智能輪椅研究進展

孔華萍，張藝于，黃韞喆，應 雯，徐可盈，周 波

（上海健康醫學院，上海 201318）

隨著全球人口加速老齡化及因疾病、災難或者意外而身體殘疾的人數的逐年增加，這類特殊人群的醫療、護理和康復已成為當今社會重點關注的問題。由于老年人和殘障人群可能會存在不同程度的能力喪失（如行走、動手和語言能力等），為了給他們提供性能優越的代步工具，改善其生活質量和生活自由度，幫助他們能重新融入健全人的生活區，國內外研究者將智能機器人技術應用于普通的電動輪椅，開發了融合信息、控制、傳感技術、人工智能和通信等多種領域的智能輪椅。本文對智能輪椅在按摩、擋雨、如廁、爬樓和定位功能等方面的國內外研究進行總結，并提出未來可能的發展趨勢。

1 智能輪椅研究概述

世界上第一輛智能輪椅是1986年在英國發明的。自此以后，越來越多的人開始在智能輪椅這一領域大展身手，力求為社會殘障人士帶去福音。初期的“智能”僅僅體現在輪椅上安裝了簡單的測距傳感器，但是隨著研發的深入，更多的智能板塊涌現在市場中。像語音識別系統的應用讓使用者能夠知曉自己正身處何處。又如超聲波傳感器的使用讓輪椅能夠輕松避開障礙物。此外，德國烏爾姆大學在電動輪椅的基礎上還開發出了1款適用于運動技能嚴重受損的人的機器人移動輔助設備Maid。該設備擁有半自主和完全自主2種模式。比如在殘疾人衛生間等狹窄的地方就適合采用半自主模式，而像在機場等快速變化、擁擠、寬敞的地方就適合用完全自主模式，幫助使用者有效避開行人[1]。

我國開展智能輪椅的研究相對較晚，但是根據自己的技術優勢和特點，也開發出了有特色的智能輪椅平臺，包括中科院自動化所的多模態交互智能輪椅、嵌入式智能輪椅，上海交通大學的多功能智能輪椅，中科院深圳先進技術研究院基于頭部動作的智能輪椅等等[2]。

2 智能輪椅的功能與應用

2.1 按摩功能的輪椅

行動不便久坐輪椅的人，通常無法維持脊柱生理曲度，長期固定1個錯誤坐姿導致脊柱周圍的肌肉韌帶處于持續緊張狀態，輕則出現頸部、腰部肌肉勞損，引起頸背腰酸疼，重則出現骨骼結構性變化，引發或加重頸椎病、腰椎間盤突出等疾病。除此之外，長時間保持坐姿可能對腿部造成直接壓迫，引起腿部肌肉疼痛癥狀，還可能對腿部血管造成壓迫，引起腿部肌肉無氧代謝增加，導致酸性代謝產物增多，引發腿部疼痛。對此，在輪椅上增加頸部、腰部和腿部的按摩功能，可以疏通經絡，對頸部、腰部和腿部疼痛有所緩解。

2.1.1 頸部按摩輪椅

頸部按摩輪椅的研究較少，主要是根據以下專利不斷地完善。李志永等[3]設計首個頸部按摩輪椅，第一按摩板固定在前墊的兩側，支撐塊固定在前墊板靠近底座的位置，傳動組件安裝在底座上，鏈條傳動機構連接到第十齒輪，鏈條傳動機制連接到傳動組件，第八齒輪連接到傳動總成，并且支撐桿控制變速器組件。這種頸部按摩電動輪椅由電機驅動，車輪的運動驅動頸部凸輪往復運動。同時，當頭部靠在背部時，固定裝置彈出并對準頸部位置，從而按摩患者的頸部。這種設計不僅降低了按摩輪椅的成本，而且使操作非常簡單。

這種按摩輪椅雖然實現了車輪帶動按摩器的運作，減少了電能的消耗，保持輪椅運動時能持續按摩頸部，但其按摩器強度和速度調整過多，會引起頸部肌肉的酸痛，而且還會因患者頭型不一致，使頸部按摩力度過重或過輕。

