基于Agent概念的智能輪椅床控制模塊設計

張翔義++陳啟軍

摘要：

為使智能輪椅床在自主運行時，能隨時響應周圍其它對象的指令并實施協同動作，提出基于Agent概念規劃控制模塊的設計。通過傳感器組信息、輪椅床當前狀態信息、外來協同信息的感知融合，給出符合總體需求的動作選擇指令序列。借助于傳感器組信息、外部遙控命令信息與學習積累庫的信息進行適時綜合，完成比較復雜的交叉判斷與協商，實現外來的指令合并本體的自主控制協同執行。如此，對智能輪椅床乘用人員來說，既能滿足其自主行動的意圖，又能滿足其及時接受其他對象提供的服務；同時還便于遠程監控人員適時介入解決特殊問題。試用表明，基于Agent概念的控制模塊設計，能以清晰的軟件結構和豐富的協同應對資源庫顯著提升智能輪椅床的整體功能。

關鍵詞：

智能家居； 輪椅床； 協同控制； Agent

中圖分類號： N 93文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn 10055630，2015.07.014

引言

隨著物質生活水平和醫療技術的不斷提高，以及晚婚晚育等新觀念的普及，老齡人口數的占比不斷提升，這是社會進步的自然趨勢。但是，老齡人口占比的提升，對每位年輕人照顧老年人所需花費的精力份額也顯著增加。與此同時，當今信息社會工作與生活節奏的不斷提高，使得年輕人越來越難以抽出更多的時間照顧老齡人。而作為老齡人，隨著社會進步觀念的普及，也越來越希望自己的生活能夠自理，盡量不拖累年輕一代的工作與學習。另外，殘疾人士的生活質量提升，也是社會進步中應該加以重視的課題。在這樣一個總體背景下，如何充分利用現代技術成果，開發有助于老齡人、殘疾人的生活自理的智能產品，使他們能自主、安全、舒適、有尊嚴地生活，既是他們自身的熱切期望，也是社會公眾的一致訴求。

用于助老助殘的人機協調和普適環境，包括安全、智能、無障礙的行走，周圍電燈、空調、電視機、窗簾、熱水器的控制等。其中，可自由運動、變形的智能輪椅床，是重要的組成部分之一。智能輪椅床的主要功能，是既能作為輪椅載人出行，又能在老、殘人士疲勞時變形為床以供休息。此外，還要能夠接受監護人的遙控，以及與周圍的服務機器人協同等。

為此，本文設計了基于Agent（智能體）概念的智能輪椅床控制模塊。

1Agent（智能體）的基本含義

Agent的最早概念是一個具有自兼容性、交互性和并發處理功能的，具有封閉的內在狀態，并可與同類對象交換信息的行為實體。

Agent作為計算機系統，具有兩種重要能力。首先，每個Agent至少在某種程度上可以自治行動，即可由其自己決定，需要采取什么行動以實現其設計目標。其次，每個Agent都可以與其他Agent進行交互，這種交互不是簡單的交換數據，而是參與某種社會或協同行為，包括合作、協作和協商等。

Agent通常是一個具有自治性、社會性、反應性和預動性的系統。自治性是指，Agent運行時可以不直接由人或者其他系統控制，其對自己的行為和內部狀態有一定的控制權。社會性是指，Agent能夠與其他Agent進行信息交換。反映性是指，Agent能夠感知所處的環境，并能通過其行為改變環境。預動性是指，Agent能夠主動地，或自發地感知所處環境的變化，并作出基于目標的行為。

Agent的典型體系結構，大致有慎思型、反應型、混合型三類。從本課題的情況出發，選擇簡單、高效的反應型結構比較合適。圖1為本智能輪椅床所用的Agent功能結構體。

該Agent將各種預先組織好的條件與反應過程，化成動作規劃庫中的可選擇內容。借助于傳感器組感知當前環境狀況，并結合來自上位機或其他Agent的協同信息，給出應對判斷。然后通過動作選擇，指示動作機構根據動作規劃庫的對應過程實施，達到改變Agent自身與環境關系的目的，亦即實現智能輪椅床的行走、變位、保持穩定等功能。

