت‌های دانش‌بنیان به پژوهشگران و محققان اعلام می‌شود.

فراخوان ساخت ویلچر برقی خودران در محیط بسته و مسطح به عنوان یکی دیگر از فراخوان‌های این برنامه، منتشر می‌شود.

توضیحات فراخوان

مقدمه:

با افزایش جمعیت سالمندان و افراد دارای معلولیت در جوامع مختلف و محدودیت امکانات و نیروی انسانی جهت ارائه خدمات مناسب و شایسته، نیازهای فناورانه جدیدی در حوزه تجهیزات کمک-توانبخشی هوشمند، شکل گرفته که از آن جمله «ویلچرهای برقی خودران و هوشمند» جهت ارائه خدمات به جامعه هدف در بیمارستان‌ها و اماکن خدماتی- تجاری وسیع است؛ و لازم است این تجهیزات خودران، بدون همراهی پرسنل خدماتی، امکان ارائه سرویس مناسب به همه مراجعین و کاربرانی که دارای محدودیت حرکتی هستند فراهم آورده و در عین حال، موجب استقلال‌بخشی به کاربران در محیط و ارتقاء رضایتمندی آن‌ها از حضور در اماکن مربوطه را فراهم آورند.

هدف از این پژوهش، طراحی و تکمیل حلقه فناوری کاربردی برای ویلچرهای برقی خودران در محیط های بسته، مسطح و وسیع در شعاع حداقل یک کیلومتر است که به صورت خودکار و تحت نظارت و پایش بالادستی، توانایی خدمات هوشمند به مراجعین را داشته باشد.

پیشینه مسئله تحقیقاتی:

با ظهور نیازهای جدید در حوزه تجهیزات کمک-توانبخشی هوشمند طی سال‌های اخیر، و محدودیت امکانات و نیروی انسانی جهت ارائه خدمات و سرویس‌های مورد نیاز از یک سو و گسترش جامعه هدف سالمندان و افراد دارای معلولیت از سوی دیگر، ضرورت پژوهش کاربردی و فوری در حوزه ویلچرهای برقی خودران و هوشمند نمایان است. این ضرورت در جهت ارائه پاسخ فناورانه به لیست نیازهای زیر به‌طور جدی در کشور احساس می‌شود:

• نیاز به ویلچر برقی هوشمند و خودران در محیط‌های بسته همچون بیمارستان‌ها و اماکن تجاری و توریستی وسیع به‌منظور هدایت خودکار ویلچر و حمل و انتقال سالمندان، بیماران و افراد دارای محدودیت حرکتی تا موقعیت‌های مورد نظر و سپس بازگشت خودکار ویلچر به ایستگاه، بدون نیاز به همراهی پرسنل.
• نیاز به پلتفرم‌های رباتیک خودران جهت حمل بار سالمندان و افراد کم‌توان در محیط‌های ترانزیتی و فضاهای مشابه.
• نیاز به امکان ناوبری ویلچربرقی از طریق صفحه لمسی تلفن هوشمند شخصی به‌خاطر ضعف عضلانی کاربر.
• نیاز به اتصال ویلچرهای برقی به شبکه‌های بی‌سیم ( Wireless Networks ) جهت پایش و مدیریت یکپارچه ناوگان و خدمات‌رسانی هوشمند به کاربران و امکان اتصال ناوگان به اینترنت جهت پایش و پشتیبانی از راه دور.

هم‌اکنون، لبه پژوهش‌های عمیق و کاربردی در دانشگاه‌های شرق و غرب جهان همچون دانشگاه MIT و McGill در آمریکا تا Saitama در ژاپن در رویکرد تجهیزات توانبخشی هوشمند، بر این هدف متمرکز شده است و شرکت‌های مختلفی به ارائه محصولات تجاری و کاملاً عملیاتی پرداخته‌اند.

