解鎖行動自由新紀元：AI智能輪椅引領無障礙生活與探索的革新之路

隨著科技的飛速發展，人工智慧(AI)的應用日益普及，為解決社會挑戰提供了新的契機。本專題報告旨在探討一款創新的「AI電控監測安全輪椅」系統。此系統專為無法使用雙手操作輪椅的人士設計，整合了自動定位、景點介紹、即時偵測與預約等智慧功能，期望能大幅提升使用者的行動自主性、安全性與生活品質，並促進更具包容性的社會環境。

核心亮點

• 賦予自主行動能力：透過先進的AI演算法與多重感測器融合，實現無需手動操作的精準導航與環境感知，讓使用者能獨立、安全地穿梭於室內外空間，探索名勝景點。
• 整合智慧服務體驗：結合自動定位、豐富的景點資訊介紹及便捷的預約功能，提供一站式智慧出行解決方案，提升使用者外出參與社交活動的便利性與樂趣。
• 呼應永續發展目標：本計畫積極響應聯合國永續發展目標(SDGs)，致力於透過科技創新促進良好健康與福祉、減少不平等，並推動建構永續共融的城市與社區。

計畫動機

時代背景與社會需求

全球正面臨人口高齡化以及身心障礙人口不斷增加的趨勢。根據世界衛生組織的數據，全球約有15%的人口，即超過10億人，生活在某種形式的身心障礙中，其中許多人需要輔助技術來應對日常生活挑戰。傳統輪椅，即使是電動型號，對於上肢功能受限（例如脊髓損傷、中風後遺症或神經退化性疾病患者）的使用者而言，操作上仍存在巨大障礙，嚴重限制了他們的行動自由與社會參與度。他們往往需要他人協助，不僅增加了照護者的負擔，也可能影響使用者的尊嚴與獨立性。

近年來，AI技術的突破性進展，特別是在機器學習、電腦視覺和感測器技術方面，為開發更智能、更自主的輔助設備提供了可能。市場上對於能夠真正「解放雙手」、提供安全監測並融入智慧生活服務的輪椅有著迫切需求。使用者不僅期望基本的移動功能，更希望能安全、便捷地前往公園、博物館、商場等公共場所，享受與一般人無異的生活體驗。本計畫便是基於此社會需求與技術背景，旨在研發一款真正智能化的AI電控監測安全輪椅，以科技力量賦能行動不便者，提升其生活品質。

計畫目標

核心功能與永續發展承諾

本計畫的核心目標是設計並實作一款先進的AI電控監測安全輪椅系統，該系統將具備以下關鍵功能：

• 全自動免手動操作：整合多種輸入方式，如語音指令、頭部姿態控制，甚至眼動追蹤技術，讓使用者無需手動操作即可控制輪椅行進。
• 精準自動定位與導航：利用GPS、慣性測量單元(IMU)、視覺里程計(Visual Odometry)及SLAM（同步定位與地圖構建）技術，實現室內外環境的精準定位與自主路徑規劃，引導使用者安全抵達預設目的地或景點。
• 智慧景點介紹與互動：建置包含無障礙設施資訊的景點資料庫。當輪椅接近預設景點時，能自動提供相關的文字、語音或圖像介紹，豐富使用者的遊覽體驗。
• 即時環境偵測與安全避障：透過光達(LiDAR)、超音波感測器及深度攝影機等多重感測器融合，即時偵測周遭環境，識別靜態與動態障礙物（如行人、台階、坑洞），並自動執行避障或安全停車。
• 便捷預約與管理功能：開發配套的行動應用程式(App)，讓使用者或照護者可以遠端預約輪椅使用（特別適用於公共租賃場景）、規劃行程、設定偏好，並查看輪椅狀態。
• 整合式健康狀態監測：配備如血氧飽和度(SPO2)感測器、心率感測器等，持續監測使用者的基本生理數據。若偵測到異常情況（如血氧過低、心率異常波動），系統可即時向預設的聯絡人或照護中心發出警示。

呼應聯合國永續發展目標 (SDGs)

