Умные инвалидные коляски с датчиками препятствий

Умные инвалидные коляски с датчиками препятствий: кому нужны автоматическое торможение, объезд препятствий и помощь в навигации​

Для большинства пользователей электрической инвалидной коляски самостоятельное управление означает довольно прямую связь между движением джойстика и поведением кресла: человек выбирает направление, контролирует скорость, оценивает расстояние до дверного проёма, замечает людей и предметы на пути и самостоятельно решает, когда остановиться или изменить траекторию. Однако такая схема предполагает, что пользователь способен одновременно выполнять несколько достаточно сложных действий — видеть или иным способом своевременно обнаруживать препятствия, оценивать пространство вокруг крупной электрической базы, точно управлять креслом и достаточно быстро реагировать на изменение обстановки, а при сочетании двигательных, зрительных или когнитивных нарушений именно этот последний этап иногда становится причиной, по которой человек физически мог бы пользоваться электроколяской, но не получает её или вынужден передвигаться только с постоянной помощью сопровождающего.

Одно из интересных направлений развития ТСР пытается решить эту проблему с помощью smart wheelchair — «умной» электрической коляски, которая дополняет обычное управление системой датчиков и программным обеспечением, способным обнаруживать окружающие объекты, предупреждать столкновения, ограничивать опасное движение и в более сложных вариантах помогать креслу самостоятельно проходить определённую часть маршрута. В профессиональном вебинаре Ohio AgrAbility из нашего архива такие системы рассматриваются как относительно новое направление, особенно интересное для людей, у которых одновременно присутствует несколько функциональных ограничений, включая нарушения зрения, когнитивные трудности или двигательные нарушения, затрудняющие точное управление обычным электрокреслом.

Главное здесь — правильно понимать саму идею: smart wheelchair не должна отбирать управление у человека там, где он прекрасно справляется самостоятельно; её задача заключается в том, чтобы компенсировать конкретную функцию, которая мешает безопасной независимой мобильности. Одному пользователю достаточно защиты от столкновения с дверным косяком, другому требуется помощь при прохождении узких помещений, а кому-то перспективная навигационная система потенциально способна дать возможность самостоятельно перемещаться по знакомому зданию, хотя управлять обычной электроколяской на всём маршруте без помощи он не может.

Обычная электроколяска выполняет команды, но практически не понимает окружающую обстановку​

Если пользователь обычного электрического кресла направляет джойстик вперёд, техника начинает движение вперёд, пока человек не отпустит орган управления или не задаст другую команду. Современная электроника контролирует двигатели, скорость и множество внутренних параметров системы, однако наличие стены непосредственно перед креслом само по себе ещё не означает, что стандартная коляска обязательно распознает её как препятствие и самостоятельно остановится.

Человеку приходится выполнять эту часть работы самому.

При сохранном зрении, хорошей пространственной ориентации и подходящем способе управления это нормально и даже предпочтительно, потому что пользователь получает непосредственный контроль над собственным движением.

Проблема возникает тогда, когда физическая возможность привести кресло в движение сохраняется, а способность безопасно контролировать всё пространство вокруг него ограничена.

Именно между этими двумя состояниями появляется ниша для интеллектуальной помощи.

Датчики превращают окружающее пространство в дополнительный источник информации для кресла​

В исходном профессиональном материале smart wheelchair описывается как электрическое кресло, к базе которого добавляется набор датчиков, благодаря чему система начинает работать в определённой степени подобно роботизированной платформе.

Конкретная технология зависит от производителя и поколения оборудования, поэтому нельзя утверждать, что каждая умная коляска обязательно использует один и тот же тип сенсоров, однако общий принцип заключается в постоянной оценке пространства возле шасси.

Если обычное кресло получает информацию в основном от пользователя:

«двигайся вперёд»,

то интеллектуальная система способна одновременно учитывать ещё один слой данных:

«впереди находится препятствие».

После этого программное обеспечение может изменить выполнение исходной команды в соответствии с предусмотренной производителем логикой.