در این میان، شرکت دانش‌بنیان متقاضی به‌عنوان تنها دارنده «حلقه کامل فناوری کنترل و ناوبری» در سیستم‌های کمک-توانبخشی متحرک؛ همچون ویلچر برقی در کشور محسوب می‌شود که با لحاظ بالاترین سطوح استاندارد و ایمنی عملیاتی ( FunctionalSafety )، محصولاتی در سطح فناوری TRL8 و TRL9 عرضه می‌کند. این شرکت طی بیش از یک دهه فعالیت به‌عنوان مرجع تخصصی در حوزه تجهیزات توانبخشی هوشمند، مورد تأیید سازمان بهزیستی کل کشور قرار گرفته و دسترسی کامل و بومی به سخت‌افزار و نرم‌افزار کنترل و ناوبری انواع ویلچر برقی را فراهم آورده است. محصول کنترلر ویلچرهای برقی تولید شده در این شرکت، بیش از ۶۵.۰۰۰ ساعت دوره پایش بلندمدت در محیط واقعی توسط کاربران را پشت‌سر گذاشته و با ضمانت بلندمدت به تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان ویلچر برقی عرضه می‌شود.

از آنجا که سیستم‌های خودران و هوشمند در ویلچر برقی نیازمند ارتباط سخت‌افزاری و نرم‌افزاری با زیرسیستم کنترل و ناوبری ویلچر برقی از طریق پروتکل ارتباطی ایمن و کارآمد هستند، شرکت متقاضی در حال حاضر تنها شرکت ایرانی محسو ب می شود که بدون نگرانی از تحریم های خارجی می تواند نیازهای پیشرفته و مدرن کشور در حوزه ویلچرهای هوشمند و خودران را تأمین نماید.

شرح مسئله تحقیقاتی:

- این پروژه شامل توسعه سخت‌افزار و طراحی نرم‌افزار کنترلی مورد نیاز برای حرکت خودران دو دستگاه ویلچر برقی در محیط بسته، مسطح بیمارستانی و مانند آن است. اجزای مختلف پروژه شامل انتخاب مناسب آرایه سنسورها، تجمیع و توسعه سخت‌افزار و نرم‌افزار کنترل و ناوبری وسیله نقلیه الکتریکی (ترجیحاً بر بستر ROS ) و طراحی واسط کاربری محصول (بر بستر اندروید یا ویندوز) می‌باشد.

- اهداف فنی و تخصصی پژوهش:

