Последние достижения в области взаимодействия человека и инфраструктуры, электронной инженерии, робототехники и искусственного интеллекта (ИИ) открыли новые возможности для разработки вспомогательных и медицинских технологий. К ним относятся устройства, которые могут помогать людям с физическими и когнитивными нарушениями, поддерживая их в повседневной деятельности.

Исследователи из Мичиганского университета недавно разработали CoNav, интеллектуальную инвалидную коляску, управляемую через фреймворк на основе Robot Operating System (ROS). Новая инвалидная коляска, представленная в статье на сервере препринтов arXiv , может помочь улучшить качество жизни людей, которые временно или постоянно не могут ходить, позволяя им перемещаться в своём окружении более интуитивно и автономно.

«Вдохновением для этой работы послужила более масштабная проблема вспомогательной мобильности для людей с ограниченными возможностями (ЛОВ)», — рассказал изданию Tech Xplore Винит Камат, старший автор статьи.

«Мобильность играет основополагающую роль в самостоятельной жизни, социальном участии и общем качестве жизни. Хотя электрические инвалидные коляски (PWC) улучшили мобильность для многих пользователей, они по-прежнему представляют собой проблемы в эксплуатации, что приводит к трудностям в навигации в сложных условиях».

Большинство инвалидных колясок, разработанных в прошлом, либо полностью автономны, либо могут управляться пользователями только вручную. Оба этих типа решений имеют свои ограничения: автономные инвалидные коляски часто плохо работают в динамичных условиях, а управляемые вручную коляски сложны в эксплуатации для людей с нарушениями мобильности.

Команда Мичиганского университета приступила к разработке новой умной инвалидной коляски, которая могла бы преодолеть недостатки существующих решений. Кресло CoNav, инвалидная коляска, которую они разработали, позволяет пользователям частично контролировать её работу, но при этом она может перемещаться в пространстве автономно.

«Наша главная цель состояла в том, чтобы разработать интеллектуальную инвалидную коляску, которая сочетала бы в себе автономность и контроль пользователя, обеспечивая эффективную навигацию и сохраняя доверие пользователя», — сказала Кэрол Менасса, старший автор статьи.

«Наш подход основан на идее, что вспомогательная мобильность должна быть партнёрством между пользователем и интеллектуальной системой, а не полностью автономным или полностью ручным процессом. Эта структура с участием человека способствует большему доверию, удобству использования и доступности, помогая людям с ограниченными возможностями с большей легкостью и уверенностью ориентироваться в повседневной жизни».

Кресло CoNav отличается от полностью автономных инвалидных кресел, представленных в прошлом, которые, как было обнаружено, двигались менее эффективно в сложных и динамичных условиях. Вместо того, чтобы всегда работать автономно, новое кресло, разработанное командой, обеспечивает совместный опыт навигации.

«Чтобы реализовать этот общий контроль, мы применяем современный метод управления, называемый модельным прогнозным контролем (MPC), который действует как интеллектуальная система принятия решений для инвалидной коляски», — пояснил Ифань Сюй, ведущий научный сотрудник и первый автор исследования. «Проще говоря, правильно проектируя функцию стоимости, MPC непрерывно прогнозирует наилучшее движение на основе как ввода данных пользователем, так и данных об окружающей среде».

Умная инвалидная коляска, разработанная командой Мичиганского университета, имеет различные базовые компоненты, включая структуру кресла, колеса, джойстик и различные датчики. Пользователи могут указать направление, в котором они хотели бы, чтобы кресло двигалось, перемещая джойстик.

«Инвалидная коляска также оснащена датчиками (LiDAR, камера, IMU), которые обнаруживают препятствия, стены и пути», — сказал Сюй. «Используя эти датчики, она генерирует оптимальный путь к желаемому месту назначения».

Примечательно, что новая инвалидная коляска предлагает возможность адаптивного управления. По сути, это означает, что вместо того, чтобы всегда следовать указаниям, которые пользователи дают с помощью джойстика, или полностью игнорировать их, она объединяет эти указания в свой собственный навигационный план.

