智能輪椅的設計及發展戰略

摘要：本文具體闡述了智能輪椅研究過程中的若干關鍵技術，對自主式沿墻行走型智能輪椅進行設計和研究，最后對未來研究智能輪椅的市場發展趨勢進行展望，對后續智能輪椅的設計研究提出了幾點建議，具有良好的應用價值。

關鍵詞：智能輪椅;沿墻行走;模糊控制;關鍵技術

一、智能輪椅研究的關鍵技術

智能輪椅一般由以下三個部分組成：控制系統、導航系統、人機接口。

（一）控制系統，負責對外界環境狀況做出實時感知和決策，根據規劃結果完成平滑、安全的運動，并適時提高移動速度，有足夠快的反應能力，滿足實時性要求。采用手動模式、半自動模式和自主模式。

（二）導航系統，智能輪椅的導航技術通過傳感器檢測環境信息，建立環境空間模型，獲取輪椅的位置和方向，規劃出安全有效的運動路徑，實時調整運動路徑，并自主實現路徑跟蹤，導航兼具安全性和交互性。

（三）人機接口，智能輪椅關鍵技術之一就是人機交互技術。在設計人機接口的過程中應將用戶身體情況、認知能力和心理反應作為不可或缺的中心部分納入考慮，彌補自身不足，充分發揮主動性，以實現輪椅與用戶之間最佳的合作方式，這就需要設計出更人性化和多樣性的人機接口。

二、自主式沿墻行走控制型智能輪椅的設計

自主導航是現代智能輪椅所具有的基本功能之一，將使用者安全送到目的地，并在行進過程中躲避障礙物，避免碰撞。復雜地形狀況，需要用戶高精度的操控，但對于肢體活動不便的輪椅使用者，這是一項極其困難的挑戰。之前的研究中，沿墻行走的設計都是跟隨單邊墻面行走，若將兩邊墻壁一起考慮進去設計控制器，將極大提高安全系數。自主式沿墻行走型智能輪椅，代替傳統操控輪椅有著廣闊的發展前景。可利用嵌入式控制技術，提供安全且精密的控制，以傳感器為基礎，并結合沿墻走的自動行駛系統，確保輪椅能處于左右兩邊墻面的中線上行駛，并能因墻距的寬窄變化，進行速度上的調整，兩墻距越寬速度越快，反之亦然。

加入激光測距儀用來掃描環境參數，通過一系列計算實現控制輪椅的動作，確保輪椅始終行駛在兩墻間的中線上。在控制器設計方面，除了利用PID及模糊控制為基礎，設計實現兩個獨立的前進速度和轉向速度的控制器外，為了能節省傳統模糊控制的調整時間，采用加入學習法則后具有適應性機制的自組模糊控制器（SOFC），針對每一條模糊規則的輸出值，提供補償控制量，來修正每條規則，通過補償機制操作后，使得控制器能因為各種未知環境，不斷修正模糊規則庫，以達到更為平滑的控制。考慮傳統定義的規則數目過多，運算時間加長，提出單一輸入自組模糊控制器，可大幅度降低模糊控制規則數量，并結合適應性機制以提升因縮減規則數量導致所喪失的功能。整體系統具有以下功能：

（一）動態偵測未知環境提供沿墻行走的距離信息

（二）因墻距的寬窄變化，提供速度上的調整

（三）模仿人類思維的模糊邏輯實現控制，提供穩定且平滑的操作

（四）加入適應性，使控制器能適應當下環境，增加其性能

（五）具有預防碰撞的緊急停車功能

在走廊及窄巷的環境下，保證導航系統的功能性和可靠性，具有良好的智能避障功能，穩定且安全的操作，設計得更加人性化，提高適用性和交互性，并透過所收集的數據信息，協助分析控制器在不同環境下的性能，更加靈活智能，整個控制系統運行穩定，實時性高，續航時間長，為行動弱勢人群，提供一個安全便利的智能操作平臺。

三、未來發展趨勢與建議

我國對智能輪椅的研究有了很大的進展，但仍處于初期開發階段，停留在實驗室、展臺或是少數定做，并沒有進入大批量生產階段，所以仍有許多發展空間。

（一）自然化和智能化。目前用戶仍處于對輪椅進行簡單控制的階段，未達到完全自然交互和智能化的目標。未來需要利用更多人機交互接口相結合，綜合應用智能技術，優化控制算法，人機之間更充分地進行交流和溝通。

（二）人性化和安全性。未來應充分考慮行動不便者的需求，構建完善的安全保障系統，如避障、在狹窄的環境中停放、自動暫停以及跟隨目標等，融合多種控制器，提升系統對未知環境的適應性，快速做出反應，盡可能避免危險的發生并找出一條最佳的行進路線。

（三）產品化和模塊化。目前許多算法不夠成熟，導致必須依賴高精度的硬件設施，成本相對就會提高。若是將智能輪椅批量生產，成為一條產業鏈，必須提高算法的運算速度和準確度，以及執行控制行為的可靠度，才能降低硬件設備的支出，提高性價比。同時，將智能輪椅的各項功能模塊化，每個模塊對應一種功能，以便為不同的用戶配置最合適的輪椅。

隨著社會的發展和科技的進步，智能輪椅的安全可靠性將不斷提高，功能將更為豐富多樣，相信在不遠的將來會有更多類型且價格適中的智能輪椅，提升行動不便者的生活質量，為我國廣大的殘疾人士和老年人造福。

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作者簡介：李航（1995-），北京工業大學2017屆研究生，碩士學歷，所學專業為工業設計工程，研究方向為交互設計。