1. دست‌یابی به دانش فنی نقشه‌برداری و موقعیت‌یابی همزمان ( SLAM ) برای ویلچر برقی در محیط بسته و مسطح؛
2. دست‌یابی به دانش فنی مسیریابی بهینه ( Optimal Path Planning ) و ناوبری خودکار ( Self-Driving ) ویلچر برقی در محیط بسته و پیمودن نقشه از پیش تعیین‌شده؛
3. دست‌یابی به دانش فنی آنالیز برخط موانع از طریق آرایه سنسورها ( Multi-Sensor Fusion ) و پرهیز از برخورد با افراد و اجسام متحرک ( Dynamic Obstacle Avoidance ) در حین حرکت؛
4. دست‌یابی به زیرساخت نرم‌افزاری مدیریت یکپارچه ناوگان ( Multi-Agent System & Fleet Management ) در خدمت رسانی همزمان ویلچرهای برقی در یک محیط بسته؛
5. خروجی نهایی در این پروژه می‌بایست بتواند رشته فرامین کنترل و ناوبری ویلچر برقی را در فرکانس کارآمد و ایمن برای ماژول درایو الکترونیکی موجود در وسیله نقلیه، طبق یک پروتکل سریال مشخص (که تحویل تیم مجری می‌شود،) ارسال نماید؛
6. وسیله نقلیه می‌بایست قادر باشد که بار اول، از طریق اسکن محوطه، نقشه محیط عملیاتی را تهیه کند و پس از تعریف موقعیت‌های مختلف روی نقشه از طریق یک رابط کاربری، برای دفعات بعد بتواند برای حرکت و انتقال کاربر از موقعیت مبدأ به موقعیت مقصد روی نقشه از پیش تعریف‌شده، به‌طور پیوسته مسیریابی بهینه داشته باشد و کاربر سالمند یا بیمار را به‌طور ایمن به مقصد انتقال دهد. به‌علاوه با دریافت سیگنال برگشت، بدون برخورد با موانع ثابت و متحرک، به موقعیت مبداء بازگردد؛
7. همچنین ویلچرهای متعدد ب ه‌ صورت گروهی می‌بایست تحت نظارت یک نرم‌افزار مدیریت هوشمند ناوگان ( Fleet Management ) قرار داشته باشند و با ارسال وضعیت و موقعیت لحظه‌ای به نرم‌افزار مدیریت یکپارچه و دریافت فرامین کلی از آن، امکان خدمت رسانی گروهی و بهینه سازی شده توسط ناوگان ویلچرهای خودران در محیط مورد نظر را فراهم آورد؛
8. بر خلاف روش‌های کلاسیک و قدیمی برای شناسایی موقعیت و حرکت یک وسیله نقلیه خودران، که از طریق سنسورهای خارجی نصب شده در محیط و نوارهای مغناطیسی روی زمین با محدودیت‌های زیاد و انعطاف‌پذیری اندک انجام می‌پذیرفت؛ در سیستم‌های خودران مبتنی بر SLAM و بر پایه سنسورهای LiDAR ، متحرک می‌بایست بتواند بدون محدودیت در هر محیط جدیدی با یکبار اسکن و نقشه‌برداری، به حرکت و حمل خودکار در مختصات تعریف‌شده بپردازد؛
9. از آنجا‌که این پژوهش از سوی شرکت دانش‌بنیان، کاملاً خروجی‌محور طراحی شده و می‌بایست به محصول کاربردی و عملیاتی منتهی گردد، با تحقیقات آزمایشی فاصله داشته و پیچیدگی فناوری در این پژوهش بسیار بالا و در لبه دانش فنی کشور قلمداد می‌شود و حتی عمر محصولات تجاری موجود در سطح جهانی به کمتر از ۵ سال می‌رسد.

چالش‌های نیاز فناورانه:

از چالش‌های کلیدی در این حوزه، علاوه بر معادلات موقعیت‌یابی و نقشه‌برداری همزمان ( SLAM )، شناسایی موانع و پرهیز از برخورد با موانع متحرک ( Dynamic Obstacle Avoidance ) و نیز تغییر مسیر پویا و مسیریابی بهینه در مواجهه با موانع متحرک و موانع موجود در مسیر پیش‌فرض ( Optimal Path Planning ) می‌باشد، تا بتواند کاربر را بدون توقف فرایند، به مقصد برساند. فراتر از چالش‌های مذکور، مدیریت ناوگان و ارتباط گروهی (دو متحرک خودران یا بیشتر) ( Multi-Agent System & Fleet Management ) جهت خدمات‌دهی بهینه و هوشمند به مراجعین، از نظر فنی و عملیاتی بسیار پرچالش محسوب می‌شود و در این پژوهش، نسخه آزمایشی این قابلیت، تحت یک نرم‌افزار پایش و کنترل خودکار و بالادستی جهت بهینه‌سازی خدمات مطالبه می‌گردد. از سوی دیگر لازم است موقعیت هریک از ویلچرهای خودران روی نقشه از پیش اسکن و تعریف شده در محوطه و متکی بر موقعیت‌یابی خود ویلچرها (مستقل از GPS ) باشد و در نرم‌افزار سرور در هر لحظه قابل مشاهده باشد؛ که خود، چالش سخت‌افزاری و نرم‌افزاری دیگری برای ارتباط بی‌سیم سرور با ناوگان از طریق WiFi ، Bluetooth ، nRF و… با قابلیت پوشش محوطه وسیع با شعاع حداقل یک کیلومتر محسوب می‌شود.