按照Agent的結構方式設計程序，可避免縱橫交錯的條件判斷語句、減少繁雜的交互函數套疊，使程序塊功能清晰，應對變化快速、可靠。

2智能輪椅床的基本結構

根據功能的需求，設計的智能輪椅床如圖2所示。基本結構包括座位部、靠背部、踏腳部、靠腿部、扶手部、行走動力輪、行走輔助輪，以及床態前撐、床態后撐、多個變位動作電機、相關的光電信息、轉角、位置、載荷傳感器等。其中，床態前撐、床態后撐分別隱在靠背部和腳踏部之中。

設計的輪椅床自重70 kg，總承重120 kg，踏腳板承重80 kg，扶手靠推力20 kg。為減少重復性機構所占空間，在保證使用性能的前提下簡化結構，左右扶手部分、靠腿與踏腳部分實施聯動設計[911]。

為保證行走、變位、平躺各種狀態的平衡，在行走動力輪、行走輔助輪、床態前撐、床態后撐上裝有重力載荷傳感器，以便檢測乘用人員的重心變化，防止意外翻倒的產生。

在變位過程中，隨時檢測乘用者的重心變化，根據重心位置的狀況，有選擇地實施安全的變位動作，以防止變位動作與乘用者配合不當可能出現的重心偏移。當監測到重心接近平穩臨界限制時會報警，提示乘用人員糾正體態或放棄外抓重物等。如果報警后未檢測到重心校正指令且偏移進一步加大，隱在靠背部、踏腳部之中的輔助支撐立即探出著地，防止輪椅翻倒。爾后，若重心位置恢復正常，則收回著地的輔助支撐。

3智能輪椅床的電氣配置

從功能需求考慮，智能輪椅床的電氣配置如圖3所示。環境感知信息主要由光電信息傳感器組、角度傳感器組、載荷傳感器組、限位傳感器組獲取。動作執行主要由行走機構控制部分、床體變形控制部分構成。

光電信息傳感器組由多個紅外探頭與專用攝像頭構成。紅外探頭用于對周圍實體的感知，防止智能輪椅床變形與行走時與四周發生碰撞。專用攝像頭用于接收監控人員的手勢信息，以便作出協同動作響應。

角度傳感器組用于對各輪椅變位部件轉角的感知，以便判定輪椅當前的狀態以及變位的速度等。載荷傳感器組主要監測四輪支撐件上的重力載荷，以便判定輪椅床中心變動，防止翻倒。限位傳感器組用于各部件變位極限狀態的感知，防止某個角度傳感器失效時因過度驅動產生損壞。

變形部件選用博世0130002529電動機，只需12 V直流供電，可輸出較高功率。另外，借助高速比減速器，可以足夠大地輸出轉矩完成變位動作。行走部件選用BH32系列伺服電動機，該電機具有功率大、力矩大、體積小的特點，在滿足輪椅床行走需要的同時，減少所占空間。選用賽特公司的BT系列蓄電池，直接給出所需的12 V、48 V直流供電。

作為處于助老助殘普適環境中的智能輪椅床，其變位姿態與行進狀況信息的獲取，還可以由所處環境中布置的若干臺攝象機完成。這些信息經上位機判別后，發出調整、變位等遙控指令，智能輪椅床接收后可作出協同響應。

4智能輪椅床的微控部件（中控模塊）選擇

綜合考慮所需功能、性價比等因素，微控部件由Freescale單片機以及EMW3X80嵌入式WiFi模塊等外圍件構成。主芯片采用MC9S08QE128，80引腳，圖4為MC9S08QE128功能結構圖。因MC9S08QE128具有豐富的輸入/輸出資源，比較容易覆蓋輪椅床的多傳感器信號輸入、多種輸出控制的需要。

MC9S08QE128是低功耗、低電源、高效運作的8位微控制（MCUs）單元HCS08系列的成員。支持高達50.33 MHz的CPU時鐘頻率，32個中斷/復位源，128 KB存儲空間。圖中，VDD和VSS是MCU的主要電源供給引腳；VDDA和VSSA是MCU中ADC模塊的電源供給引腳。

