智慧機器輪椅：提升自主能力與操控體驗

近年來，人與基礎建設互動、電子工程、機器人技術以及人工智慧（AI）等領域的進展，為輔助與醫療技術的發展開闢了新的可能性。這些技術催生了能夠幫助身體和認知有障礙者的裝置，支援他們的日常生活活動。

美國密西根大學的研究人員最近開發了CoNav，這是一款透過基於機器人作業系統（ROS）的框架控制的智慧輪椅。這項研究成果發表在arXiv預印本伺服器上的一篇論文中。這款新型輪椅有望改善暫時或永久性行動不便者的生活品質，讓他們能更直覺、自主地在周圍環境中移動。

論文的資深作者Vineet Kamat向Tech Xplore表示：「這項研究的靈感源於殘障人士輔助行動方面的一個更廣泛的挑戰。行動能力在獨立生活、社交參與和整體生活品質中扮演著至關重要的角色。雖然動力輪椅（PWC）改善了許多使用者的行動能力，但它們在操作上仍存在挑戰，使得在複雜環境中導航困難。」

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侷限性，自動輪椅在動態環境中往往表現不佳，而手動控制的輪椅對於行動不便的人來說操作困難。

密西根大學的團隊著手開發一款新型智慧輪椅，以克服現有解決方案的不足。他們開發的CoNav輪椅，讓使用者可以部分控制其操作，同時它也能自主導航環境。

論文的資深作者Carol Menassa表示：「我們的主要目標是設計一款能夠平衡自主性和使用者控制的智慧輪椅，在維持使用者信任的同時實現高效導航。我們的方法基於這樣一個理念，即輔助行動應該是使用者和智慧系統之間的合作，而不是完全自動或完全手動的過程。這種人在迴路的框架能培養更高的信任度、可用性和可及性，幫助殘障人士更輕鬆、自信地應對日常生活。」

CoNav輪椅與過去推出的完全自動輪椅不同，後者在複雜和動態環境中的移動效果不佳。該團隊新開發的輪椅實現了協作導航體驗。

該研究的主要學生研究員兼第一作者Yifan Xu解釋說：「為了實現這種共享控制，我們採用了一種名為模型預測控制（MPC）的現代控制方法，它充當輪椅的智慧決策系統。簡單來說，透過適當設計成本函式，MPC會根據使用者輸入和環境資料不斷預測最佳移動方式。」

密西根大學團隊開發的智慧輪椅有各種底層元件，包括輪椅結構、輪子、操縱桿和各種感測器。使用者可以透過移動操縱桿指示輪椅的移動方向。

Xu表示：「輪椅還配有感測器（雷達、攝影機、慣性測量單元），可以檢測障礙物、牆壁和路徑。利用這些感測器，它可以生成通往目標目的地的最佳路徑。」

值得注意的是，這款新型輪椅提供了適應性控制的可能性。本質上，這意味著它不會總是遵循使用者透過操縱桿提供的方向，也不會完全忽視這些方向，而是將這些方向融入自己的導航計劃中。

此外，如果使用者經常給出輪椅移動方向的指引（即主動操縱輪椅），輪椅會學會優先考慮他們的輸入，而不是自己建立的導航計劃。相反，當使用者停止透過操縱桿提供方向時，系統會接管以實現安全平穩的導航。

Kamat說：「CoNav有各種獨特的優勢。首先，它減少了使用者的操作負擔，因為使用它的人不需要像使用手動輪椅那樣不斷糾正其移動。此外，它可以防止碰撞，在遵循使用者意願的同時智慧地避開障礙物。」

與過去推出的其他智慧輪椅設計相比，CoNav旨在讓使用者感覺更有掌控力，增強他們對輪椅的信任，改善整體使用體驗。透過融合自動和手動控制，輪椅使導航更加平穩和直覺化，減少突然的移動和軌跡糾正。

Menassa表示：「透過結合使用者意願和AI驅動的導航，CoNav輪椅創造了一種更自然、高效和使用者友好的輪椅體驗，改善了殘障人士在日常環境中的行動能力和獨立性。」

研究團隊在一個包含靜態和動態（即移動）障礙物的室內環境中進行了一系列實地實驗，評估他們的輪椅。他們的研究結果非常有前景，因為在效率、安全性和使用者滿意度方面，CoNav似乎優於完全自動和手動控制的輪椅。

Xu解釋說：「該系統減少了突然的移動，為使用者帶來更自然、舒適的體驗。傳統手動輪椅在狹小空間難以控制，經常與附近物體發生碰撞。相比之下，完全自動輪椅在動態環境中遇到障礙物時有時會停滯不前。我們的共享控制方法將使用者輸入與實時避障相結合，減少了碰撞，提高了導航成功率。」

研究人員發現，CoNav還能讓使用者比只能手動操作的輪椅更快地到達目標目的地。在團隊評估期間試用這款輪椅的人也表示，使用研究人員的輪椅時感覺更舒適、更有信心，因為他們覺得自己仍然可以控制輪椅的移動，同時在需要時也能受益於其自動導航功能。」

Kamat表示：「CoNav輪椅可用於支援行動障礙者，讓他們獲得更大的獨立性。未來，它可以部署在醫療和康復中心，幫助那些暫時受傷、可能無法使用完全手動輪椅但仍希望有一定控制權的患者。」

未來，CoNav輪椅有望商業化，並應用於醫療環境，以幫助暫時或永久性身體殘障的人士。此外，隨著城市變得更加智慧和互聯，這款輪椅可以與其他基於物聯網的導航輔助裝置（如智慧人行橫道、電梯或室內導航系統）連線，讓使用者能夠在城市環境中安全移動。」

研究團隊目前正在努力進一步提升CoNav的功能，評估其效能。他們很快計劃對更多不同型別的使用者進行測試，包括不同程度行動障礙的人士。」

Menassa補充說：「作為我們下一步研究的一部分，我們還計劃開發一個具有社交意識的共享控制框架，使輪椅能夠在考慮行人移動的情況下在擁擠環境中導航。此外，我們希望改進輪椅的使用者介面，整合多模式輸入（如腦電圖訊號和眼動追蹤），以支援更廣泛的使用者。」