Более того, если пользователи часто дают указания относительно того, куда они хотели бы, чтобы переместилось кресло (т. е. активно управляют креслом), кресло-коляска учится отдавать приоритет их вводу, а не созданному им плану навигации. Напротив, когда пользователи перестают давать указания с помощью джойстика, система берет на себя управление, чтобы обеспечить безопасную и плавную навигацию.

«CoNav имеет ряд уникальных преимуществ», — сказал Камат. «Во-первых, он снижает усилия пользователя, поскольку людям, использующим его, не нужно постоянно корректировать его движения, как при использовании ручных инвалидных колясок. Кроме того, он может предотвращать столкновения, разумно избегая препятствий, при этом следуя намерениям пользователя».

По сравнению с другими интеллектуальными конструкциями инвалидных колясок, представленными в прошлом, CoNav разработан, чтобы пользователи чувствовали себя более уверенно, увеличивая их доверие к коляске и улучшая их общий опыт. Объединяя автономное и ручное управление, кресло делает навигацию более плавной и интуитивно понятной, уменьшая резкие движения и корректировки траектории.

«Объединяя намерения пользователя и навигацию на основе искусственного интеллекта, кресло CoNav Chair создает более естественный, эффективный и удобный опыт использования инвалидной коляски, повышая мобильность и независимость людей с ограниченными возможностями в повседневных ситуациях», — сказал Менасса.

Исследовательская группа оценила своё кресло в серии реальных экспериментов, проведенных в помещении, которое включало статические и динамические (т. е. движущиеся) препятствия. Их результаты были весьма многообещающими, поскольку CoNav, по-видимому, превзошел как полностью автономные, так и управляемые вручную инвалидные кресла с точки зрения эффективности, безопасности и удовлетворенности пользователя.

«Система уменьшает резкие движения, что обеспечивает более естественный и комфортный опыт для пользователей», — пояснил Сюй. «Традиционные ручные инвалидные коляски могут быть сложны в управлении в ограниченном пространстве, что приводит к частым столкновениям с близлежащими объектами. Напротив, полностью автономные инвалидные коляски иногда замирают при столкновении с препятствиями в динамических условиях. Наш подход к общему управлению сочетает ввод данных пользователем с избеганием препятствий в реальном времени, что приводит к меньшему количеству столкновений и более успешной навигации».

Исследователи обнаружили, что CoNav также позволяет пользователям быстрее добираться до нужного места назначения, чем инвалидные коляски, которыми можно управлять только вручную. Люди, которые опробовали коляску во время оценок команды, также сообщили, что чувствовали себя более комфортно и уверенно при использовании инвалидной коляски исследователей, поскольку они чувствовали, что по-прежнему контролируют её движения, а также при необходимости извлекали выгоду из её возможностей автономной навигации.

«CoNav Chair может использоваться для поддержки людей с двигательными нарушениями, предоставляя им большую независимость», — сказал Камат. «В будущем его можно будет использовать в медицинских и реабилитационных центрах, помогая пациентам с временными травмами, которые не могут использовать полностью ручную инвалидную коляску, но все же хотят иметь определенный уровень контроля».

В будущем кресло CoNav может быть коммерциализировано и развернуто в медицинских учреждениях для помощи людям с временными или постоянными физическими нарушениями. Кроме того, поскольку города становятся умнее и взаимосвязаннее, кресло может быть подключено к другим навигационным средствам на основе IoT, таким как умные пешеходные переходы, лифты или внутренние системы навигации, что позволит пользователям безопасно перемещаться в городских условиях.

Исследовательская группа сейчас работает над дальнейшим улучшением возможностей CoNav и оценкой его производительности. Вскоре они планируют провести тесты с более разнообразной группой пользователей, включая людей с разной степенью нарушения подвижности.

«В рамках наших следующих исследований мы также планируем разработать социально-ориентированную общую систему управления, которая позволит инвалидной коляске перемещаться в многолюдных местах, учитывая при этом движение пешеходов», — добавил Менасса. «Кроме того, мы хотели бы улучшить пользовательский интерфейс коляски, интегрировав мультимодальные входы (например, сигналы ЭЭГ и отслеживание движения глаз) для поддержки более широкого круга пользователей».

Мастер пера, обрабатывает новостную ленту.