多人機交互方式智能輪椅的設計與應用*

王北一，王 瑞，張景生，歐陽湛鋒

(廣東職業技術學院，廣東 佛山528041)

伴隨著我國人口老齡化、慢性病及各類意外傷害等情況的持續增長，國內的殘障人口數量或生活不便的人口數量在顯著增多，愈來愈多的居民面臨著行走能力衰退乃至完全喪失的窘境。依照國家殘疾人聯合會對外公布的2019年末我國殘疾、失能人口總數的相關報告內容，國內依舊存在著數量較大的殘障人口的規模，現階段，可能的致殘原因表現為多樣化及復雜化的趨勢。智能化輪椅已經被國家列為新時代康復工程的主要項目之一[1]，得到了社會各界人士廣泛關注和大力支持。為此，研究和開發出新一代具有全面的功能、運行安全穩定、性價比相對較高的智能化輪椅，最大程度地幫助老年人及殘障人士，此舉對于提升相關居民的生活品質，提高其生活自理的能力，加速促進社會主義和諧社會的建設具有非常重大的現實意義。然而現階段許多常規的輪椅生產廠商的科研水平比較有限，缺乏相應的研發部門將多樣的交互模式技術用于人機交互渠道實現模塊式的規劃設計及批量生產。所以把各類型的交互模式和相關的模塊化技術結合用于智能型輪椅裝備的開發在以后將會具有非常大的市場需求，也可以給常規的輪椅生產廠商增加巨大的附加經濟收益。

1 智能輪椅概述

現階段美國、德國、日本、法國、加拿大以及中國等國家對智能型輪椅裝置實施了系統地研究，智能型輪椅裝置具備了地圖記憶、避障物智能避讓、自動行進、樓梯爬升與用戶進行人機交互等諸多先進的功能。由此，相關科研人員開發了一類基于先進的物聯網技術和智能化控制芯片等技術的智能型輪椅裝置，并且針對控制部分實施模塊化規劃設計，有益于智能型輪椅裝置的各項功能進一步擴展及改進。文章簡述以單片機模塊為核心的控制系統，該系統綜合了陀螺儀，WiFi無線網絡模塊，溫度傳感裝置，心律等生命體征傳感器及液晶顯示裝置。方便實用，操作非常簡單，用戶提示界面清晰易懂，綜合造價成本相對比較低廉。相關產品的技術路線經過研究分析及橫向對比各類型的電動輪椅操作系統，依據相關產品的實際應用范圍，該產品屬于一種具備多類型人機交互模式及新增了大量輔助性功能的先進的智能型輪椅裝置。具體的技術路線見圖1所示。

圖1 產品技術路線

2 智能型輪椅裝置具備的特性及優勢

2.1 人文關懷角度的實用價值

智能型輪椅裝置必須考慮到行動不便的老年人，或者是先天/后天原因造成殘肢的居民以及身體健康及活動能力較差等特殊情況的人群，實現科學合理的人機交互功能，更進一步實現其他操作者的遠距離遙控控制。裝置本身擁有獨立自主控制行進及自動化識別控制3種控制方案，其中擁有各類控制方案之間的切換比較簡便。在日常使用過程中，除能夠適應日常的行動之外，還可以實現普通輪椅至躺椅模式的自由切換，在操作者需要休息的時候轉換成躺椅模式。借助自動控制的思路，在預先設置的路線上完成自動行走的動作，最大程度地滿足使用人員如廁、就餐、尋找物體、就寢等固定區域的自動定位和行進任務的需求。