周英華等[4]研發的智能輪椅的頸部牽引與按摩裝置，解決了上述的問題。其研發的智能輪椅通過調整，可以為不同體型的用戶獲得更舒適的位置。調整過程非常簡單可靠，可確保頸部牽引時牽引力穩定可控。用戶還可以根據自己的習慣選擇不同的按摩方式，也可以保證穴位定期受到刺激，更好地緩解疲勞。

這2種按摩器不僅都屬于耗能按摩器或被動按摩器，均通過電能帶動凸輪機構運動，從而實現按摩。兩者是享受型按摩方式的按摩器，不需要付出勞動。但第一個頸部按摩輪椅不是直接將電能轉化成凸輪機構的機械能，而是先將電能轉化成車輪的機械能，然后通過傳動組件帶動按摩器的運行。

2.1.2 腰部按摩輪椅

王澤春等[5]設計1種腰部按摩輪椅?；颊呖梢酝ㄟ^手柄轉動滾輪，在鏈接各級齒的相互作用下，驅動滾輪旋轉，然后驅動連桿旋轉輪片。通過輪片上半圓板的凹凸性質和彈簧的作用力，推桿可以前后移動，使按摩球可以前后移動來按摩患者的腰部，使患者更容易恢復和休息，從而恢復更快。本發明結構合理，操作簡單，使用方便，可廣泛推廣。

鄧佩琳[6]的腰部按摩輪椅發明與它原理相似，都是通過對輪椅的椅背進行改造，在椅背設計了多個滾筒，從而轉動把手或者滾筒，帶動凸起運動或者輪片運動。不同之處在于，王澤春的設計只需轉動幾下把手，按摩球就可以來回移動，但其最大的問題是彈簧老化，輪椅使用時長長了，其彈簧的彈性減小，按摩器來回移動會隨之減少，而鄧佩琳的設計需要持續轉動滾筒才能實現長時間的腰部按摩，雖然對輪椅零件損傷小，但轉動滾筒所費的力多。

劉巧芝等[7]設計的智能輪椅用腰部按摩裝置，不同于以上2種，主要是對腰部按摩裝置的改良，將腰部按摩器改良后安裝在輪椅上，也可隨時將按摩器從輪椅上拆下，而對于輪椅本身沒做過多改動。在智能輪椅使用時，腰枕可直接用捆綁帶捆綁固定在輪椅靠背下部腰部位置。當用戶坐在輪椅上感到腰部疼痛時，用戶可用手直接按下控制開關，電池通電操作振動器，驅動按摩柱振動并按摩用戶腰部，加速用戶腰部血液循環，并根據用戶的實際使用需要按下控制開關上的不同按鈕開關，啟動不同部位的振動器。它解決了人們需要用拳頭自己進行腰部按摩的問題和手部按摩不夠準確與力度無法持久的問題。

2.1.3 腿部按摩輪椅

關于腿部按摩輪椅的專利有很多。王瑞娟等[8]采用直性驅動單元，如電動推桿或氣缸或液壓缸，用于有效地按摩腿部，簡化驅動元件的結構并降低使用成本。同時，由于僅使用電動推桿或氣缸或液壓缸推動，操作方便，動作靈活，減少了驅動元件的損壞，確保了驅動元件使用壽命。還可根據個人需要調整電動推桿或氣缸或液壓缸的伸出長度，調整擺動幅度，應用范圍廣。但此款輪椅不足之處在于，為了達到更好的腿部按摩效果，操作時需要一定的力度，可能不利于腿部病患患者的恢復。