本計畫的目標與聯合國提出的多項永續發展目標(SDGs)高度契合：

• SDG 3 (良好健康與福祉)：透過健康監測功能，保障使用者外出時的生理安全；提供更安全的移動方式，減少意外發生，促進身心健康。
• SDG 10 (減少不平等)：為行動不便者，特別是重度肢體障礙者，提供前所未有的行動自主性，使其能更平等地參與社會活動、教育和就業，縮小其與健全人士之間的差距。
• SDG 11 (永續城市與社區)：透過提供無障礙的景點導航與資訊，推動城市公共空間的包容性與可及性，使城市設施更能服務所有居民，促進永續與包容的社區發展。
• SDG 9 (產業、創新及基礎建設)：本計畫本身即是創新科技在輔助器具領域的應用，推動了相關產業的發展與基礎設施的智能化升級。

期望透過本計畫的實施，不僅能產出具有實際應用價值的產品，更能為推動社會共融與永續發展貢獻一份力量。

計畫執行內容

本計畫的執行將涵蓋硬體建構、軟體開發、系統整合與多階段測試，確保最終產品的實用性、安全性與可靠性。以下將詳述各主要執行環節：

圖一：先進的AI智能輪椅概念，展示其整合多種感測器與運算單元的能力。

1. 硬體平台建置與感測器整合

• 輪椅本體選型與改裝：選擇適合改裝的電動輪椅平台，考量其承重、續航力、穩定性與擴充性。進行必要的機械結構調整，以容納各式感測器與控制單元。
• 核心運算單元：採用高性能嵌入式運算平台（如NVIDIA Jetson系列或同等級產品），以滿足即時AI運算、多感測器資料處理的需求。
• 導航與定位感測器：
  • GPS模組：用於室外定位。
  • 慣性測量單元 (IMU - MPU6050或更高等級)：提供姿態、加速度資訊，輔助定位與動態穩定。
  • 光達 (LiDAR)：建構2D/3D環境地圖，實現高精度障礙物偵測與SLAM。
  • 深度攝影機 (Depth Camera)：獲取環境深度資訊，輔助物體識別與近距離避障。
• 環境感知與安全感測器：
  • 超音波感測器：偵測近距離障礙物，作為LiDAR和攝影機的補充。
  • 紅外線感測器：用於特定情境下的偵測，如邊緣檢測。
• 人機互動介面硬體：
  • 高靈敏度麥克風陣列：用於清晰的語音指令接收。
  • 攝影機：用於頭部姿態辨識或眼動追蹤。
  • 小型觸控螢幕（選配）：顯示基本資訊與輔助操作。
• 健康監測感測器：整合血氧飽和度(SPO2)感測器、心率感測器等穿戴式或集成式健康監測模組。
• 電源管理系統：設計高效能的電源分配與管理系統，確保各模組穩定供電並優化電池續航。

2. 軟體系統與AI演算法開發

• 操作系統與中介軟體：採用適合機器人應用的操作系統（如Robot Operating System - ROS），簡化模組間通訊與硬體驅動開發。
• 自主導航演算法：
  • SLAM演算法：實現未知環境的地圖構建與輪椅自身定位。
  • 路徑規劃演算法 (A*, D* Lite等)：根據地圖與目標點，規劃最佳無障礙路徑。
  • 運動控制演算法：精確控制輪椅馬達，實現平穩、安全的移動。
• 感知與辨識演算法：
  • 基於深度學習的物件偵測與辨識：識別行人、車輛、路標、台階等。
  • 語音辨識與自然語言理解 (NLU)：將使用者語音指令轉換為機器可執行的命令。
  • 頭部姿態/眼動追蹤演算法：實現非接觸式輪椅控制。
• 地理資訊系統 (GIS) 與景點資料庫：
  • 建構包含景點位置、介紹內容（文字、圖片、語音）、無障礙設施（坡道、電梯、無障礙洗手間等）資訊的資料庫。
  • 開發資料庫查詢與管理介面。
• 預約系統開發：
  • 雲端後台服務：管理使用者帳戶、預約請求、輪椅狀態等。
  • API設計：供行動應用程式調用。
• 行動應用程式 (App) 開發：
  • 使用者友善的UI/UX設計。
  • 功能：遠端控制（部分）、行程規劃、景點瀏覽、預約管理、健康數據查看、緊急求助。
• 健康數據分析與警示模組：分析收集到的生理數據，設定警示閾值，並在異常時觸發通知機制。

