智能机器人轮椅提供增强的自主性和控制力

快速阅读: 《科技探索》消息，密歇根大学的研究团队设计了一款名为“共航椅”的智能轮椅，结合了自主导航和用户控制，通过模型预测控制方法实现高效、安全的移动。实验显示，该轮椅在复杂环境中表现出色，减少了突兀动作和碰撞，提升了用户体验。未来，团队计划进一步优化功能，并探索社交感知和多模态输入的应用。

土木与环境工程系的一组研究人员设计并测试了一款名为“共航椅”的轮椅。这是一款基于机器人操作系统的智能轮椅，用于在建筑环境中进行共享控制导航。从左至右分别是：徐一凡、乔丹·利利、卡罗尔·梅纳萨、维内特·卡马特和王乾伟。图片由徐一凡等提供。

近期，在人类-基础设施互动、电子工程、机器人技术和人工智能（AI）领域的最新进展为辅助和医疗技术的发展开辟了新的可能性。这些设备包括能帮助身体和认知障碍人士的装置，使他们在日常生活中更加自如地行动。密歇根大学的研究人员最近开发了“共航”，一款通过基于机器人操作系统的框架控制的智能轮椅。这款新轮椅在arXiv预印本服务器上发表的一篇论文中介绍，可以帮助那些暂时或永久无法行走的人提高生活质量，使他们能够更直观、自主地移动周围环境。“这项工作的灵感来源于残疾人辅助移动的广泛挑战，”论文的资深作者维内特·卡马特告诉Tech Xplore。“移动性对于独立生活、社会参与以及整体生活质量至关重要。尽管电动轮椅已经改善了许多用户的生活，但在复杂环境中仍面临操作难题。”

过去开发的大多数轮椅要么是完全自主的，要么只能由用户手动控制。这两种解决方案都有其局限性，自主轮椅在动态环境中通常表现不佳，而手动控制的轮椅对有移动障碍的人来说操作困难。密歇根大学的研究团队致力于开发一种新型智能轮椅，以克服现有解决方案的不足。他们开发的“共航”轮椅允许用户部分控制其操作，同时也可以自主导航环境。“我们的主要目标是设计一款平衡自主性和用户控制的智能轮椅，实现高效导航的同时保持用户的信任，”论文的资深作者卡罗尔·梅纳萨说道。“我们的方法基于这样一个理念，即辅助移动应该是用户和智能系统之间的合作，而不是完全自主或完全手动的过程。这种人机交互框架促进了更大的信任、可用性和可访问性，帮助残疾人更轻松自信地应对日常生活。”

“共航”轮椅不同于过去引入的完全自主轮椅，后者在复杂和动态环境中移动效果较差。相反，研究团队的新开发的轮椅支持协作导航体验。“为了实现这种共享控制，我们采用了一种名为模型预测控制（MPC）的现代控制方法，作为轮椅的智能决策系统，”首席学生研究员兼研究的第一作者徐一凡解释说。“简单来说，通过适当地设计成本函数，MPC根据用户输入和环境数据持续预测最佳运动。”密歇根大学团队开发的智能轮椅具有多种底层组件，包括椅子结构、轮子、操纵杆和各种传感器。用户可以通过移动操纵杆指示他们希望轮椅移动的方向。“轮椅还配备了传感器（激光雷达、摄像头、惯性测量单元），可以检测障碍物、墙壁和路径，”徐一凡说。“利用这些传感器，它可以生成到达目的地的最佳路径。”

值得注意的是，这款新轮椅提供了自适应控制的可能性。本质上，这意味着它不仅会始终遵循用户通过操纵杆提供的方向，也不会完全忽略它们，而是将这些方向融合到自己的导航计划中。此外，如果用户频繁提供他们希望轮椅移动的方向（即主动操控轮椅），轮椅会优先考虑他们的输入，而不是按照自己创建的导航计划。相反，当用户停止通过操纵杆提供方向时，系统会接管以确保安全平稳的导航。“共航”有许多独特的优势，“”卡马特说道。“首先，它减少了用户的努力，因为使用它的人不需要像使用手动轮椅那样不断纠正它的动作。此外，它可以防止碰撞，智能避开障碍物，同时仍然遵循用户的意图。”

与其他先前介绍的智能轮椅设计相比，共航旨在让用户感觉更有掌控感，增加他们对轮椅的信任，并提升整体体验。通过结合自主和手动控制，轮椅使导航更加流畅和直观，减少了突兀的动作和轨迹修正。“通过结合用户意图和AI驱动的导航，共航轮椅创造了一种更自然、高效且用户友好的轮椅体验，提高了残疾人在日常环境中移动和独立的能力，”梅纳萨说道。

研究团队在一个包含静态和动态障碍物的真实室内环境中进行了实验，以评估他们的轮椅。结果非常令人鼓舞，共航在效率、安全性和用户满意度方面似乎优于完全自主和手动控制的轮椅。“系统减少了突兀的动作，为用户提供了一个更自然舒适的体验，”徐一凡解释说。“传统手动轮椅在狭小空间内难以控制，容易频繁碰撞附近物体。相比之下，完全自主轮椅有时会在动态设置中遇到障碍物时冻结。我们的共享控制方法将用户输入与实时避障相结合，从而减少碰撞，提高成功导航率。”

研究人员发现，共航还允许用户比只能手动操作的轮椅更快地达到目的地。在团队评估过程中尝试轮椅的人也报告说，他们在使用研究人员的轮椅时感到更舒适和自信，因为他们觉得他们仍然控制着轮椅的移动，同时也受益于其自主导航能力。“共航轮椅可用于支持有运动障碍的人，提供更多的独立性，”卡马特说道。“未来，它可以在医疗和康复中心部署，帮助那些可能无法使用完全手动轮椅但仍然需要一定程度控制的临时伤者。”

未来，共航轮椅可能会商业化并在医疗环境中部署，以协助有暂时或永久身体残疾的人。此外，随着城市变得更加智能化和互联，轮椅可以连接到其他物联网导航辅助设备，如智能人行横道、电梯或室内引导系统，让使用者在城市景观中安全移动。研究团队正在努力进一步提升共航的功能并评估其性能。他们很快计划与更多样化的用户群体进行测试，包括不同水平的移动障碍人士。“作为我们下一步研究的一部分，我们还计划开发一个社交感知的共享控制框架，使轮椅能在拥挤环境中考虑行人移动进行导航，”梅纳萨补充说。“此外，我们希望增强轮椅的用户界面，整合多模态输入（如脑电波信号和眼动追踪），以支持更广泛的用户。”

(以上内容均由Ai生成)