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

对于数百万生活在严重肢体残疾中的人来说，从一个房间移动到另一个房间这一简单的动作，都可能是一项巨大的挑战。虽然动力轮椅为他们提供了通往独立的途径，但这些轮椅依赖于用户必须能够操作的控制界面，通常是需要手部力量和灵巧度的摇杆。当双手无法发挥功能时，眼睛往往成为一种强大的、尚未被开发的资源。人类的眼睛天生精准，能够以惊人的速度锁定物体，对于那些能看见但无法移动肢体的人来说，注视某个方向可以变成移动的指令。然而，将一次瞥视转化为安全、可靠的运动并不像指向并点击那么简单。眼睛在不断地扫描世界，或是在阅读标牌，或是在观察行人，如果一个控制系统会在眼睛落在任何位置时都移动轮椅，那将会是混乱且危险的。工程师面临的核心挑战在于，如何区分有意的移动意图与转瞬即逝的瞥视，并确保如果用户的大脑与机器之间的连接中断，轮椅会立即停止，而不是沿着危险的路径继续行驶。

科威特科学技术学院的研究人员通过构建并测试一个名为 iMove 的系统解决了这一问题，这是一个允许使用眼动追踪完全控制标准动力轮椅的改装套件。由 Hasan Fayyad-Kazan 领导的团队构建了一个装置，该装置位于商用眼动追踪摄像头与轮椅现有的摇杆之间。用户不再是移动摇杆，而是注视平板电脑屏幕上的特定方向，一个连接在轮椅上的小型机械臂会物理性地将摇杆推向该方向。该系统包含一个中央“停止（STOP）”目标和八个方向目标。当用户看向一个方向时，系统会观察其注视是否足够稳定，以判断是否为有意图的指令。如果注视持续时间足够长，机械臂就会移动摇杆，轮椅便开始滚动。如果用户移开视线，系统则设计为停止运动。

研究人员首先测试了该系统的基础版本，以观察其是否能将注视转化为运动。在一次初步试验中，他们尝试选择一个方向十次。系统成功移动了八次摇杆，达到了 80% 的成功率。然而，这次初步测试揭示了基础设计中的一个关键缺陷：系统过于“信任”输入。如果用户的眼睛偏离了目标，或者发送信号的计算机死机了，基础系统会一直保持摇杆被推开的状态，导致轮椅持续移动。它不知道在输入变得无效时如何自行停止。这是一个危险的情况，因为如果轮椅在用户失去控制或失去注意力后继续移动，可能会导致碰撞。

为了修复这个问题，团队开发了一个“时间监督器（temporal supervisor）”，这是一种作为指令安全卫士的软件逻辑层。该监督器引入了一套规则，用于在允许轮椅移动前验证指令是否仍然有效。首先，它要求一个“停留（dwell）”时间，这意味着用户必须注视目标一段特定的时间——在他们的设计中设定为 0.60 秒——轮椅才会移动。这防止了由快速瞥视引起的误动作。其次，系统会检查输入是否“新鲜”，以确保来自眼动追踪器的信号是新的，而不是一秒钟前的冻结图像。第三，它监控平板电脑与轮椅之间的连接；如果通信链路断开，系统会立即切断指令。

研究人员不仅构建了这个系统，还进行了数千次场景模拟，以观察它在压力下的表现。他们创建了一个数字环境，可以在其中注入故障，例如冻结眼动追踪器、切断通信电缆或让计算机停止处理。在这些模拟中，基础系统在每次发生故障时都会失败，使轮椅在整个测试期间持续移动。相比之下，新的监督器系统反应迅速。当眼动追踪器冻结时，监督器在 0.12 秒内停止了指令。当通信链路被切断时，它在 0.24 秒内停止了指令。团队还测试了如果用户不小心短暂注视目标（例如 0.12 秒）会发生什么。基础系统会激活轮椅，但监督器正确地忽略了它，因为注视时间太短，不足以构成明确的指令。

研究还观察了物理停止的现实情况。即使软件瞬间发出“停止”指令，轮椅也不会在半空中停下。它具有惯性。利用观察到的轮椅停止时间（在 3 到 4 秒之间完全静止），研究人员计算了在发出停止指令后轮椅会行驶多远。在 0.50 米/秒的速度下，轮椅在完全停止前会行驶 0.78 到 1.13 米。这个距离非常显著，凸显了软件的速度仅仅是安全方程的一部分；轮椅的物理制动同样重要。团队发现，如果系统发出停止指令的时间过晚，轮椅行驶的距离会更远，这强调了提供快速响应时间的监督器的必要性。

尽管结果令人鼓舞，但研究人员谨慎地指出，这项工作是概念验证而非成熟的医疗产品。测试是由开发人员自己进行的，而非最终的使用者，且 80% 的成功率是基于极少量的尝试。该研究证明了逻辑在计算机模拟中是有效的，且硬件可以物理移动摇杆，但这尚未证明真实用户能够在复杂环境中安全导航。团队强调，未来的工作必须涉及对实际用户的测试，以观察他们在长期使用及现实环境下的交互情况。他们还指出，系统需要具备抵御机械故障的能力，例如机械臂卡住，而目前的软件尚无法检测到此类问题。

最终，这项研究强调了辅助技术中的一个至要原则：安全性不仅在于让设备正常工作，更在于确保它在应该停止时能够停止。通过将刻意的选择方法与智能安全层相结合，研究人员为一种更安全的眼控轮椅控制方式创建了蓝图。iMove 系统表明，通过结合计时检查和故障检测，可以将人类注视这种自然、流动的动作转化为可靠且安全的机器指令，为那些最需要的人搭建起意图与行动之间的桥梁。