圖二：類似Wheelmap的無障礙地圖雲端概念，為AI輪椅的景點導航與無障礙路徑規劃提供數據支持。

3. 系統整合、測試與優化

• 模組化整合：將各硬體與軟體模組逐步整合，進行接口匹配與相容性測試。
• 實驗室環境測試：在控制環境下測試基本功能，如直線行駛、轉彎、避障、語音指令識別等。
• 模擬場景測試：利用模擬軟體或搭建模擬場景，測試複雜環境下的導航與避障能力。
• 實際場域測試：選擇公園、校園、博物館等真實場景進行實地測試，收集實際運行數據，驗證系統在各種光照、地面條件下的表現。特別關注景點導航、預約功能的流暢性。
• 使用者測試與回饋：邀請目標使用者（行動不便者及其照護者）參與測試，收集其使用體驗與建議，進行迭代優化。
• 安全性與可靠性驗證：進行長時間運行測試、極端情況測試（如感測器失效、網路中斷），確保系統的穩定性與安全性符合標準。

透過上述嚴謹的執行流程，本計畫旨在打造一款功能完善、安全可靠、使用者友好的AI電控監測安全輪椅，真正改善目標族群的生活品質。

AI智能輪椅系統架構心智圖

為了更清晰地展示AI電控監測安全輪椅的複雜系統及其各組成部分之間的關係，以下提供一個心智圖（Mindmap）。此圖概述了從核心理念到關鍵技術，再到主要功能模組和最終使用者效益的整體架構。

此心智圖有助於理解本專案的廣度與深度，展示了各個子系統如何協同工作，以實現AI智能輪椅的整體功能和目標。

計畫時程規劃

甘特圖表示 (預計總時程：12個月)

本計畫預計在12個月內完成從需求分析到原型驗收的完整開發週期。詳細的時程規劃如下表所示，其中各階段任務可能存在部分重疊，以加速專案進程。

註：甘特圖中不同顏色區塊代表各主要任務階段的執行時程。

團隊成員人數4及人力配置

本專案團隊由4名核心成員組成，各自擁有不同的專業技能，透過緊密合作共同推進計畫。人力配置如下：

• 1. 專案經理 (Project Manager) 兼 系統架構師 (System Architect) - 1人

  職責：

  • 負責專案的整體規劃、時程管理、資源協調與風險控管。
  • 定義系統的總體架構，確保各模組間的技術兼容性與高效互動。
  • 主持團隊會議，追蹤專案進度，確保專案目標按時按質達成。
  • 對外溝通協調，如與零件供應商、潛在合作夥伴或測試場地管理者聯繫。
  • 確保專案成果符合倫理規範並對應SDGs目標。

  技能要求：具備豐富的專案管理經驗，熟悉軟硬體整合開發流程，對AI技術與輔助科技有深入理解，具備良好的溝通協調與領導能力。

• 2. AI與軟體工程師 (AI & Software Engineer) - 1人

  職責：

  • 負責核心AI演算法的開發、訓練與優化，包括自主導航（SLAM、路徑規劃）、障礙物偵測與辨識、語音/視覺指令辨識模型等。
  • 開發輪椅控制系統軟體、感測器數據融合程式。
  • 建構與維護景點資料庫、預約系統後端服務。
  • 參與軟體模組的整合與測試，撰寫相關技術文件。

  技能要求：精通至少一種主流程式語言（如Python, C++），熟悉機器學習/深度學習框架（如TensorFlow, PyTorch），具備ROS開發經驗，了解電腦視覺與自然語言處理技術，有資料庫管理與雲端服務開發經驗者佳。

• 3. 硬體與嵌入式系統工程師 (Hardware & Embedded Systems Engineer) - 1人

  職責：

  • 負責輪椅硬體的選型、改裝與整合，包括感測器（LiDAR, 攝影機, IMU, SPO2等）、運算單元、馬達驅動器等的安裝與調試。
  • 進行嵌入式系統的韌體程式設計，確保硬體間的穩定通訊與高效運作。
  • 設計並實施電源管理方案，優化系統功耗。
  • 負責硬體的故障排除、維護與升級。

