智能輪椅的研究與探索

肖 蕊，張 穎

（1.上海健康醫學院 護理與健康管理學院，上海201318；2.上海健康醫學院 基礎醫學院，上海201318）

引言

本文對智能輪椅的核心問題進行了分析，指出了智能輪椅涉及的各項技術及其研究現狀，并對其發展趨勢進行了簡明描述。在智能輪椅的整個系統構建中，有許多細節問題值得關注，也是智能輪椅能否真正面向廣大用戶的關鍵。它對傳統的輪椅進行了改進，實現了智能輪椅的多種操控模式和自動避障等功能，改進其所存在的成本高、功耗大、續航能力差等問題，適合作為商業產品投放于市場。

1 研究目的

隨著中國老齡化進程的加快，每個家庭都有一兩個甚至以上的老年人，同時也受到上個世紀獨生子女政策的影響，中青年逐漸兼顧不了照顧老年人的重擔，因此智能輪椅的需求量會越來越大。將目前常見的普通輪椅改為可調節智能輪椅可以方便老年人的生活，有效解決傷殘病人的治療與康復，滿足病人需求。除了年老體弱不方便走動的，還有受傷、殘疾人、孕婦等行動不便的人群也可以使用。另外，除了滿足家庭需要，醫院也可以使用：輸液室里面的靠背椅也可以用它來替代，使用時可將其輪子固定，病人輸液時間長的話可以打開后躺在上面休息。對于看護的家人來說，也可以作為陪護床來使用，既方便也不占用太大的空間，又能使病人和家屬得到更好的休息利于康復。

智能輪椅為殘疾人、老年人、行動障礙人士等弱勢群體帶來了便捷生活與自主生活的可能和希望。不僅僅生理上幫助患者解決基本生活需求，更注重患者心理上的體驗感，減少患者因生理障礙而產生的負面情緒，為這些弱勢群體帶來了福音。

2 智能輪椅的研究現狀和發展趨勢

自1986 年英國開始研制出第一輛智能輪椅以來，許多國家投入較多資金研究智能輪椅，如德國烏爾姆大學MAID（老年人及殘疾人助聽器）項目，它是在一個商業輪椅的基礎上研制出了輪椅機器人，該輪椅機器人在公共場所擁有大量乘客的環境中，能夠自動識別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，甚至還能提醒擋路的行人讓開道路。[1-2]

我國智能輪椅研究起步較晚，在機構的復雜性和靈活性上和國外相比有一定差距，但也根據自身特色研制出技術指標接近國外先進水平的智能輪椅。[3]研究單位有中科院自動化所、上海交通大學和第三軍醫大學等。

中國科學院自動化研究所研制了一種多模態智能輪椅，具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互；[4]上海交通大學成功為四肢全部喪失功能的殘疾者設計的配備聲納、紅外、攝像頭等多種傳感器，多種工作模式的智能輪椅。[5]但是目前智能輪椅在實驗室還是少量定制，并沒有真正產業化，所以在研究上仍有許多空間。

控制系統、導航系統、人機接口是組成智能輪椅的三個主要部分。控制系統主要是根據外界具體環境狀況來進行實時感知以及決策，按照規劃的結果來實施安全且平滑的運動，同時適當的對移動速度進行調整，具有反應速度快的優勢，能夠對實時性要求進行充分滿足。控制系統可采用自主模式、半自動模式、手動模式來實現。導航系統主要是智能輪椅上的導航技術利用傳感器檢測環境信息，創建環境空間模型，對輪椅的具體位置及方向進行獲取，進而對運動路徑進行有效的規劃，對運動路徑進行適時調整，同時對運動路徑進行實時跟蹤，導航具有交互性及安全性的特點。人機交互技術是智能輪椅技術中最關鍵的技術之一，設計者對人機接口進行設計時，需要把用戶的身體狀況、心理狀況、認知能力等進行綜合全面考慮，對自身的不足進行改善與彌補，將主動性充分發揮出來，實現用戶和智能輪椅之間的完美合作，這就需要設計者在設計人機接口時，要把握好人性化、多樣化的原則。

近幾年來，我國智能輪椅的研究取得了很大的進步，但是仍需要不斷的努力，逐步突破初期開發的狀態。目前，智能輪椅的研究基本上仍停留在實驗室、展臺、少數定做的狀態中，并未進入大批量生產的階段，智能輪椅的研究與發展空間還是非常大的，在研究與發展的過程中，要把握以下原則。首先是自然化與智能化原則，現階段，輪椅用戶主要是簡單控制輪椅的狀態，沒有實現自然交互的目標以及智能化的目標。在接下來的研究中，必須要借助更多的人機交互接口來實現智能技術的綜合應用，對控制算法進行不斷優化，人機之間的溝通與交流更加充分。其次，人性化和安全性原則，在日后的研究與探索中，要對行動不便的用戶的實際需求進行充分全面的考慮，創建有效的安全保障系統，比如說，在空間狹小的環境中進行停放、自動避障、自動停放、目標跟隨等，實現多種控制器的融合，提高系統在未知環境中的適應性，做出快速反應，盡量避免發生危險，積極尋找最優行進路線。最后，產品化和模塊化原則，現階段，智能輪椅中包含的很多算法是不成熟的，這就需要對高精度的硬件設施產生依賴，無形之中增加了成本投入。如果想要實現智能輪椅生產的批量化，形成產業鏈，必須要對運算的速度以及精度進行全面提升，同時提高控制行為的可靠度，減少硬件設備方面的支出，促進性價比的提高。與此同時，實現智能輪椅不同功能的模塊化，不同的模塊對應不同的功能，為不同的用戶配置個性化的智能輪椅。

