智慧型機器人輪椅提供增強的自主性和控制力

最近在人體與基礎設施互動、電子工程、機器人技術和人工智慧 (AI) 等領域的進展，為輔助和醫療技術的發展開啟了新的可能性。這些技術包括可以幫助身心障礙人士的設備，支持他們在日常生活中的活動。

密西根大學的研究人員最近開發了一種名為 CoNav 的智慧輪椅，這種輪椅是通過基於機器人操作系統 (ROS) 的框架來控制的。這款新輪椅在 arXiv 預印本伺服器上發表的論文中介紹，能幫助那些暫時或永久無法行走的人改善生活品質，讓他們能更直觀和自主地在周圍環境中移動。

論文的主要作者 Vineet Kamat 告訴 Tech Xplore：「這項工作的靈感來自於幫助身心障礙人士的輔助移動挑戰。」

「移動在獨立生活、社交參與和整體生活品質中扮演著基本角色。雖然電動輪椅 (PWC) 改善了許多使用者的移動能力，但它們仍然存在操作上的挑戰，使得在複雜環境中導航變得困難。」

過去開發的大多數輪椅要麼是完全自動的，要麼只能由使用者手動控制。這兩種解決方案都有其限制，自動輪椅在動態環境中表現不佳，而手動控制的輪椅對於行動不便的人來說操作困難。

密西根大學的團隊旨在開發一種新的智慧輪椅，以克服現有解決方案的缺點。他們開發的 CoNav 輪椅允許使用者部分控制其操作，同時也能自主導航環境。

論文的另一位主要作者 Carol Menassa 說：「我們的主要目標是設計一種智慧輪椅，平衡自主性和使用者控制，實現高效導航，同時保持使用者的信任。」

「我們的方法基於這樣的理念：輔助移動應該是使用者與智能系統之間的合作，而不是完全自動或完全手動的過程。這種人機協作的框架促進了更大的信任、可用性和可及性，幫助身心障礙人士更輕鬆和自信地導航日常生活。」

CoNav 輪椅不同於過去推出的完全自動輪椅，這些輪椅在複雜和動態環境中的移動效果較差。這款新開發的輪椅並不總是自動運行，而是提供了一種協作導航的體驗。

研究的首席學生研究員 Yifan Xu 解釋說：「為了實現這種共享控制，我們採用了名為模型預測控制 (MPC) 的現代控制方法，這是輪椅的智能決策系統。」他補充道：「簡單來說，通過適當設計成本函數，MPC 根據使用者的輸入和環境數據不斷預測最佳的移動方式。」

密西根大學團隊開發的智慧輪椅擁有多種基本組件，包括椅子結構、輪子、搖桿和各種感測器。使用者可以通過移動搖桿來指示椅子想要移動的方向。

Xu 說：「這款輪椅還配備了感測器 (LiDAR、相機、IMU)，可以檢測障礙物、牆壁和道路。利用這些感測器，它生成到達目標位置的最佳路徑。」

值得注意的是，這款新輪椅提供了自適應控制的可能性。這意味著，輪椅不僅僅是完全遵循使用者通過搖桿提供的指示，還會將這些指示融入到自己的導航計劃中。

此外，如果使用者經常提供指導，告訴輪椅想要移動的方向（例如，積極操控輪椅），那麼輪椅會學會優先考慮他們的輸入，而不是它自己創建的導航計劃。相反，當使用者停止通過搖桿提供指示時，系統會接管，以實現安全和流暢的導航。

Kamat 說：「CoNav 有多種獨特的優勢。首先，它減少了使用者的努力，因為使用者不需要像使用手動輪椅時那樣不斷修正它的移動。此外，它能防止碰撞，智能地避開障礙物，同時仍然遵循使用者的意圖。」

與過去推出的其他智慧輪椅設計相比，CoNav 的設計使使用者感覺更有控制感，增強了他們對輪椅的信任，改善了整體使用體驗。通過結合自主和手動控制，這款輪椅使導航更加流暢和直觀，減少了突發的移動和軌跡修正。

Menassa 說：「通過結合使用者意圖和 AI 驅動的導航，CoNav 椅子創造了一種更自然、高效和友好的輪椅體驗，改善了身心障礙人士在日常環境中的移動和獨立性。」

研究團隊在一系列真實世界的實驗中評估了他們的椅子，這些實驗在一個包含靜態和動態（即移動）障礙物的室內環境中進行。他們的發現非常有希望，因為 CoNav 在效率、安全性和使用者滿意度方面似乎超越了完全自動和手動控制的輪椅。

Xu 解釋說：「該系統減少了突發的移動，為使用者帶來了更自然和舒適的體驗。傳統的手動輪椅在狹小空間中控制困難，經常會與附近的物體發生碰撞。相比之下，完全自動的輪椅在動態環境中遇到障礙物時有時會停止運行。我們的共享控制方法將使用者的輸入與實時的障礙物避免結合，從而導致更少的碰撞和更成功的導航。」

研究人員發現，CoNav 也能讓使用者比只能手動操作的輪椅更快地到達目標位置。參與團隊評估的人們也報告說，在使用這款輪椅時感到更舒適和自信，因為他們覺得自己仍然能控制輪椅的移動，同時在需要時也能受益於其自主導航的能力。

Kamat 說：「CoNav 椅子可以用來支持有運動障礙的人，為他們提供更大的獨立性。在未來，它可以在醫療和康復中心使用，幫助那些可能無法使用完全手動輪椅但仍希望有一定控制能力的暫時受傷患者。」

未來，CoNav 椅子可以商業化並在醫療環境中部署，以協助有暫時或永久身體殘疾的人。此外，隨著城市變得更智能和互聯，這款椅子可以連接到其他基於物聯網的導航輔助設備，如智慧人行道、電梯或室內導航系統，讓使用者能安全地在城市環境中移動。

研究團隊目前正在進一步改善 CoNav 的能力並評估其性能。他們計劃很快對一個更具多樣性的使用者群體進行測試，包括不同程度的行動障礙者。

Menassa 補充說：「作為我們下一步的研究，我們還計劃開發一個具有社交意識的共享控制框架，讓輪椅能在擁擠的環境中導航，同時考慮行人的移動。此外，我們希望增強椅子的使用者介面，整合多模態輸入（例如，腦電波信號和眼動追蹤），以支持更廣泛的使用者。」

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