另有2種腿部按摩輪椅對按摩力度進行了改進，護理科室用腿部往復按摩輪椅[9]和便于腿部損傷患者鍛煉和按摩的輪椅[10]，這2種腿部按摩輪椅不僅在按摩力度上進行調整，還在其他方面進行優化。前者不但通過電力驅動大大增加了輪椅的續航能力，還可以控制按摩裝置對患者腿部進行按摩，促進患者腿部康復，能有效避免患者腿部組織壞死。但是患者長時間保持坐姿，膝蓋長期處于屈曲位，局部血管長期彎折，可能會影響下肢血液循環，進而影響膝蓋部位的血供，容易引起關節部位損傷。用于腿部受傷患者運動按摩的輪椅在膝蓋保護方面具有優勢，使患者能夠獨立完成屈膝和放松練習，無需患者家屬的協助。若患者難以自主完成膝關節運動，這時就需要消耗電能從而調節腿部高度和對腿部進行按摩來減輕腿部的不適。

除上述功能外，還有1款能調節腿部高度的輪椅[11]，當患者久坐感腿部不適時，只需按動開關，按摩裝置內部的傳動桿就能夠帶動轉動盤，轉動盤側面的按摩球便開始對病患的腿部進行按摩，使患者能夠在長時間不動坐姿的情況下腿部也能夠得到放松，減輕病患腿部的不適。腳踏管側面的連接件與聯動桿連接，當患者腿部需要抬高放松時，只需雙手按下按鈕向后拉動推桿，推桿的下端推動聯動桿向前運動，聯動桿推進腳踏管向上抬高，即可實現病患腿部抬高放松，使患者不至于長時間處于1種姿勢不動。

2.2 擋雨功能的輪椅

2.2.1 輪椅專用雨傘

輪椅直接連接傘柄的下端，固定在輪椅上的雨傘在撐起時可以遮擋整個輪椅，如果不用雨傘的話可以選擇松開它的壓緊裝置，這樣雨傘就會翻轉掛在旁邊的套管，這樣不僅便于攜帶、不占用空間，并且使用方便[12]。

2.2.2 輪椅專用雨披

雨披上端連接著專用帽；長條形口上密封連接有覆蓋魔術貼，左右側均開設有輪椅把手孔，輪椅把手孔的兩側連接有固定把手魔術貼；專用帽的前端開口處連接有收緊帶，收緊帶上安裝有卡扣；前面安裝有固定鈕的透明面罩，后端連接有松緊調節魔術貼。其優點表現在：解決了患者及殘疾人士雨天出行的障礙，為輪椅代步的人群提供方便。防風保暖設計，保護患者不受風寒，真正做到風雨無阻[13]。

2.2.3 輪椅用擋雨棚

首先是帶有擋雨棚的輪椅。在輪椅本身頂部的兩側都固定連接有固定架，而在其中1個架子上又連接著1個支撐架，在支撐架頂端的一側固定有安裝架，安裝架的一側有著有電機箱，它是通過第一支撐板連接在中段位置。有益效果是絲桿在有電機箱的驅動下進行正向轉動，配合絲桿螺母和限位板，讓限位塊的位置進行增高，從而使得對應的擺動桿進行擺動，這時候的滑塊與相應轉軸及其對應鉸鏈會相互配合，使擋雨板發生角度的變化，配合擋雨布和遮雨布，就形成了擋雨棚，使用起來更加便捷[14]。

其次是帶有折疊擋雨棚的輪椅。輪椅后側裝備有可以向后伸展的扶手，還包括折疊擋雨棚和折疊架，設置于所述輪椅的上方，隨時可以用來擋雨。通過設置折疊擋雨棚，輪椅可以在雨天使用，并且可以保證人的衣服保持干燥；通過設置可折疊的擋雨棚，方便用戶在不使用的時候將其拆下來，利于保存且增加用戶使用空間[15]。

再次是多功能擋雨輪椅。輪椅的頂部有擋雨板，側邊裝有擋雨裝置和控制面板。輪椅底部前側有轉向輪，后方跟著有個驅動輪，扶手和椅背這種基礎設施不必再說，在其中一側的扶手上安裝有控制面板，頂上的擋雨板與椅背相連，擋雨板的兩側都有著長槽孔，限位螺栓的前側設有擋塊，頂部擋雨板的頂部兩側均設有掛鉤，掛鉤對用戶在醫院輸液的情況起明顯作用，在生活中也可以進行日常生活用品的放置，同時該輪椅也能方便用戶在不同天氣下選擇不同的保護措施，在雨天也不用怕衣物被淋濕，方便了用戶的日常行動[16]。