گام‌های تحقیقاتی و الزامات طرح:

1. تحقیق، امکان‌سنجی و انتخاب روش نقشه‌برداری و موقعیت‌یابی کارآمد، به‌روز و مقرون‌به صرفه، بر اساس نیاز فناوری و محدودیت‌های عملیاتی و دسترسی به قطعات و سخت‌افزار در بازار داخلی یا کشورهای ترکیه و چین؛
2. پیاده‌سازی و تست زیر سیستم نقشه‌برداری و موقعیت‌یابی با طراحی واسط کاربری بر پایه اندروید یا ویندوز؛
3. ایجاد زیر سیستم مسیریابی و استخراج مختصات و فرامین ناوبری و کنترل حرکتی و اعمال آن به زیر سیستم درایور؛
4. تجمیع زیرسیستم‌های به‌روزرسانی نقشه، موقعیت‌یابی، مسیریابی و تلفیق با زیر سیستم ناوبری؛
5. پیاده‌سازی آرایه سنسورها برای تشخیص موانع پویا و تفکیک موانع سیار از موانع محیطی موجود در نقشه
6. پیاده‌سازی سیستم انتخاب عکس‌العمل مناسب و متناسب ( Proportional ) هنگام رو‌به‌رو شدن با موانع متحرک و موانع محیطی موجود در نقشه، تغییر مسیر و مسیریابی بهینه ( Optimal Path Planning ) و پرهیز از موانع پویا ( Dynamic Obstacle Avoidance )؛
7. پیاده‌سازی سیستم ارتباط دوطرفه و برخط ربات با سیستم ادمین برای کنترل حرکت توسط ادمین یا انتقال داده‌های محیطی و خطاها به ادمین؛
8. طراحی و اجرای نسخه آزمایشی مدیریت یکپارچه و هوشمند ناوگان ( Multi-Agent System & Fleet Management ) بر پایه سیستم عامل ویندوز جهت پایش و اعمال تنظیمات و ایجاد وظایف.

خروجی نهایی تحقیق:

دو نمونه دستگاه ویلچر برقی خودران در کاربرد خدمات‌رسانی در اماکن وسیع، ضمن قابلیت خدمات‌رسانی هوشمند برای حمل کاربران سالمند تا مقاصد مورد نظر، این دو دستگاه تحت پایش و کنترل یک نرم‌افزار سرور قرار دارند که قابلیت مدیریت گروهی جهت خدمات‌رسانی بهینه را داشته و با دریافت سیگنال درخواست کاربر جدید در گیت مبدأ، نزدیک‌ترین دستگاه آماده به خدمت به متقاضی، خدمات‌رسانی را طبق شرح وظایف انجام دهد. در عین حال موقعیت هر یک از دستگاه‌ها مستقل از GPS ، در نرم‌افزار سرور مدیریت یکپارچه در هر لحظه قابل مشاهده باشد.

راهکارهای غیرجذاب

1. لزوم اتصال داشتن محصول نهایی به اینترنت در حین خدمات‌رسانی؛
2. استفاده از بلوک‌های نرم‌افزاری یا سخت‌افزاری که برای تهیه و استفاده، نیاز به فعال‌سازی یا لایسنس داشته و هرگونه نگرانی تحریم‌های خارجی در مورد آن‌ها موجود باشد؛
3. انتخاب یا طراحی سخت‌افزار بزرگ با هزینه و مصرف جریان بالا یا ایجاد نویز قابل‌توجه، بدون پیوست فنی مناسب در انتخاب سخت‌افزار؛
4. انتخاب روش‌ها و سنسورهای موقعیت‌یابی و نقشه‌برداری بدون پیوست فنی و اقتصادی بهینه؛
5. امکان ایجاد نقاط کور و محدودیت متراژ در شعاع عملیاتی سیستم خودران در محیط بسته، به‌خاطر ضعف سخت‌افزار یا نرم‌افزار.

