CoNav Chair: Development and Evaluation of a Shared Control based Wheelchair for the Built Environment
作者: Yifan Xu, Qianwei Wang, Jordan Lillie, Vineet Kamat, Carol Menassa, Clive D'Souza
分类: cs.RO
发布日期: 2025-07-15
备注: 13 pages, 10 figures
💡 一句话要点
CoNav Chair：面向室内环境的共享控制智能轮椅的设计与评估
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 智能轮椅 共享控制 机器人操作系统 室内导航 人机协作
📋 核心要点
- 现有电动轮椅在狭窄空间导航困难，且自主或手动模式灵活性不足，用户信任度不高。
- 提出CoNav Chair，采用ROS，实现共享控制导航和避障，提升导航效率、安全性和易用性。
- 实验表明，共享控制模式在碰撞次数、任务完成时间等方面优于或等同于手动和自主模式。
📝 摘要（中文）
随着全球残疾人口的持续增长，对促进独立生活和社会融合的移动解决方案的需求也将增加。轮椅对于残疾人在室内和室外环境中的移动至关重要。目前最先进的电动轮椅基于手动控制或完全自主的操作模式，灵活性有限，并且在空间受限的环境中通常难以导航。此外，机器人轮椅的研究主要集中在完全自主或改进的手动控制上，这些方法可能会降低效率和用户信任度。为了克服这些挑战，本文介绍了一种基于机器人操作系统（ROS）的智能轮椅CoNav Chair，它具有共享控制导航和避障功能，旨在提高用户的导航效率、安全性和易用性。本文概述了CoNav Chair的设计，并进行了一项初步的可用性评估，比较了三种不同的导航模式，即手动、共享和完全自主，由21名健康的参与者在室内建筑环境中进行。研究结果表明，共享控制导航框架的碰撞次数明显减少，并且在任务完成时间、轨迹长度和平滑度方面与自主和手动模式相当甚至更好；并且根据用户报告的可用性主观评估，认为它更安全、更高效。总体而言，CoNav系统表现出可接受的安全性和性能，为后续与最终用户（即依赖电动轮椅进行移动的残疾人）进行的可用性测试奠定了基础。
🔬 方法详解
问题定义：现有电动轮椅主要依赖手动或完全自主控制，在复杂室内环境中导航存在挑战。手动控制需要用户具备良好的操作技能，容易疲劳；完全自主控制则可能降低用户信任感，且在动态环境中表现不稳定。因此，需要一种更灵活、安全、高效的轮椅控制方案。
核心思路：CoNav Chair的核心思路是采用共享控制策略，结合用户的意图和机器的智能，实现人机协作的导航。用户通过操纵杆等输入设备提供方向指令，轮椅系统则根据环境信息进行辅助控制，例如避障、路径优化等。这种方式既保留了用户的控制权，又减轻了操作负担，提高了安全性。
技术框架：CoNav Chair的整体架构基于ROS（Robot Operating System），包含感知、规划和控制三个主要模块。感知模块负责获取环境信息，例如通过激光雷达、摄像头等传感器进行障碍物检测和定位。规划模块根据用户指令和环境信息生成安全、高效的运动轨迹。控制模块则负责驱动轮椅按照规划的轨迹运动。三种导航模式（手动、共享、自主）通过切换不同的规划和控制策略来实现。
关键创新：CoNav Chair的关键创新在于其共享控制导航框架。与传统的完全自主或手动控制相比，共享控制能够更好地平衡用户的控制意图和机器的智能辅助，从而提高导航效率和安全性。此外，该系统基于ROS平台，具有良好的可扩展性和灵活性，方便集成新的传感器和算法。
关键设计：CoNav Chair的关键设计包括：1) 障碍物检测算法，采用激光雷达和深度摄像头融合的方式，提高检测精度和鲁棒性；2) 路径规划算法，采用A*算法或DWA（Dynamic Window Approach）等方法，生成安全、平滑的运动轨迹；3) 共享控制策略，根据用户指令和环境信息，动态调整机器的辅助程度，例如在狭窄空间或障碍物附近，机器的辅助作用更强。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，在室内建筑环境中，共享控制模式的CoNav Chair在碰撞次数上显著低于手动和自主模式。在任务完成时间、轨迹长度和平滑度方面，共享控制模式与自主模式相当，甚至略优于自主模式。用户主观评估也显示，共享控制模式被认为更安全、更高效。
🎯 应用场景
CoNav Chair可应用于医院、养老院、商场等室内环境，帮助行动不便的人群更安全、便捷地移动。通过提升轮椅的智能化水平，可以提高残疾人的生活质量，促进其社会参与度。未来，该技术还可以扩展到其他移动机器人平台，例如服务机器人、物流机器人等。
📄 摘要（原文）
As the global population of people with disabilities (PWD) continues to grow, so will the need for mobility solutions that promote independent living and social integration. Wheelchairs are vital for the mobility of PWD in both indoor and outdoor environments. The current SOTA in powered wheelchairs is based on either manually controlled or fully autonomous modes of operation, offering limited flexibility and often proving difficult to navigate in spatially constrained environments. Moreover, research on robotic wheelchairs has focused predominantly on complete autonomy or improved manual control; approaches that can compromise efficiency and user trust. To overcome these challenges, this paper introduces the CoNav Chair, a smart wheelchair based on the Robot Operating System (ROS) and featuring shared control navigation and obstacle avoidance capabilities that are intended to enhance navigational efficiency, safety, and ease of use for the user. The paper outlines the CoNav Chair's design and presents a preliminary usability evaluation comparing three distinct navigation modes, namely, manual, shared, and fully autonomous, conducted with 21 healthy, unimpaired participants traversing an indoor building environment. Study findings indicated that the shared control navigation framework had significantly fewer collisions and performed comparably, if not superior to the autonomous and manual modes, on task completion time, trajectory length, and smoothness; and was perceived as being safer and more efficient based on user reported subjective assessments of usability. Overall, the CoNav system demonstrated acceptable safety and performance, laying the foundation for subsequent usability testing with end users, namely, PWDs who rely on a powered wheelchair for mobility.