2.2 科學性和先進性

在現階段興起的物聯網科技層面的時代大潮之中，機-物之間信息數據的交互作用可以完成各個信息節點反應的控制與管理任務。智能型輪椅裝置的核心處理單元是單片機模塊，隨后可以通過連入外置的各種模塊來進行功能拓展，例如心律的監控感應模塊、溫度的感應模塊，拓展之后即可實現針對使用人員心率的實時監控，能夠為有可能發生的緊急狀況采集相關的數據信息，對于使用人員的身體健康情況隨時跟蹤把握；WiFi無線網絡模塊能夠完成智能化相關裝置的接入和實時控制，假如使用人員對于智能型輪椅裝置操控存在不方便的情況時，系統可以由其他人員實時進行遠程遙控操作；還可以接入紅外線超聲波的探測模塊，對于障礙物能夠實現避障及行進速率切換等控制功能，可以設定為在行進過程中對障礙發出鳴笛以提示使用人員，適當降低行進速度并且針對目前的行進線路實時進行再規劃動作[2]。

3 智能型輪椅裝置的結構簡介

在相關科研人員進行智能型輪椅裝置的結構設計過程中，通常需要考慮如下三點要素：第一點，輪椅的相關規格必須滿足醫療和護理各類相關標準的要求，滿足人體工程學相關原理，確保使用人員體驗的最佳效果，保證使用的舒適性；第二點，智能型輪椅裝置主體結構的穩定性、可靠性及安全性各項參數必須滿足醫療和護理工作的相關標準的要求；第三點，智能型輪椅裝置實際使用過程中可能發生的某些狀況，根據相關可能性拓展相應的輔助裝置及某些人性化功能的裝置，比如人工的緊急制動裝置、餐桌支架、存放雜物的口袋等。智能輪椅的外觀結構見圖2所示。

圖2 智能輪椅外觀結構圖

3.1 智能型輪椅裝置的主要機械部件

智能型輪椅裝置通常由座椅、輪胎、核心控制模塊組件、電機和電源等主要的機械部件所構成。上述部件通常均在規劃設計過程中以散件購買，隨后再實施組裝并且調試。實際規劃設計的進程中，由于相關的組件在其生產過程中并沒有依據統一的規格及相關的標準來指導生產，可能導致各個組件在配合的過程中可能發生相互之間不兼容的狀況。因此在實際的量產過程中，完善并且統一的生產標準的實施才能為相關設備的完美契合帶來可靠的基礎和前提保證。

3.2 智能型輪椅裝置的各個相關模塊單元簡介

3.2.1 主控制器單元模塊

主控制器的主要功能就是相對于人類大腦的各項功能，整個智能型輪椅裝置的核心模塊部分即為主控制器單元模塊，智能型輪椅裝置所具備的各項控制系統的功能及復雜的信息參數的運算均需依靠其來逐一實現。主控芯片的選型工作是一項重要的工作，是實現輪椅智能化控制的關鍵環節之一，智能型輪椅裝置的主要工作內容均由主控芯片來進行控制。文章使用的單片機模塊，將各個傳感裝置所采集到的參數信息最后匯總到該模塊，各類參數信號經過相關處理之后再傳送到硬件系統的相關模塊，反復循環進行相關處理，完成處理工作。

3.2.2 電機的驅動單元模塊

現階段的電機驅動芯片品類已經發展得非常完善。因此在規劃設計過程中可以選取相關的驅動芯片。此類芯片能夠驅動多類型的電機(常規的4步控制方法來操控一個4相電機；或能夠同時操控2個直流電動機)。其供電電壓調節區間最大能夠實現36V，因此具備更強的功率數值，更大的電流數值，能夠有效降低飽和電壓。內部包含兩個雙H型的橋驅動單元，并且具備高溫保護的模塊，采用領先的科技能夠提升電機的運行效率。對比于常規分壓形式的調速模式，該芯片能夠促使電機實現充分地轉動，最大程度地降低發熱量。借助單片機模塊操控的高/低電壓及脈沖的寬度改變，能夠實現對電動機轉速及轉向參數的精確控制。電機驅動模塊電路原理圖見圖3。