最后是帶有可拆卸折疊擋雨棚的輪椅。擁有著基礎設備，在這之中多了折疊支架、擋雨簾和L型輔助支架。L型輔助支架位于輪椅靠背靠近扶手的一邊，它與該靠背相連，同時這個L型輔助支架連接著折疊支架的一端，該折疊支架可以向靠背遠離扶手的那一側伸展開；擋雨簾就與所述的折疊支架、L型輔助支架有著可拆卸連接的關系。該輪椅有著擋雨簾和2個相應支架，通過方便收納的折疊支架來支撐擋雨簾，可以讓護理人員在雨天推行輪椅時感到方便，確保患者不被淋濕[17]。

2.3 如廁功能的輪椅

隨著我國人民生活水平的提高，智能座便器也逐漸在人們的生活中成為重要的衛生設備[18]，在日常生活中，座便器是我們必不可少的一部分。市面上出現各種各樣的智能座便器，大大提高了我們如廁的舒適度和方便度，但大多座便器與智能輪椅聯系起來的實例較少。如果能在智能輪椅上添加可拆卸座便器，即可為行動不便用戶提供心理和生理上的便利。

作為用戶經常性使用的設備，其舒適度和安全性是十分重要的。資料顯示[19]，可拆卸座便器可以完全根據人體工程學設計出最合適的角度與尺寸，成功地防止因為使用醫用一次性便盆而損傷腰部，提高了舒適度，使用戶坐上去之后能夠放松，有效防止壓瘡和損傷，有利于排便通暢，讓用戶有良好的體驗感?！皩⒈愠乜谶吘壴O計成向內彎曲的圓弧形，使其邊緣圓鈍，與病人臀部皮膚更好緊密貼合，有效防止尿液及沖洗液的外滲。[20]”沿上使用泡沫軟墊，以解決用戶在如廁過程中身體接觸座便器時冷、硬、使用舒適度差的問題；在盆沿上使用軟墊，不僅可以減輕用戶的臀部受力問題，還可以防止體形偏瘦、骨骼突出的用戶發生壓瘡甚至皮膚損傷等問題。

關于材料問題，國內醫院常用的便盆一般由聚乙烯或聚丙烯的塑料制成，一般為白色，分上下2個部分，呈上部較寬下部較窄的喇叭形[21]。但由于其由成本較低的塑料制成，質地較硬，邊緣較為鋒利，使用時可能會劃傷患者的皮膚，并且塑料材質扛不住壓力，容易破裂，大量生產可能會污染環境。而選用無毒無味、耐高溫、抗高壓、抗腐蝕、韌性好、光滑度高的PVC材料，平價，易被需求者所接受[22]。

雖然如今便攜式的設計存在特殊功能的優化，但仍存在一些缺陷未能改善。為了避免用戶在排便的過程中因為心理不適、不知所措等各種因素而排便困難，以及對于排便后的清理工作的煩惱和尷尬。從而設計出既簡易衛生又可以保證其隱私安全的便攜式便器。在便器中套入一次性黑色塑料袋，這樣既保護了用戶的隱私，同時可拆卸的設計可以方便處理使用過的一次性黑色塑料袋處理排泄物，不用為了清洗便盆而煩惱[23]。

可拆卸的設計使得便盆可以在特定軌道內移動，從而方便便盆的放取。設計安裝在椅架下方，正常使用時就是智能輪椅，如果想如廁，只需將便盆放入即可[24]。這樣的設計可以使用戶不需要他人的幫助就可以移步至廁所，方便了用戶的生活。