  技能要求：熟悉電路設計、微控制器(MCU)編程，具備感測器整合與嵌入式系統開發經驗，了解機械結構與動力系統，有輪椅或機器人硬體開發經驗者優先。

• 4. 使用者體驗(UX)設計師 與 測試工程師 (UX Designer & Test Engineer) - 1人

  職責：

  • 負責使用者介面（UI）與使用者體驗（UX）設計，包括行動應用程式(App)及輪椅本身的人機互動介面（如語音提示、螢幕顯示）。
  • 進行使用者研究，收集目標用戶需求與使用習慣。
  • 規劃並執行各階段的系統測試，包括單元測試、整合測試、使用者接受度測試(UAT)。
  • 撰寫測試案例、記錄測試結果、追蹤問題修復。
  • 協助收集與整理景點資訊內容，確保其對使用者的友好性與實用性。

  技能要求：熟悉UI/UX設計原則與工具，具備使用者研究與易用性測試方法論知識，細心且具備良好的問題分析與溝通能力，有輔助科技產品測試經驗者佳。

此團隊配置旨在兼顧技術深度與使用者中心的設計理念，透過跨領域協作，確保專案順利完成並達到預期目標。

AI輪椅關鍵性能指標評估

為了客觀評估本AI智能輪椅專案的開發進展與最終成效，我們設定了多項關鍵性能指標(KPIs)。下方的雷達圖展示了這些指標在專案初期評估與期望達成的專案目標之間的對比。這些指標涵蓋了安全性、導航能力、使用者互動、資訊服務品質、健康監測以及系統整體穩定性等方面。

透過持續追蹤這些KPIs的變化，團隊可以有效地監控專案進度，及時調整開發策略，確保最終產品能高度滿足使用者需求並達到預期的技術水準。例如，「自主導航精準度」的提升需要不斷優化SLAM演算法和感測器校準；而「使用者友善度」則依賴於持續的UX設計迭代和使用者回饋的整合。

常見問題 (FAQ)

這款AI輪椅如何確保使用者在複雜環境中的安全？

本AI輪椅採用多層次安全保障機制：

• 多重感測器融合：整合LiDAR、深度攝影機、超音波等多種感測器，全方位感知周遭環境，有效偵測靜態與動態障礙物，減少感測盲區。
• 先進避障演算法：採用基於AI的即時路徑規劃與避障演算法，能夠預判潛在碰撞風險並提前做出反應，如減速、繞行或安全停止。
• 冗餘設計：在關鍵感測器或控制迴路出現故障時，備用系統或安全模式會被啟動，確保輪椅能安全停下。
• 緊急停止按鈕/指令：提供物理緊急停止按鈕及語音緊急停止指令，讓使用者或旁人在必要時能立即中止輪椅運動。
• 健康監測警示：整合的健康監測系統若偵測到使用者生理指標異常（如血氧驟降），會自動發出警示給預設聯絡人或照護中心，並可能觸發輪椅安全停靠。
• 嚴格的測試驗證：系統經過多輪模擬與真實場景測試，包括極端條件測試，以確保其在各種環境下的安全可靠性。

使用者如何與輪椅互動進行導航或使用預約功能？

我們設計了多種直觀便捷的互動方式，以適應不同使用者的能力與偏好：

• 語音控制：使用者可透過清晰的語音指令控制輪椅，例如「帶我去博物館」、「介紹這個景點」、「預約下午兩點的輪椅」等。系統內建自然語言處理模組，能理解多種指令模式。
• 行動應用程式 (App)：配套的App提供完整的控制與管理功能。使用者或其照護者可以在App上進行：
  • 目的地設定與路徑規劃。
  • 景點瀏覽與資訊查閱。
  • 輪椅預約（適用於共享或租賃模式）。
  • 查看輪椅狀態（電量、位置）與健康監測數據。
  • 設定個人偏好與緊急聯絡人。
• 頭部姿態/眼動追蹤控制（進階功能）：對於部分語音表達困難或上肢完全無法活動的使用者，系統可整合頭部姿態感測器或眼動追蹤技術，允許通過頭部轉動或注視螢幕特定區域來下達指令或選擇選項。
• 小型觸控螢幕（輔助）：輪椅上可能配備小型觸控螢幕，用於顯示地圖、景點資訊、系統狀態，並提供輔助的觸控操作選項。

