Design and computational evaluation of an eye gaze wheelchair retrofit with temporal command supervision

लाखों लोगों के लिए जो गंभीर शारीरिक विकलांगता के साथ जी रहे हैं, एक कमरे से दूसरे कमरे में जाने का सरल कार्य भी एक बहुत बड़ी चुनौती हो सकता है। जबकि संचालित व्हीलचेयर (पावर्ड व्हीलचेयर) स्वतंत्रता का एक मार्ग प्रदान करती है, वे एक नियंत्रण इंटरफेस पर निर्भर करती हैं जिसे उपयोगकर्ता को संचालित करने में सक्षम होना चाहिए, आमतौर पर एक जॉयस्टिक जिसके लिए हाथ की ताकत और निपुणता की आवश्यकता होती है। जब हाथ कार्य नहीं कर सकते, तो आँखें अक्सर एक शक्तिशाली, अनछुआ संसाधन बनी रहती हैं। मानव आँख स्वाभाविक रूप से सटीक होती है, जो उल्लेखनीय गति के साथ वस्तुओं पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम है, और जो लोग देख सकते हैं लेकिन अपने अंगों को हिला नहीं सकते, उनके लिए किसी दिशा में देखना गति के लिए एक कमांड बन सकता है। हालाँकि, एक दृष्टि को सुरक्षित, विश्वसनीय गति में बदलना केवल इशारा करने और क्लिक करने जितना सरल नहीं है। आँखें लगातार दुनिया को स्कैन करती हैं, किसी संकेत को पढ़ने या किसी व्यक्ति को देखने के लिए अपना ध्यान केंद्रित करती हैं, और एक ऐसा नियंत्रण तंत्र जो हर बार आँखों के किसी स्थान पर टिकने पर व्हीलचेयर को चला दे, वह अराजक और खतरनाक होगा। इंजीनियरों के लिए मुख्य चुनौती यह है कि जानबूझकर की गई गति की इच्छा और एक क्षणिक दृष्टि के बीच अंतर किया जाए, और यह सुनिश्चित किया जाए कि यदि उपयोगकर्ता के मन और मशीन के बीच का संबंध टूट जाता है, तो कुर्सी तुरंत रुक जाए न कि एक खतरनाक रास्ते पर चलती रहे।

कुवैत कॉलेज ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या का समाधान करने के लिए 'iMove' नामक एक सिस्टम बनाकर और उसका परीक्षण करके इसे हल किया है, जो एक रेट्रोफिट किट है जो एक मानक संचालित व्हीलचेयर को पूरी तरह से आंखों की दृष्टि (आई गेज़) द्वारा नियंत्रित करने की अनुमति देता है। हसन फय्याद-काज़ान के नेतृत्व वाली टीम ने एक ऐसा उपकरण बनाया जो एक व्यावसायिक आई-ट्रैकिंग कैमरा और व्हीलचेयर के मौजूदा जॉयस्टिक के बीच स्थित होता है। उपयोगकर्ता द्वारा स्टिक हिलाने के बजाय, वे एक टैबलेट स्क्रीन पर एक विशिष्ट दिशा की ओर देखते हैं, और व्हीलचेयर से जुड़ी एक छोटी रोबोटिक भुजा भौतिक रूप से जॉयस्टिक को उस दिशा में धकेलती है। इस सिस्टम में एक केंद्रीय "STOP" लक्ष्य और आठ दिशात्मक लक्ष्य शामिल हैं। जब कोई उपयोगकर्ता किसी दिशा की ओर देखता है, तो सिस्टम यह देखने के लिए प्रतीक्षा करता है कि क्या दृष्टि इतनी स्थिर है कि वह एक जानबूझकर दिया गया कमांड हो। यदि दृष्टि पर्याप्त समय तक टिकी रहती है, तो रोबोटिक भुजा जॉयस्टिक को हिलाती है, और व्हीलचेयर चलने लगती है। यदि उपयोगकर्ता दूसरी ओर देखता है, तो सिस्टम को गति रोक देने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