تسهیم مالکیت فکری:

1. مالکیت معنوی: مجری در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و متقاضی در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود، اما از آنجا که رویکرد پژوهش، محصول تجاری و فناورانه است ممکن است محتوای مجاز برای انتشار برخی موارد و جزئیات تخصصی با قیود و محدودیت‌هایی از طرف شرکت دانش بنیان همراه باشد و لازم است هر گونه انتشار محتوا، پس از تأیید رسمی این شرکت انجام پذیرد.
2. مالکیت منافع مادی: اگرچه مالکیت منافع مادی پژوهش و هر گونه سرریز این فناوری در محصولات و کاربردهای دیگر به شرکت دانش‌بنیان متقاضی تعلق دارد؛ اما با توجه به مدل کسب‌وکار شرکت متقاضی، منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری، طبق توافق طرفین، قابلیت اشتراک بین متقاضی و مجری خواهد داشت و امکان تداوم همکاری در انتهای این پژوهش موجود است.

نحوه پذیرش:

رقابتی است و از بین پروپوزال‌های دریافتی، موردی که شرایط زیر را داشته باشد، در اولویت خواهد بود.

1. ترکیب متخصصین تیم پیشنهادی مرتبط باشد.
2. افراد پیشنهاد شده، دارای سابقه پژوهشی و فنی در آن موضوع باشند.
3. زمان‌بندی، هزینه و شرح خدمات، متناسب و مرتبط با پژوهش مورد تقاضا باشد. (در این بخش، مجری می‌تواند برآورد اولیه خود را اعلام کند اما بدیهی است جزئیات اجرایی در ابتدای امر مشخص نیست و مجری و کارفرما با علم به این موضوع وارد این توافق خواهند شد)
4. تیم پیشنهاددهنده، زیرساخت انجام پژوهش اعم از آزمایشگاه و کارگاه را داشته باشند.
5. پروپوزال طبق فرمت پیشنهادی بنیاد، تهیه و ارسال شده باشد.

هزینه‌های قابل قبول:

1. حق‌التحقیق نیروی انسانی
2. تست‌ها و آنالیزها؛
3. خدمات.

حوزه‌های اولویت‌دار

پزشکی / توانبخشی + مهندسی / برق / کنترل + مهندسی / برق / الکترونیک / سیستم‌های هوشمند

واجدین شرایط

پژوهشگر اصلی تیم لازم است عضو هیئت علمی یکی از دانشگاه‌ها و موسسات آموزش عالی کشور باشد.

از پروپوزال‌هایی که در قالب رساله دکتری و طرح پسادکتری تعریف شوند، حمایت فوق‌العاده می‌شود.

پس از دریافت پروپوزال از طریق سامانه کایپر، ارزیابی انجام گرفته و در صورت کسب امتیاز بالا، تیم برگزیده جهت مذاکره با بنیاد و شرکت متقاضی دعوت خواهد شد.

فایل پیوست

فرم خام پروپوزال

تاریخ فراخوان

کلیه افراد واجد شرایط تا ۱۵ بهمن فرصت دارند که پروپوزال خود را از طریق سامانه کایپر / بخش پژوهشگر و متقاضی / فراخوان پژوهش عمیق شرکت‌های دانش‌بنیان برای بنیاد ملی علم ایران ارسال نمایند.

مبلغ حمایت

پژوهش پیشنهاد شده تا سقف ۸۰ درصد، حداکثر ۲ میلیارد تومان، توسط بنیاد ملی علم ایران حمایت خواهد شد. بدیهی است که مابقی هزینه‌ها باید توسط شرکت متقاضی پژوهش تأمین شود.

کارگروه مسئول

در صورت هرگونه سوال می‌توانید با کارگروه دانش‌بنیان با ایمیل: amini.m@insf.org و شماره تلفن ۰۲۱۸۲۱۶۱۱۲۱ تماس بگیرید.

جهت بارگذاری پروپوزال کلیک کنید.