這種設計不僅可以方便用戶保持智能輪椅的衛生，延長輪椅的使用壽命，又可以降低輪椅的損壞率，降低其修補時間，更是一種綠色設計的體現。通過智能化功能滿足用戶體驗的同時將綠色設計理念融入到智能坐便器的功能、材質和造型設計等方面。滿足用戶擁有舒適體驗的同時鼓舞用戶建立綠色消費意識，使消費者經濟損耗降低的同時也減少了環境污染，實現可持續發展的戰略目標[25]。

便攜式座便器不僅有占地空間小，質量輕巧、組裝簡易，拆卸簡單，易于攜帶和存放，清洗容易，移動方便的特點，而且保護了用戶的隱私，解決多數老人及腿腳不便用戶排便時不太方便的問題，同時，避免了外出時很難找到衛生間等現象的出現?？芍^一舉多得，成為了多數老人以及不方便步行用戶的不二之選。

2.4 爬樓輪椅

輪椅、電動輪椅能在坡度小于12°的平坦路面上行駛，但遇到樓梯臺階就無法跨越。中國仍有近一半的城市居民住在7層以下沒有電梯的建筑，往往下樓需要1個身強體壯的人背行，或由4人抬著輪椅才能下樓。這一現狀給無數殘疾和老年人帶來不便，甚至有些家庭由于護理人手不夠，家中的殘疾人1年也難得下幾次樓。介于此，電動爬樓輪椅便可以在任何1個成年人的操作下，幫助1個體重高達100 kg的殘疾人或老年人自由上下樓梯。

爬樓輪椅的工作原理是電機通過齒輪轉動將動力傳給轉軸，轉軸旋轉帶動轉軸兩邊的主動齒輪旋轉，主動齒輪與從動齒輪相嚙合，最終將動力傳到行駛機構，行駛機構運轉，從而使智能爬樓輪椅前進[26]。

爬樓梯輪椅按照其傳動方式可分為：星輪式、履帶式和步進支撐式3種。3種傳動方式的優缺點見表1。

表1 3種傳動方式的優缺點比較

2.5 定位功能的輪椅

2.5.1 室內導航輪椅

此輪椅的主要研究的是利用固態激光雷達、UWB模塊和里程計等傳感器構建輪椅的環境感知和導航模塊。當輪椅進入新的室內環境時，能夠隨著輪椅的行進構建出房間的地圖并實現全局自定位，在獲取到環境地圖的基礎上輪椅能夠實現自主導航功能。本文的工作內容主要分為構建環境地圖、輪椅室內定位、導航3個部分。實驗采用激光雷達SLAM技術來構建室內環境地圖，UWB模塊配合里程計進行定位，采用改進的A*算法進行輪椅導航[27]。

此輪椅算法的主要優點:設計出了基于改進的A*算法來進行輪椅路徑的規劃的方法，而由于該輪椅算法在進行輪椅路徑規劃計算時也充分地考慮到了輪椅本身的幾何尺寸及對道路行進阻力的直接影響，且經過改進的算法得出的規劃輪椅路徑也會有助于避免車輛緊貼路邊障礙物行駛，提高了輪椅的安全性能。但改進算法是以犧牲路徑長度為代價的，其規劃的路徑長度可能比傳統A*算法更長。使用kd-tree的結構組織點云數據，顯著加快了定位配準速度。將定位結果用擴展卡爾曼濾波進行優化，獲得了更好的定位精度。

2.5.2 室外導航輪椅

此智能輪椅系統對智能輪椅車上裝載的車載GPS衛星地面定位系統等導航定位應用智能終端軟件功能進行了系統整體集成設計開發與自主開發。首先，系統設計團隊搭建研發出車載該智能終端硬件系統，利用基于高德地圖軟件和LBS系統開發平臺進行設計與開發，并通過進一步詳細闡述和設計實現了涵蓋其系統各核心功能模塊，最后，在該智能系統的實際系統運行調試時得出結果。通過定義類庫并調用Location Manager Proxy可快速輕松地實現相關程序的自動定位功能[28]。