शोधकर्ताओं ने इस सिस्टम के बुनियादी संस्करण का परीक्षण करके शुरुआत की कि क्या यह एक दृष्टि को गति में बदल सकता है। एक प्रारंभिक परीक्षण में, उन्होंने दस बार एक दिशा चुनने का प्रयास किया। सिस्टम ने दस में से आठ बार सफलतापूर्वक जॉयस्टिक को हिलाया, जिससे 80 प्रतिशत सफलता दर प्राप्त हुई। हालाँकि, इस प्रारंभिक परीक्षण ने बुनियादी डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण दोष का खुलासा किया: सिस्टम बहुत अधिक भरोसेमंद था। यदि उपयोगकर्ता की आँखें लक्ष्य से हट जाती थीं, या यदि सिग्नल भेजने वाला कंप्यूटर फ्रीज हो जाता था, तो बुनियादी सिस्टम जॉयस्टिक को दबाए रखता था और व्हीलचेयर चलती रहती थी। यह एक खतरनाक परिदृश्य था, क्योंकि एक व्हीलचेयर जो नियंत्रण खोने या ध्यान भटकने के बाद भी चलती रहती है, टक्कर का कारण बन सकती है।

इसे ठीक करने के लिए, टीम ने एक "टेम्पोरल सुपरवाइजर" (सामयिक पर्यवेक्षक) विकसित किया, जो सॉफ्टवेयर लॉजिक की एक परत है जो कमांड के लिए सुरक्षा गार्ड के रूप में कार्य करती है। यह सुपरवाइजर यह सत्यापित करने के लिए नियमों का एक सेट पेश करता है कि क्या कोई कमांड अभी भी वैध है। पहला, यह एक "ड्वेल" (ठहराव) समय की आवश्यकता करता है, जिसका अर्थ है कि उपयोगकर्ता को एक विशिष्ट अवधि के लिए—जो उनके डिज़ाइन में 0.60 सेकंड निर्धारित की गई है—लक्ष्य पर देखना होगा, इससे पहले कि कुर्सी चले। यह त्वरित दृष्टि के कारण होने वाली आकस्मिक गतिविधियों को रोकता है। दूसरा, यह जांचता है कि इनपुट "फ्रेश" (नया) है या नहीं, यह सुनिश्चित करता है कि आई-ट्रैकर से आने वाला सिग्नल नया है और कुछ क्षण पहले की कोई जमी हुई छवि नहीं है। तीसरा, यह टैबलेट और व्हीलचेयर के बीच के कनेक्शन की निगरानी करता है; यदि संचार लिंक टूट जाता है, तो सिस्टम तुरंत कमांड को काट देता है।

शोधकर्ताओं ने न केवल यह सिस्टम बनाया; उन्होंने तनावपूर्ण स्थितियों में इसके व्यवहार को देखने के लिए हजारों परिदृश्यों का कड़ाई से अनुकरण (सिमुलेशन) किया। उन्होंने एक डिजिटल वातावरण बनाया जहाँ वे दोष डाल सकते थे, जैसे कि आई-ट्रैकर को फ्रीज करना, संचार केबल को काटना, या कंप्यूटर को प्रोसेसिंग रोकने के लिए मजबूर करना। इन सिमुलेशन में, बुनियादी सिस्टम हर बार दोष होने पर विफल रहा, और पूरे परीक्षण के दौरान व्हीलचेयर को चलता रहने दिया। इसके विपरीत, नया सुपरवाइजर सिस्टम तेजी से प्रतिक्रिया करता था। जब आई-ट्रैकर फ्रीज हुआ, तो सुपरवाइजर ने 0.12 सेकंड के भीतर कमांड को रोक दिया। जब संचार लिंक काटा गया, तो इसने 0.24 सेकंड के भीतर कमांड को रोक दिया। टीम ने यह भी परीक्षण किया कि क्या होगा यदि कोई उपयोगकर्ता गलती से बहुत कम समय के लिए, जैसे कि 0.12 सेकंड के लिए, किसी लक्ष्य की ओर देखता है। बुनियादी सिस्टम ने कुर्सी को सक्रिय कर दिया होता, लेकिन सुपरवाइजर ने इसे सही ढंग से अनदेखा कर दिया क्योंकि दृष्टि बहुत कम समय के लिए थी।