MC9S08QE128擁有兩個獨立的模擬比較器ACMP1和ACMP2。擁有逐次逼近式的12位數模轉換器（ADC），2.5 μs轉換時間，支持28個獨立模擬輸入，可選擇4個輸入時鐘源。擁有SCI1和SCI2兩個通信接口，擁有SPI1和SPI2兩個串行外圍設備接口。擁有2個3道（TPM1與TPM2）和1個6道（TPM3）的S08TPMV3定時器脈沖寬度調節器。70個GPIO以及1個僅輸入和1個僅輸出引腳。

HCS08系列的開發支持系統背景調試控制器（BDC）和片上調試模塊（DBG）。BDC提供單線調試接口與目標連接，通過BDC可方便地進行片上閃存和其他非易失性存儲器的編程。BDC允許以非侵入方式存取存儲器數據和傳統調試功能，諸如CPU積存器修改、斷點和單指令跟蹤命令等。

5智能輪椅床變位與行走軟件設計

運行軟件的設計，充分考慮Agent的構件需要，立足于具體的硬件配置，主要流程圖如圖5所示。

智能輪椅床可隨時接收乘用人的鍵盤控制指令，以及監護人通過無線模塊發來的遙控指令。當同時收到的鍵盤指令與遙控指令不一致時，需要做綜合判別，亦即判斷應按照乘用人還是監護人的指令實施動作。對此：一是乘用人可事先通過鍵盤給出有限級選擇；二是根據鍵盤給出的狀態指示信息，臨時決定是否授權監護人為優先級；三是根據乘用者過去在相應狀態下的自主歷程記錄，判定監護人的遙控指令符合乘用者過去自主歷程記錄，即按監護人的遙控指令執行（對乘用人的自主歷程記錄是在學習積累環節完成的，若過去的同狀態自主過程有多個，但不一樣，則按照統計強度決定）。

智能規劃環節主要是根據指令要求，參考傳感器組提供的信息，依據當前智能輪椅床所處的狀態，按序調用動作規劃庫的子程序。

過程運行環節則具體實施對各個電動機的實際控制，其中包括輪椅床變位、輪椅床行走兩類內容。（1）輪椅床變位可以根據靠背、扶手、靠腿部分的傾角傳感器，實施位置漸進閉環控制。可分別實施靠背起，靠背降，靠腿腳踏聯動起，靠腿腳踏聯動降，扶手起，扶手降等，也可以做幾個變位動作的并行處理。（2） 輪椅床行走，一個功能是根據乘用人的鍵盤指令，實現前進，后退，左轉，右轉，任意線路行進等，另一個功能是按照監護人的各種遙控指令[12]，實現各種移動。監護人對智能輪椅床在居所中的位置，是通過居所安裝的攝像頭陣列和體感攝像機Kinect組成的視頻監控系統獲取的，這屬于智能輪椅床所在大系統的構建內容。

狀態機環節實現的是當前狀態描述，以及各種狀態間的遞進、轉化邏輯關系。狀態機環節的設置，降低了軟件設計的復雜程度，并提高了可靠性。

學習積累環節主要是記錄乘用人的多輪鍵盤操作與控制實施，采用統計強度歸納乘用人的正常行為過程，以便收到遙控指令時，做綜合判斷。學習積累環節可以用鍵盤指令嵌入二次開發內容。

自主判別環節在沒有鍵盤指令和遙控指令期間，能根據已設目標、當前狀態、傳感器組信息等，完成應實施的相關過程。

6結論

基于Agent概念所實現的智能輪椅床機電總體設計、控制模塊的組成以及運行軟件的配置等經整體集成運行，能較好地滿足本體的自主控制，并能比較穩定地按照遙控指令運行，對現場中的專用服務機器人，也能做特定的協同運行。當然，如果再增加雙傳感器冗余設計、智能輪椅床重心判別與矯正、防變位意外的輔助支撐等，整體性能還會進一步改善。

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（編輯：劉鐵英）