此套智能輪椅系統具備一些顯著的優點:GPS終端系統對于地面衛星信號數據的同步接收傳輸功能較良好，定位及跟蹤導航精度相對較高，能基本完美地滿足生活在地面較平整、開闊、良好的路面條件下的普通使用者們對于智能輪椅系統的衛星定位與跟蹤導航系統定位要求。

2.5.3 實時戶外監測輪椅

此系統主要是通過將所有的手持感應設備模塊數據進行統一的集成并應用于在老人輪椅的管理監控系統上，操作和界面相對簡單，實用性卻更強，利用手持傳感器能夠通過快速實時有效地采集檢測老人在輪椅上的各種狀態數據信息來快速實時映射乘坐者當前的健康生活的狀態，同時有效限度上提高了使用安全性和工作便捷性。選用MC0模塊作為輪椅老人輪椅的GPS定位和數據采集模塊，同時能夠直接通過手機移動設備GPRS來快速地上傳數據，監護人們除了每天隨時通過手機來與家中使用輪椅的老人們進行及時溝通及分享交流，還可以通過基于STM3的電動輪椅實現讓電動輪椅老年人遠距離的安全出行。通過對硬件電路模塊的集成與開發設計和對智能控制系統與智能通訊程序模塊的編寫及調試設計，實現快速將輪椅的定位、乘坐位置和輪椅電量信息等智能數據信息經過實時數據采集和上傳發布到OneNet云平臺，隨時隨地可通過智能移動設備Web瀏覽器客戶端和手機智能App觀測數據。電動可折疊式輪椅上的智能戶外輪椅安全監測及報警系統可以自動利用人體加速度陀螺儀傳感器來實時精確地判斷出輪椅姿態，經智能單片機數據處理系統計算后即可判斷到該戶外輪椅是否翻倒。若發現有人已經檢測并識別到了該輪椅已遭到翻倒，則將即時進行智能語音識別及播報危險信息通過自動短信提示用戶撥打已經預存好的緊急聯系電話。MC0模塊可直接作為輪椅的GPS衛星導航定位與定位系統的數據信息實時采集及處理模塊，能夠及時通過移動互聯網的GPRS等無線通信終端即時上傳輪椅數據，監護人除了每天及時通過手機客戶端與輪椅殘疾老人信息平臺進行在線交流等，還可以通過在OneNet云平臺系統中安裝的手機端Web瀏覽器客戶端和移動終端App移動端隨時隨地清晰實時查看輪椅上的乘坐狀態、地理位置、歷史軌跡與電池電量[29]。

3 結束語

輪椅是特殊群體保持生活尊嚴、擴大生活范圍、提升生活品質甚至重新就業的重要工具。智能輪椅的未來市場需求甚廣。從中國的人口因素分析來看，人口老齡化將在相當長一段時間內存在。從人們思想觀念轉變上來看，人們的健康服務和養老意識有了很大的提高，如何養老、如何保障晚年生活、如何讓老年生活得更加有質量等問題都受到了普遍重視。這些都會促進輪椅需求量的提升，而消費升級又將推進輪椅向中高端市場發展。

但是今天的智能輪椅還是存在一些問題。

1）人機交互不夠自然。雖然已開發了多種智能輪椅人機交互接口，但是仍處于通過人機接口對輪椅進行簡單控制的階段，對使用者的無意識行為與有意識行為的區分還欠缺，無法達到自然交互的目的。

2）輪椅的安全保護系統不夠完善。目前多數智能輪椅平臺較重視功能而對于各種環境下危險發生的可能性及相應措施研究不夠。

3）既可以實現實時定位又可以進行及時呼救的輪椅還有待研究和開發。

4）智能輪椅控制系統功耗較大，續航能力不高，離真正的使用還有一定距離。

5）市面上的輪椅在“智能”上的體現非常零散，很多都是1個輪椅1種功能，希望今后能有更多集多個功能為一體的智能輪椅涌現。

隨著新技術的發展，智能輪椅的功能會越來越完善，期望未來有更多多元化元素的加入，幫助更多有需求的人使用上更安全、更智能的輪椅。