अध्ययन ने रुकने की भौतिक वास्तविकता को भी देखा। भले ही सॉफ्टवेयर तुरंत "स्टॉप" कमांड भेज दे, व्हीलचेयर हवा में नहीं रुकती है। इसमें संवेग (मोमेंटम) होता है। व्हीलचेयर के रुकने के समय का उपयोग करते हुए, जिसे पूरी तरह से रुकने में 3 से 4 सेकंड का समय लगा, शोधकर्ताओं ने गणना की कि स्टॉप कमांड जारी होने के बाद कुर्सी कितनी दूर जाएगी। 0.50 मीटर प्रति सेकंड की गति पर, कुर्सी पूरी तरह से रुकने से पहले 0.78 और 1.13 मीटर के बीच की दूरी तय करेगी। यह दूरी महत्वपूर्ण है, जो यह रेखांकित करती है कि सॉफ्टवेयर की गति सुरक्षा समीकरण का केवल एक हिस्सा है; व्हीलचेयर का भौतिक ब्रेकिंग भी उतना ही महत्वपूर्ण है। टीम ने पाया कि यदि सिस्टम स्टॉप कमांड जारी करने में बहुत अधिक समय लेता है, तो कुर्सी और अधिक दूरी तय करेगी, जो उनके सुपरवाइजर द्वारा प्रदान की गई तीव्र प्रतिक्रिया समय की आवश्यकता पर जोर देता है।

हालाँकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि यह कार्य एक पूर्ण चिकित्सा उत्पाद के बजाय एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' (अवधारणा की पुष्टि) है। परीक्षण डेवलपर्स द्वारा स्वयं किया गया था, उन लोगों द्वारा नहीं जो अंततः व्हीलचेयर का उपयोग करेंगे, और 80 प्रतिशत की सफलता दर बहुत कम प्रयासों पर आधारित थी। अध्ययन यह सिद्ध करता है कि लॉजिक कंप्यूटर सिमुलेशन में काम करता है और हार्डवेयर भौतिक रूप से जॉयस्टिक को हिला सकता है, लेकिन यह अभी तक यह सिद्ध नहीं करता है कि एक वास्तविक उपयोगकर्ता सुरक्षित रूप से नेविगेट कर सकता है। टीम इस बात पर जोर देती है कि भविष्य के कार्यों में वास्तविक उपयोगकर्ताओं के साथ परीक्षण शामिल होना चाहिए ताकि यह देखा जा सके कि वे लंबे समय तक और वास्तविक परिस्थितियों में सिस्टम के साथ कैसे इंटरैक्ट करते हैं। वे यह भी नोट करते हैं कि सिस्टम को यांत्रिक विफलताओं के विरुद्ध मजबूत होना चाहिए, जैसे कि रोबोटिक आर्म का फंस जाना, जिसे वर्तमान सॉफ्टवेयर नहीं पहचान सकता है।

अंततः, यह शोध सहायता तकनीक (असिस्टिव टेक्नोलॉजी) के एक महत्वपूर्ण सिद्धांत को उजागर करता है: सुरक्षा केवल डिवाइस को काम करने के बारे में नहीं है, बल्कि यह सुनिश्चित करने के बारे में भी है कि वह तब रुके जब उसे रुकना चाहिए। एक जानबूझकर चयन पद्धति को एक स्मार्ट सुरक्षा परत के साथ जोड़कर, जो त्रुटियों पर नज़र रखती है, शोधकर्ताओं ने आंखों से व्हीलचेयर को नियंत्रित करने के सुरक्षित तरीके का एक खाका तैयार किया है। iMove सिस्टम यह प्रदर्शित करता है कि सही टाइमिंग चेक और फॉल्ट डिटेक्शन के संयोजन के साथ, मानव दृष्टि की स्वाभाविक और तरल गति को मशीन के लिए एक विश्वसनीय और सुरक्षित कमांड में बदलना संभव है, जो उन लोगों के लिए इरादे और क्रिया के बीच के अंतर को पाटता है जिन्हें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है।