電動輪椅操控技術(shù)的試驗研究

李治國 韓青松 馮海全 劉長增 鞏勇智

【摘 要】目前對于電動輪椅的操控行為基本上使用操控手柄來完成。利用身體動作控制電動輪椅的操控技術(shù)尚處于起步階段，為了對其操控性進行進一步評價，需要利用試驗比較的方法來予以論證。試驗結(jié)果顯示，該操控系統(tǒng)符合人體使用習(xí)慣，相對于傳統(tǒng)的操控方式，不存在明顯的操控障礙。該研究成果為電動輪椅的操控性能以及使用者的選擇提供了科學(xué)的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電動輪椅;傳感器;操控性;實用性;控制

Study on the Manipulation Performance of Electric Throne

LI Zhi-guo HAN Qing-song FENG Hai-quan LIU Chang-zeng GONG Yong-zhi

（College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot Inner Mongolia 010051， China）

【Abstract】The manipulation of electric throne was mainly done by control handle. Because of the manipulation technology of controlling electric throne was still in its infancy by body movements， the method of comparison trial was used in order to evaluate manipulation performance. The result showed that the manipulation system accorded with the habit of human body and the manipulation disorder was non-existent compared with the traditional control mode. The result can provide scientific basis for manipulation performance and the user choice.

【Key words】Electric throne;Sensor;Manipulation performance;Practicality;Control

0 引言

隨著國民生活水平的提高，老年人的健康機械逐步由簡易初級向人性化，機電一體化方向發(fā)展。電動輪椅就是這樣一個產(chǎn)物。它在傳統(tǒng)手動輪椅的基礎(chǔ)上，增加動力驅(qū)動裝置、操控裝置、電池等部件組成。電動輪椅非常適合行動不便的老年人和殘疾人，電動輪椅因其操作簡單方便正在逐步被廣泛使用。

由于操控桿式控制方法非常符合使用者的主觀感覺，大部分電動輪椅采用操控桿進行控制[1-2]。然而，作為一個利用手臂進行操控的控制方式，對于手臂不夠靈活的使用者，或者利用手臂實現(xiàn)其他操作的場合，操控桿就顯得并不實用。這就需要其他方式來代替操控桿，實現(xiàn)電動輪椅的控制。目前較為常見的方式有聲控、面部方向識別、腦電波以及身體動作方式[3]。聲控方式[4-6]需要用語言來控制設(shè)備，對發(fā)音的精準度有很高要求，操控系統(tǒng)需要熟悉使用者的發(fā)音習(xí)慣，對語言的精確識別和及時控制目前還有一定的困難。面部識別方式[7-8]是以面部的方位進行識別，為配合傳感器，使用者需要保持某種面部方向，對使用者形成心理負擔(dān)。腦電波方式[9-10]是未來控制領(lǐng)域的先進發(fā)展方向。但是，由于技術(shù)尚處于起步階段，很多內(nèi)在規(guī)律的研究尚不完善，達到常規(guī)應(yīng)用還需要較長的時間。

身體動作進行控制的方式[11-13]是，利用使用者身體的某種動作，針對輪椅進行移動方向和速度的控制。該方式針對行動不便，手臂的控制能力不足，身體的整體尚可以進行重心移動的患者，或者身體健康，但是不方便使用手臂的用戶實現(xiàn)短距離移動。

1 實驗驗證

身體動作方式具有類似于操控桿操作的直觀感，比較容易實現(xiàn)對輪椅的速度和方向的控制。在本研究中，將身體動作實現(xiàn)電動輪椅的控制與傳統(tǒng)的操控桿方式控制進行比較，證實本操控方式的有效性。

1.1 實驗條件

本實驗在室內(nèi)5 m×5 m的環(huán)境中進行測試。實驗區(qū)域和L型空間如圖1所示。參與者年齡在20至30歲之間，人數(shù)為20人。身體動作操控方式實驗時假想手臂不方便的情況，將手臂放置于身前的姿勢，以身體的傾斜來控制輪椅，完成實驗。實驗中采用“高速”，“低速”兩種速度模式。

1.2 實驗內(nèi)容

參與者使用身體動作方式以低速模式在試驗區(qū)域進行自主自由行走，無速度，方向限制，時間為2分鐘;以低速模式，在指定的L型空間完成折返操作;以高速模式在試驗區(qū)域進行自主自由行走，無速度，方向限制，時間為2分鐘;以高速模式，在指定的L型空間完成折返操作。