圖3 電機驅動模塊電路原理圖

3.2.3 紅外線探測避障模塊簡介

紅外線傳感裝置借助紅外線傳輸來實現數據信息的處理。具有如下特征：實現非接觸狀態的測量，防止電磁波的干擾影響；紅外線能夠24小時不間斷測量，能夠抵抗可見光干擾[3]。但紅外線容易被各類顏色干擾，測量過程中有可能存在偏差。

3.2.4 超聲波距離測量模塊簡介

為了實現防止輪椅與物體碰撞的目的，使用超聲波來偵測輪椅與周圍物體間的實際距離。傳感器左側探頭會向周圍發射超聲波，如果遇到無法穿透的障礙時該超聲波就會依照初始方向散射，這時右側探頭即可感應到反射回來的超聲波，借助相關算法能夠得到距離數值。該模塊的缺陷是可能受到環境溫度/濕度的不利影響。

3.2.5 警報模塊簡介

警報模塊在傳感器發現車輪和障礙物間的距離超過某個區間時進行報警。單片機會第一時間將信號傳送到警報模塊，蜂鳴器發出“嘀嘀”聲，提醒使用人員輪椅到達危險區域?！班粥帧甭晻S著距離迫近變得更加急促。

3.2.6 人機交互接口模塊簡介

使用人員按下按鍵后，輸出端將發出1個低電壓信號，隨即電機開始運作。當停止按鍵的低電壓信號被系統捕捉到時電機停止。遇到轉彎的狀況，使用人員按下左轉或右轉按鍵，電機相應地借助差速轉動來實現輪椅的轉向動作。

4 智能輪椅關鍵技術研究

4.1 智能輪椅控制系統

智能輪椅控制系統是借助自動傳感裝置接收的相關參數信息在控制芯片的計算處理下，把獲取的相關參數信息傳輸至控制單元，電機裝置反饋控制單元參照此實現自動控制[4]。

4.2 智能輪椅導航系統

智能輪椅導航系統是把相關輪椅用戶平常的行進路線實施相關處理，把參數寫至控制單元中，當智能輪椅自動控制芯片識別到該用戶所處位置時，就能夠自動挑選行進線路進行導航或進行人工操作控制。

4.3 智能輪椅人機交互功能

智能輪椅人機交互功能指的是把感應裝置所采集到的相關參數信息進行處理，在第一時間把相關參數信息進行優化，具有針對性地在人機交互界面進行顯示，并且對于相關參數信息實行分析，判斷出所讀取到的參數信息的特點，并且針對該特點實行診斷。

5 智能輪椅的使用技術研究

(1)當智能輪椅在傾斜的路面上行進時，必須在使用人身體健康良好的狀況下操作使用，并且路面傾斜角度＜10.5°，當傾斜角度＞10.5°的時候，不論是上坡或者下坡均應該由其他人在使用者的背后進行推動行進。(2)使用者在操作智能輪椅的過程中切不可以站在腳踏板上，避免導致智能輪椅出現側翻危險的狀況。(3)安全隱患，避免或者出門一旦遇到障礙物的時候，切記一定不要使用智能輪椅進行撞門或者撞擊障礙物。(4)當使用者在傾斜路面操作智能輪椅的時候，一定不要把智能輪椅傾倒或者瞬間進行行進方向的轉換，在下坡的時候切勿進行緊急制動，以防止出現智能輪椅向前翻倒的危險。(5)使用者及其家人必須經常檢查智能輪椅的各個主要零部件及功能，做到定期添加潤滑油，確保智能輪椅的正常使用狀態，絕對不能粗心大意。(6)使用者在自己推動智能輪椅行進的時候，必須保持行駛在勻速狀態，并且確保行進速度保持在3.5～5.5km/h。

6 結束語

綜上所述，在當今科學技術飛速發展進步及創新的大趨勢下，愈來愈高效的數據信息解決方案使很多日常生活有困難的群體的憂患能夠得到順利解決。因此，智能輪椅的出現能夠更加行之有效地為所需要的人群提供服務。