Collision avoidance — это не автономное вождение​

Термин collision avoidance, или предотвращение столкновений, иногда создаёт впечатление, будто человек просто выбирает пункт назначения, а коляска полностью едет сама. На практике это может быть значительно более ограниченная функция.

Например, пользователь по-прежнему управляет направлением движения, но система следит за ближайшей зоной и не позволяет продолжить опасную траекторию непосредственно в стену или крупное препятствие.

Получается своеобразная электронная страховка.

Человек остаётся водителем.

Техника вмешивается только тогда, когда определяет риск столкновения.

Для многих пользователей именно такой уровень помощи потенциально является наиболее логичным, потому что сохраняет максимальную самостоятельность и одновременно компенсирует конкретную проблему.

Защита от столкновений особенно полезна там, где кресло само по себе крупное​

Электрическая коляска занимает значительно больше пространства, чем тело человека, поэтому пользователю необходимо учитывать не только положение собственных рук и ног, но и:

передние колёса;

заднюю часть базы;

подножки;

боковые элементы.

Особенно сложно это становится в тесных помещениях, где несколько сантиметров определяют, пройдёт кресло через проём или ударится о косяк.

Если человеку трудно точно оценивать границы шасси, датчики способны выполнять роль дополнительного «пространственного контроля».

Но здесь появляется важное ограничение: система должна правильно обнаруживать именно те препятствия, которые встречаются в реальной жизни пользователя.

Стена — самый простой объект для датчика​

Большая неподвижная вертикальная поверхность сравнительно предсказуема.

Реальная квартира значительно сложнее.

На пути могут находиться:

ножки мебели;

открытая дверь;

низкая тумба;

предмет на полу;

движущийся человек;

домашнее животное.

Поэтому при оценке интеллектуальной системы недостаточно увидеть демонстрацию, где кресло останавливается перед большой стеной.

Нужно понимать зону обнаружения и реальные ограничения конкретной технологии.

Если система хорошо видит крупные объекты на определённой высоте, это ещё не означает, что она гарантированно обнаружит каждый маленький предмет возле пола.

Особенно важно понимать, что находится вне поля датчиков​

У автомобиля есть слепые зоны.

У системы датчиков коляски они тоже потенциально существуют.

Поэтому пользователь и сопровождающие должны знать не только возможности технологии, но и её ограничения.

Это намного полезнее рекламного утверждения:

«Кресло предотвращает столкновения».

Правильнее спрашивать:

«Какие препятствия система обнаруживает, на каком расстоянии, с каких сторон и что именно происходит после обнаружения?»

Система может не просто остановить кресло, но и помочь пройти препятствие​

Следующий уровень интеллектуальной мобильности — assisted navigation, то есть помощь в навигации.

В профессиональном исходнике отдельно говорится о возможности систем помогать человеку проходить между неподвижными и движущимися препятствиями, когда самостоятельное точное маневрирование затруднено.

Здесь электроника уже не просто говорит:

«дальше нельзя»,

а потенциально помогает выполнить исходную цель пользователя.

Например, человек хочет проехать через определённый участок помещения, а система корректирует движение так, чтобы кресло не столкнулось с окружающими объектами.

Это значительно сложнее простого автоматического торможения, потому что машине приходится выбирать безопасную траекторию.

Навигационная помощь особенно интересна при сочетании нескольких нарушений​

В архивном вебинаре среди потенциальных пользователей smart wheelchair упоминаются люди с:

нарушением зрения;

когнитивными нарушениями;

двигательными ограничениями.

Особенно интересны ситуации, когда эти проблемы сочетаются.

Человек, например, способен сформировать намерение:

«я хочу попасть в другую комнату»,

но одновременно ему трудно точно выполнять десятки мелких корректировок джойстиком.

В обычной системе это может сделать самостоятельное управление практически невозможным.

Интеллектуальная помощь потенциально позволяет разделить задачу:

пользователь задаёт цель или общее направление;

техника помогает выполнить точное движение.

