关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
正如两年前在 DARPA 城市挑战赛 中所展示的那样，工程师可以制造出无需人类驾驶员辅助即可在城市街道上巡航的自动驾驶汽车。 一组研究人员现在正寻求将这种成功转化为医疗领域，通过构建所谓的“智能轮椅”，利用人工智能、激光、传感器和地图软件来操作和导航电动轮椅，为那些无法自行操作轮椅的乘坐者服务。
在六月份获得的美国国家科学基金会五年 48 万美元拨款的帮助下，由宾夕法尼亚州伯利恒市利哈伊大学计算机科学与工程副教授 约翰·斯普莱泽 领导的研究团队，开发出了一款专门为在人行道、停车场和其他户外区域行驶而设计的原型轮椅。
与过去设计的其他智能轮椅一样，斯普莱泽的设备使用激光探测和测距 (LiDAR) 系统来探测树木、电线杆、停车收费表、拐角和其他现实世界中的障碍物。 主要区别在于，这款轮椅将使用 LiDAR 和其他传感器对其周围环境绘制的地图，与斯普莱泽及其团队创建并加载到其内存中的 3D 地图进行交叉引用。 为了补充轮椅识别和避开静止障碍物的能力，研究人员还计划编写软件，以帮助轮椅预测和避开移动障碍物，例如行人和汽车。
“我的工作旨在推动轮椅自主性的发展，”斯普莱泽说。 “它将不局限于结构化的室内环境。 相反，它研究了在非结构化的室外环境中进行自主操作这一更具挑战性的问题。”
斯普莱泽及其同事迄今为止构建的原型可以追溯到斯普莱泽之前的两项研究成果。 其中一项是 2007 年 DARPA 城市挑战赛的 机器人车辆，斯普莱泽是该团队的成员，该团队制造了“小本”，这是一辆装有激光和摄像头传感器的丰田普锐斯。 小本是六辆自主完成 92 公里赛程的汽车之一（在 89 辆参赛车辆中），该赛程旨在模拟城市驾驶的挑战。
斯普莱泽与费城的 Freedom Sciences, LLC 的合作也为他的智能轮椅原型做出了贡献。 Freedom Sciences 于 2008 年获得美国食品和药物管理局 (FDA) 的批准，可以销售其自动化运输和检索系统 (ATRS)，该系统允许轮椅使用者进出车辆，以及存放和检索他们的电动轮椅。 ATRS 的工作原理如下：驾驶员坐到驾驶座后，使用遥控器引导轮椅到达汽车后部的升降机处。 到达那里后，轮椅使用激光制导系统将自身停靠在升降平台上，然后升降平台缩回车内。 “轮椅仅靠自身移动几英尺，”斯普莱泽说，“但它允许驾驶员独立自主。”
斯普莱泽和他的团队在小本的帮助下为他们的原型智能轮椅创建了地图。 他们驾驶改装后的普锐斯在南伯利恒和利哈伊大学古德曼校区的 Stabler 竞技场停车场周围行驶，创建了 3D 地图，随后下载到他们轮椅的控制系统中。 （虽然这听起来工作量很大，但这与谷歌创建其 街景地图 的方法并无不同。）在测试运行中，研究人员已能够让轮椅自主行驶约一公里并到达目的地，同时将其位置跟踪在 20 厘米的精度范围内。 斯普莱泽补充说，他们无法使用全球定位系统 (GPS) 达到这种精度水平，GPS 的精度通常会偏差一米或更多。 对于驾驶员来说，这不是什么大问题，但对于轮椅来说，这是一个巨大的问题。
斯普莱泽轮椅的一个关键方面是使其价格合理。 他指出，Freedom Sciences 能够销售其 ATRS，因为该产品的成本与购买面包车或 SUV 并对其进行改造以允许坐在轮椅上的人驾驶（就像现在大多数轮椅驾驶员所做的那样）的成本相当。 为了使他们的智能轮椅超越原型阶段，斯普莱泽和他的团队将不得不弄清楚如何在不依赖小本使用的昂贵的 LiDAR 系统的情况下，而是依靠成本较低的 LiDAR 和声纳传感器的组合，使其自主移动。
当然，斯普莱泽和他的同事并不是唯一提出智能轮椅想法的人。 1999 年 12 月出版的IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering 上发表的一篇论文描述了一种 NavChair 辅助轮椅导航系统 (pdf)，该系统在当时被开发出来，旨在减少“操作电动轮椅对认知和身体的要求，适用于广泛的障碍限制了他们使用电动代步工具的人”。 NavChair 基于商用轮椅系统，并增加了一个基于 DOS 的计算机系统、超声波传感器以及一个介于操纵杆和动力单元之间的接口模块。
最近的两个项目使用了几乎相同的名称：巴斯克地区大学特殊需求人机交互实验室的 Robochair 项目正在创建一个自主导航系统，可以添加到市售电动轮椅中。 2007 年，英国埃塞克斯大学的研究人员开展了一个名为 RoboChair (pdf) 的类似项目。
然而，尽管其他人已经证明智能轮椅可以工作，但他们尚未使其价格能够被庞大的用户群体所接受 （仅在美国就有 270 万 15 岁及以上的人）。 “最终目标是开发一种智能轮椅系统，能够在达到前所未有的自主水平的同时，仍然具有商业可行性，”斯普莱泽说。