在經濟與科技快速發展的背景下，智能輪椅將實現安全可靠性的逐步提升，從功能來看，也將越來越豐富、全面，在未來的研究與探索中，智能輪椅會實現類型的多樣化以及價格的合理化，為行動不便的群體提供便利，提高其生活質量，造福于智能輪椅的使用者。

3 研究內容

我們小組初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級控制，如簡單的運動，速度控制及避障等。隨著查閱文獻和深入思考，將大量機器人技術用于輪椅，智能輪椅在簡單低效的基礎上，有更好的適應性和自主性，獨有的語音識別功能，大大增加了使用者與輪椅之間交互的方式，使輪椅的功能更加全面高效，保證了使用期間的通訊功能。在此基礎上，改善了輪椅的色彩單調性，在外觀上給人以舒適感和美感。結構簡潔，結實輕巧，外形符合人體工學，并且選擇硬度較高的材料，保證輪椅在使用過程中的安全性能。智能輪椅是將智能機器人應用于普通輪椅，融合多種領域的研究，包括機器視覺，機器聽覺及機器人導航和定位控制系統。[6]

隨著智能輪椅的出現，路徑規劃問題也同時產生，在研究智能輪椅的過程中，社會各界都對路徑規劃問題進行了高度關注。特別是在智能化水平提升以及硬件設備水平提升的基礎上，智能輪椅的路徑規劃問題受到了更高的重視。科學合理的路徑規劃是保障輪椅安全行進的前提條件。傳統輪椅通過人為方式來掌握輪椅行進的方向，而智能輪椅可以實現輪椅的自主性運動，使用者的生活質量得到顯著提升。智能輪椅對行進路線的規劃并不是按照人的意識來進行的，而是根據其內部的路線規劃系統來實現規避障礙物的。在相關路徑得到有效規劃后，智能輪椅就會根據制定好的路徑來實施運動，對智能輪椅的安全性進行保障。在規劃智能輪椅路徑時，設計人員要結合用戶的反饋與建議來對現有的問題進行有效處理。通常情況下，智能輪椅會通過超聲傳感器來規劃路徑問題，超聲傳感器利用超聲波來有效的識別障礙物，實現用戶對智能輪椅的正確使用。老年人及殘障人士的出行及運動需要借助智能輪椅，可以說，智能輪椅對他們具有十分重要的意義。目前，智能化輪椅基本上都是一體化智能設備，如果說在后期來二次優化路徑問題，實現難度是非常大的，所以，相關設計人員及技術人員要更加重視路徑規劃的優化問題。

智能輪椅的創新點主要有以下幾點：（1）安裝有語音交互及操控系統，既可以增加使用者與網絡、外界的通訊功能，又可以隨時控制其功能狀態；（2）在遇到斜坡、樓梯等障礙時，可以通過聲控來啟動其避障功能或改變其前進、后退的速度和方向等；（3）久坐僵直難耐時，患者可以通過聲控來調節輪椅角度，角度可以隨意調節，決定是調換成斜靠背式或者平躺式，不僅僅適合老年患者、癱瘓等殘障人士，更加適合上肢功能障礙的患者。

4 創業愿景

隨著建設創新型國家進程的不斷推進，《國家中長期人才發展規劃綱要》的出臺，提升大學生創新能力建設、培養創新型人才的要求進一步提高到當前大學生培養的日程。[7]現如今是一個創新的年代，未來社會迫切需要具有創新創業能力的人才，大學生占據高等教育的主導地位，是社會向前發展的動力，需要號召大學生積極響應，與新時代發展要求相適應。一方面大學生創新創業有利于激發學生的潛能，激進他們的好奇心，然后通過觀察周圍的事物結合新時代的發展要求來開發創新新鮮的東西，并且實現自身的自我價值。另一方面，從心理上講，大學生創新創業可以使自己建立更大的自信，對未來充滿期待與信心，不畏懼困難；從理論技術上講，可以使大學生學到很多基礎的理論知識，并且建立更加豐富的理論基礎。然而大學生創新創業還存在很多不足的地方。由于大學生缺乏實踐經驗，難免無法做到完美的決策，并且大學生資金來源短缺，很難建立起核心的價值體系。

柏丁兮等的研究表明：創新創業教育是順應國家時代發展的需求，在護理領域中，從實踐教學著手，開展護理技能操作的創新創業實踐教學模式有著重要意義。[8]護理學本科生的創新創業教育還需要不斷改進和完善，讓學生成為符合時代發展的復合型人才，而不是將自己的發展固定在專業護理的唯一定位上。而在當今互聯網+背景下，進行“理論、實踐、實戰”三位一體教育，需要老師在創業指導中做到：理論、實踐、實戰的綜合性戰略，利用這樣的模式切實提高護理專業學生的創業能力。[9]隨著市場經濟在我國的進一步深入發展，政策的導向會對大學生創業帶來更加有利的因素。開展大學生創新創業訓練促進學生全面發展成才，促進高校轉變教育思想觀念、改革人才培養模式，有助于培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才。