景點介紹功能包含哪些具體的無障礙資訊？

景點介紹功能不僅提供常規的歷史文化、展覽內容等資訊，更特別強調無障礙相關資訊，以協助使用者更好地規劃行程和遊覽體驗：

• 無障礙入口/出口位置：明確標示景點的無障礙通道位置。
• 內部無障礙路徑：提供景點內部的建議無障礙參觀路線圖，避開台階或狹窄通道。
• 無障礙設施：
  • 坡道 (Ramps)：位置、坡度、長度等資訊。
  • 電梯/升降平台 (Elevators/Lifts)：位置、尺寸、承重等。
  • 無障礙洗手間 (Accessible Restrooms)：位置、內部設施（如扶手、緊急呼叫鈴）。
  • 輪椅充電點 (Wheelchair Charging Stations)：如果景點提供。
  • 優先座位/觀景區 (Priority Seating/Viewing Areas)。
• 地面材質：描述主要路徑的地面狀況（如平整度、防滑性），有助於使用者判斷通行難易度。
• 服務資訊：如是否提供手語導覽、語音導覽租借、輪椅租借等。
• 聯絡方式：景點的無障礙服務諮詢電話或窗口。
• 使用者回饋與評分：整合其他輪椅使用者的評價與提示，提供更真實的參考。

這些資訊將以文字、圖標、語音等多種形式呈現，方便不同需求的使用者獲取。

圖三：示意圖展示了智能輪椅如何整合健康監測系統，這與本專案的健康監測功能相呼應。

這款輪椅對應的聯合國永續發展目標(SDGs)有哪些具體貢獻？

本AI電控監測安全輪椅專案透過其創新功能，對多項聯合國永續發展目標(SDGs)作出積極貢獻：

• SDG 3 (良好健康與福祉)：
  • 提升出行安全：透過智能避障和穩定控制，減少使用者外出時發生意外的風險。
  • 健康監測與預警：實時監測生理數據，對潛在健康風險進行預警，有助於及早介入，保障使用者健康。
  • 促進心理健康：增強的自主性與社會參與能力有助於提升使用者的自信心與生活滿意度，減少孤立感。
• SDG 10 (減少不平等)：
  • 賦予行動自主權：讓無法手動操作輪椅的身障人士能夠獨立出行，打破物理障礙，獲得與他人更平等的出行權利。
  • 促進社會參與：使身障人士能更便捷地參與教育、工作、文化娛樂等社會活動，促進社會包容性。
  • 縮小數位落差：透過友善的人機互動設計，讓身障人士也能享受到AI科技發展帶來的便利。
• SDG 11 (永續城市與社區)：
  • 提升城市可及性：透過景點無障礙資訊提供與智能導航，推動城市公共設施對所有人的友好程度。
  • 支持無障礙旅遊：使行動不便者也能享受旅遊樂趣，促進旅遊業的包容性發展。
  • 創建包容性社區：鼓勵社區規劃更多考慮到身障人士需求的設施與服務。
• SDG 9 (產業、創新及基礎建設)：
  • 推動輔助科技創新：本專案本身即是AI、機器人技術在輔助器具領域的創新應用，引領相關技術發展。
  • 促進智慧醫療與照護產業發展：健康監測與遠端預警功能可與智慧醫療系統結合，提升照護效率。

總體而言，本專案旨在利用尖端科技，為創造一個更健康、更平等、更包容、更永續的社會貢獻力量。

推薦探索

• AI輪椅在不同光照與天氣條件下的導航穩定性研究有哪些挑戰與解決方案？
• 如何設計真正符合高齡使用者與重度肢體障礙者需求的AI輔具互動介面？
• AI輪椅收集的個人健康數據在隱私保護与道德應用方面應注意哪些問題？
• 未來AI輪椅技術與智慧城市基礎設施（如V2X通信）整合的發展趨勢為何？

參考資料

vissconext.com

Understanding Automatic Wheelchairs: How They Enhance Mobility and Independence - Vissco Next

nature.com

An autonomous wheelchair with health monitoring system based on user centered design and IoT paradigm - Nature

redalyc.org

AI Based Smart and Intelligent Wheelchair - Redalyc

csiro.au

World-first autonomous wheelchair rolled out - CSIRO

social.desa.un.org

Envision2030 Goal 10: Reduced Inequalities - United Nations DESA

whill.inc

Model C2 - WHILL Inc. (Example of an existing advanced power wheelchair)

ieeexplore.ieee.org

Voice Controlled AI Wheelchair Project - IEEE Xplore (Illustrates voice control aspect)