參與者使用操控桿按照相同步驟完成操控桿控制方式實驗。

圖1 實驗場地實景圖

1.3 問卷調(diào)查

選擇了11對感性評價詞匯，用7段法進行了分析。由于關(guān)注對象是操控性能和乘坐性能，將其作為分析項。操控性能中增加了直行性能、轉(zhuǎn)彎性能、敏感度、疲勞感。乘坐性能中增加了速度、安全感、平穩(wěn)度、舒適度以及和諧度。7段法評價，最優(yōu)評價時為7，最差評價時為1。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 問卷調(diào)查結(jié)果及討論

圖2所示為低速情況下，使用本系統(tǒng)的身體動作控制方式原設(shè)備中使用操控桿的方式所獲得的平均評價值。黑色區(qū)間為標準偏差。

在低速的情況下，身體動作控制方式與操控桿控制方式相比，操控桿的方式略好于身體動作方式。“直行性能”，“敏感度”，“速度”三項出現(xiàn)了5%的有意差。

這表明，低速時在“直行性能”上，操控桿方式優(yōu)于身體動作方式。同時，操控桿方式由于更容易控制速度的增減，所以對“敏感度”，“速度”的評價值也高于身體動作方式。當然，由于問卷調(diào)查的設(shè)置中，將“速度”一項中評價為7分的選項設(shè)置為“非?？臁?，1為“非常慢”，而“敏感度”一項中評價為7分的選項設(shè)置為“非常敏感感”，1為“非常遲鈍”，所以嚴格意義來講，并不能認為“敏感度”，“速度”評價值高的操作方法就是評價高的一方。而其它選項的評價均為相同等級的評價。

圖3所示為高速情況下，使用本系統(tǒng)的身體動作控制方式原設(shè)備中使用操控桿的方式所獲得的平均評價值。

在高速狀態(tài)下，身體動作操控方式與操控桿方式?jīng)]有明顯區(qū)別，各個評價值之間均未出現(xiàn)5%的有意差。這一結(jié)果表明，在高速狀態(tài)下，兩種操控方式在操控感和乘坐舒適度方面沒有明顯差別。

綜上所述，本操控方法在諸多與操控感和乘坐舒適度方面與操控桿方式?jīng)]有差別，從而證明本操作方法具有實際應(yīng)用價值。

2.2 L形空間行走比較試驗結(jié)果及討論

L型空間的折返實驗

身體動作方式與操控桿方式的低速和高速完成折返實驗數(shù)據(jù)如表1所示。折返實驗結(jié)果表明，實驗參與者在很短的時間內(nèi)，基本掌握了操作方法，在合理的時間內(nèi)完成了要求的操作。

L形空間的行走時間如表2所示。

表1 低速折返實驗結(jié)果

單位 （s）

L形空間的行走結(jié)果表明，無論是低速還是高速，身體動作控制的操控方式均慢于操控桿的方式。這表明，由于實驗體驗者對操控桿的方式更為熟悉，從而能夠更加從容地對設(shè)備進行速度與方向的控制。而身體動作的方式，由于需要全身的傾斜來完成，相對于操控桿的方式，其操作難度必然要高一些。同時也必須考慮，操控桿方式十分普遍，大部分體驗者之前就已經(jīng)比較熟悉此類方式。而身體動作控制的方式僅僅經(jīng)過幾分鐘的練習(xí)，就能夠比較熟練地控制設(shè)備，完成行走的時間不到操控桿形式的2倍?？梢灶A(yù)見，如果進行進一步的練習(xí)，提高熟練程度，其操控性能的評價將進一步提高。

3 總結(jié)

（1）通過身體動作操控電動輪椅技術(shù)的實驗研究，證實了利用傾斜傳感器操控電動輪椅的可行性，該操控系統(tǒng)非常符合使用者對電動輪椅移動需求的直觀感受，并且在很短的時間內(nèi)能夠較熟練地掌握其操作要領(lǐng)。

（2）實驗結(jié)果表明，雖然身體動作操控的方式相對于操控桿方式用時較多，但是操控感及乘坐性能沒有明顯差距。

綜上所示，本研究中使用的身體動作操作方式是可行的，具有實用意義。

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