Это принципиально отличается от управления сопровождающим​

Если другой человек ведёт кресло с помощью attendant control, пользователь перемещается, но непосредственно управление выполняет сопровождающий.

Smart wheelchair пытается сохранить инициативу у самого человека настолько, насколько это возможно.

Это важная разница.

Цель современных ТСР заключается не просто в том, чтобы переместить тело из одной комнаты в другую, а по возможности дать пользователю самому решать:

куда ехать;

когда ехать;

где остановиться.

Даже частичная автоматизация способна увеличить самостоятельность, если без неё единственной альтернативой является постоянное управление креслом другим человеком.

Но автоматизация не всегда увеличивает независимость​

Это может показаться парадоксальным.

Если система слишком часто вмешивается, неправильно интерпретирует пространство или блокирует движения, которые пользователь считает безопасными, она начинает не помогать, а мешать.

Представим очень осторожную защиту от столкновения, которая не позволяет близко подъехать к столу.

С точки зрения алгоритма рядом находится препятствие.

С точки зрения человека именно подъехать к этому препятствию и является целью.

Поэтому интеллектуальное кресло должно различать опасное столкновение и намеренное близкое позиционирование настолько хорошо, насколько это предусмотрено конкретной системой.

Именно здесь качество программного обеспечения становится не менее важным, чем качество моторов.

Кухонный стол — хороший тест интеллектуальной системы​

Допустим, датчики настроены на большое безопасное расстояние.

Пользователь подъезжает к столу.

Кресло останавливается слишком рано.

Человек не может дотянуться до поверхности.

Технически система прекрасно предотвратила столкновение.

Функционально — помешала выполнить задачу.

Поэтому при пробной эксплуатации нужно проверять не только аварийные сценарии, но и обычные действия, где человеку необходимо намеренно приближаться к объектам:

столу;

кровати;

рабочему месту;

раковине;

другому креслу при пересаживании.

Автоматическое торможение не должно мешать точному пересаживанию​

Это особенно важный пример.

Для бокового трансфера пользователю иногда необходимо расположить кресло очень близко к кровати или другой поверхности.

Если система считает такое расстояние недопустимым и постоянно останавливает движение раньше, человеку приходится:

отключать функцию;

переключать режим;

просить помощь.

Поэтому возможность настройки интеллектуальной помощи под реальные сценарии имеет огромное значение.

Не каждому пользователю нужна одинаковая степень вмешательства​

Можно представить условную шкалу.

На одном конце находится полностью ручное управление обычным электрокреслом.

Дальше — предупреждение.

Затем — автоматическое ограничение скорости возле препятствия.

Следующий уровень — остановка перед столкновением.

Ещё дальше — корректировка траектории.

И наконец — более автономная навигация к выбранной точке.

Не существует причины автоматически стремиться к последнему уровню.

Если человеку требуется только небольшая электронная страховка, полноценная автономизация способна оказаться излишней.

ТСР должно компенсировать потерянную функцию, а не заменять сохранную.

При нарушении зрения важны не только препятствия перед креслом​

Человек может безопасно двигаться по коридору благодаря датчикам, но ему всё равно необходимо понимать:

где он находится;

в какую сторону направляется;

какая дверь ему нужна.

То есть obstacle avoidance решает только часть навигационной задачи.

Более сложная система должна каким-либо способом передавать или использовать информацию о маршруте.

Именно поэтому автоматическая навигация значительно сложнее простого предотвращения столкновений.

Когнитивные нарушения требуют особенно индивидуального подхода​

Сам факт когнитивного нарушения не означает, что человеку автоматически нужна или подходит умная коляска.

Необходимо понять конкретную проблему.

Человек может:

забывать последовательность действий;

плохо оценивать расстояние;

теряться в незнакомом помещении;

импульсивно задавать слишком большую скорость;

иметь совсем другое ограничение.

Для каждого случая требуется разная помощь.

Если проблема заключается только в точном контроле скорости, сложная навигация может быть не нужна.

Если пользователь не способен самостоятельно определить пункт назначения, система, которая умеет объезжать мебель, тоже не решит всю задачу.

При двигательных нарушениях smart-функции могут дополнять альтернативное управление​

Не каждый пользователь электроколяски управляет обычным джойстиком рукой.

Существуют альтернативные органы управления, позволяющие использовать другие сохранные движения, но чем менее точным является исходный сигнал, тем труднее может быть сложное маневрирование.

Интеллектуальная помощь потенциально позволяет разделить работу:

человек сообщает системе намерение двигаться;

электроника помогает выполнить движение безопаснее.

Это особенно интересное направление, потому что раньше выбор часто выглядел слишком жёстко:

либо пользователь достаточно точно управляет креслом самостоятельно;

либо управление приходится передавать сопровождающему.

Современные технологии создают промежуточные варианты.

Умная коляска не обязательно должна быть совершенно новой конструкцией​

В профессиональном исходнике описывается концепция датчиков, устанавливаемых на базу электрического кресла, то есть интеллектуальные функции могут рассматриваться не только как характеристика полностью отдельного необычного транспортного средства, но и как дополнительный технологический слой вокруг обычной электрической платформы.

Это важное направление развития ТСР.

Пользователю может подходить:

сиденье;

позиционирование;

электрическая база;

способ управления.

Проблема заключается только в безопасной навигации.

Теоретически намного логичнее добавить необходимую помощь к уже подходящей системе, чем менять всю коляску исключительно ради одной функции.

Однако возможность такой модернизации зависит от конкретного оборудования и совместимости, поэтому нельзя считать любой сенсорный комплект универсальным дополнением к любой электроколяске.

Чем больше программного обеспечения, тем важнее техническая поддержка​

У механической ручной коляски пользователь может довольно легко понять происхождение многих неисправностей.

Спустила шина.

Ослаб болт.

Появился люфт.

У интеллектуального электрического кресла появляется совершенно другой класс проблем.

Датчик может:

загрязниться;

потерять корректную ориентацию;

выдать ошибку.

Программное обеспечение может потребовать диагностики.

Поэтому при выборе такой техники вопрос:

«Кто будет ремонтировать систему?»

становится принципиальным.

Нельзя допустить, чтобы неисправность вспомогательной функции полностью лишала человека мобильности​

Это один из вопросов, который стоит задавать поставщику заранее.

Что произойдёт, если система предотвращения столкновений перестанет работать?

Кресло:

останется полностью заблокированным;

перейдёт в ограниченный режим;

сможет работать как обычная электроколяска?

Универсального ответа нет — он зависит от конструкции.

Но для пользователя, полностью зависящего от кресла, разница огромна.

Поэтому поведение при отказе системы не менее важно, чем её поведение в исправном состоянии.

Датчики нужно содержать в условиях, предусмотренных производителем​

Пыль, грязь и влага особенно актуальны для ТСР, используемого на улице или в хозяйственных помещениях, что хорошо связывает эту часть вебинара с предыдущей статьёй про сельскую и загородную эксплуатацию.

Если сенсор должен видеть окружающую среду, загрязнение его рабочей поверхности потенциально влияет на качество получаемых данных.

Конкретные требования зависят от системы, поэтому здесь нельзя придумывать универсальный график очистки, но пользователь должен понимать:

где расположены датчики;

можно ли их закрывать сумками и аксессуарами;

какие условия эксплуатации допускаются.

Сумка на коляске может неожиданно стать проблемой для электроники​

Обычный пользователь спокойно закрепляет:

рюкзак;

держатель;

корзину;

дождевик.

Но если в определённой области шасси находится датчик, новый аксессуар способен частично перекрыть его поле обзора.

Это совершенно новый аспект эксплуатации, которого практически нет у традиционной ручной коляски.

Поэтому дополнительное оборудование на smart wheelchair желательно устанавливать с пониманием расположения сенсорной системы.

Особенно тщательно нужно тестировать движущиеся препятствия​

Стена никуда не убегает.

Человек в коридоре движется.

Ребёнок может внезапно изменить направление.

Поэтому система, предназначенная для реального общественного пространства, должна работать не только с фиксированными объектами.

В исходном материале прямо упоминается помощь при прохождении fixed or movable barriers, то есть неподвижных и перемещающихся препятствий.

Но степень такой возможности нужно выяснять именно для конкретной системы.

Нельзя автоматически предполагать, что наличие collision avoidance делает кресло безопасным среди быстро движущейся толпы.

Максимальная скорость и интеллектуальная помощь должны рассматриваться вместе​

Чем быстрее движется кресло, тем меньше времени остаётся системе и пользователю на реакцию.

Поэтому логично, что некоторые интеллектуальные системы могут изменять скорость в зависимости от ситуации.

Для пользователя важнее не максимальная паспортная скорость, а предсказуемость поведения.

Если кресло неожиданно резко тормозит перед каждым объектом, движение может быть неудобным.

Если начинает тормозить слишком поздно — пользователь может не доверять функции.

Хорошая настройка должна создавать ощущение, что система помогает управлять, а не постоянно спорит с человеком.

Доверие к автоматике формируется постепенно​

Человек, много лет самостоятельно управлявший электроколяской, может первое время инстинктивно реагировать на препятствие раньше системы.

Другой пользователь, наоборот, способен слишком быстро начать полагаться на электронику.

Обе крайности понятны.

Поэтому обучение должно включать реальные упражнения, позволяющие понять:

когда система вмешивается;

как она сообщает об этом;

что может и чего не может обнаружить.

Только после этого пользователь способен разумно распределять контроль между собой и техникой.

Smart wheelchair особенно важно тестировать дома, а не только в реабилитационном центре​

Лабораторное помещение обычно:

просторное;

хорошо освещённое;

организованное.

Дом может иметь:

узкий коридор;

ковёр;

мебель;

домашних животных;

маленькую кухню;

сложный дверной проём.

Именно там становится понятно, насколько интеллектуальная система действительно помогает.

Если она великолепно проходит широкий коридор центра, но постоянно блокирует движение в собственной спальне пользователя, функциональная ценность резко снижается.

Настройки должны учитывать навыки конкретного человека​

Новичку может понадобиться более выраженная защита.

Опытному пользователю — менее агрессивное вмешательство.

После реабилитации способность человека управлять креслом тоже может измениться.

Поэтому особенно перспективны системы, в которых степень помощи можно адаптировать, а не выбирать один неизменяемый режим на весь срок эксплуатации.

Это позволяет рассматривать smart-функции не как ярлык:

«человек не способен управлять»,

а как регулируемую поддержку.

Интеллектуальное управление может быть полезно и в процессе обучения​

Даже если в дальнейшем человек сможет использовать более обычное управление, дополнительная защита от столкновений потенциально снижает последствия ошибок во время освоения электроколяски.

В архивном источнике прямо не утверждается, что smart chair обязательно должна использоваться как тренировочный инструмент, поэтому это уже логическое следствие самой технологии, а не рекомендация авторов вебинара.

Но при подборе оборудования такой сценарий имеет смысл обсуждать со специалистом: возможно ли постепенно уменьшать уровень помощи по мере развития навыка пользователя.

Родственникам важно понимать, что датчики не являются системой абсолютной безопасности​

Самая опасная ошибка — начать воспринимать интеллектуальную коляску как устройство, которое физически не способно столкнуться с предметом.

Любая техническая система имеет:

условия эксплуатации;

ограничения;

возможные неисправности.

Поэтому нельзя оставлять человека в ситуации, которую он не способен безопасно контролировать, исключительно на основании рекламной функции «предотвращение столкновений», если конкретное оборудование и его применение не были профессионально оценены.

Самостоятельность пользователя должна оставаться главным критерием​

Представим две настройки одной системы.

При первой кресло практически постоянно принимает решения вместо человека.

При второй пользователь самостоятельно выполняет всё, что способен, а электроника вмешивается только в действительно проблемных ситуациях.

Если обе конфигурации одинаково безопасны, вторая обычно лучше соответствует самой идее реабилитационной техники, потому что сохраняет навыки и контроль пользователя.

Технология должна добавлять возможность.

Не отнимать её.

Как понять, нужна ли человеку умная коляска​

Начинать нужно не с желания купить «самую современную» модель, а с определения конкретной причины, по которой обычное управление не работает достаточно хорошо.

Полезно сформулировать проблему максимально точно:

«Я не замечаю препятствия с одной стороны».

«Мне трудно оценить ширину кресла в дверях».

«Я могу задавать направление, но не способен выполнять мелкие корректировки».

«Мне сложно самостоятельно проходить загруженные помещения».

После этого уже можно искать функцию, которая компенсирует именно это ограничение.

Если такой проблемы нет, датчики и автономная навигация могут не давать человеку существенного преимущества.

Что проверять на демонстрации​

Лучше всего не просить продавца показать один красивый автоматический проезд, а самостоятельно проверить несколько реальных сценариев: медленно приблизиться к стене, пройти через дверной проём, подъехать к столу настолько близко, насколько требуется в быту, развернуться в ограниченном пространстве и посмотреть, как система реагирует на человека, проходящего перед креслом.

После каждого упражнения нужно понимать:

кто управлял движением — пользователь или автоматика;

когда произошло вмешательство;

можно ли изменить его чувствительность;

как кресло сообщает о препятствии;

что происходит после остановки.

Если человек не понимает, почему кресло только что изменило поведение, интеллектуальная функция будет восприниматься как непредсказуемая.

Необходимо проверить и сценарий отказа​

Это один из самых недооценённых тестов сложного ТСР.

Нужно спросить специалиста:

что увидит пользователь при неисправности датчика;

можно ли безопасно продолжить движение;

какие функции останутся доступны;

кому звонить;

как проводится диагностика.

Особенно это важно для человека, у которого smart-система является не дополнительным удобством, а условием самостоятельного управления.

Будущее электрических колясок — вероятно, не полная автономность, а регулируемая помощь​

Для автомобиля конечной целью часто представляют движение без участия водителя.

Для инвалидной коляски такая логика подходит далеко не всегда, потому что способность самостоятельно управлять собственным перемещением сама по себе является важной частью независимости.

Поэтому наиболее интересной выглядит не система:

«кресло всё делает за человека»,

а система:

«кресло делает только то, что человеку трудно выполнить самостоятельно».

Один пользователь выбирает направление, а техника предотвращает столкновение.

Другой задаёт общее движение, а система помогает пройти дверной проём.

Третий выбирает пункт назначения внутри знакомой среды и получает более выраженную навигационную помощь.

Так интеллектуальная технология становится не заменой человека, а масштабируемым уровнем поддержки между полностью самостоятельным управлением и постоянной помощью сопровождающего.

Именно поэтому smart wheelchair представляет собой гораздо более интересное направление, чем просто очередная электрическая коляска с дополнительными датчиками. Для некоторых людей обычное электрокресло уже обеспечивает полную независимость и никакая автоматизация им не нужна, однако для пользователя, который способен принимать решения о собственном перемещении, но из-за нарушения зрения, моторики или другой функции не может безопасно выполнить каждую мелкую операцию управления, интеллектуальная помощь потенциально способна устранить именно тот последний барьер, который раньше делал самостоятельное передвижение невозможным.

Главное при выборе — не искать кресло с максимальным количеством «умных» функций, а определить минимальный необходимый уровень помощи, проверить его в реальной домашней и уличной среде и убедиться, что автоматика вмешивается только там, где действительно нужна. Хорошая smart wheelchair должна не заставлять пользователя чувствовать себя пассажиром собственного ТСР, а, наоборот, позволять ему самостоятельно принимать больше решений о том, куда, когда и каким маршрутом двигаться.