曲振波 王飛 張宏揚
關(guān)鍵詞:智能輪椅;發(fā)展趨勢;設(shè)計趨勢
1 智能輪椅的概念
智能輪椅是一種基于普通人工助力型輪椅,將無刷直流電機驅(qū)動控制為核心系統(tǒng),應(yīng)用了傳感信息融合技術(shù)、語言信息合成與識別系統(tǒng)、實時自適應(yīng)導(dǎo)航移停控制技術(shù)、智能識別隨機避障、自然化人機交互等技術(shù),能準(zhǔn)確完成用戶在多種生活場景中環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測和采集、語音交互反饋、智能安全導(dǎo)航等功能的移動輔助設(shè)備?,F(xiàn)階段,智能輪椅主要包括站立式電動輪椅、升降式電動輪椅以及多地形巡航電動輪椅等。不同類型的智能輪椅分別輔助用戶完成在不同空間場景下的需求。
2 智能輪椅的發(fā)展趨勢
2.1 智能網(wǎng)聯(lián)化
實現(xiàn)智能輪椅智能網(wǎng)聯(lián)化需要智能化技術(shù)支持和網(wǎng)聯(lián)化信息融合。智能化技術(shù)能為智能輪椅提供環(huán)境模型感知功能,并在人機交互反饋的基礎(chǔ)上完成智能決策。網(wǎng)聯(lián)化信息融合可以配合智能化技術(shù)在智能輪椅的信息聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知決策上嵌入,優(yōu)化智能輪椅的控制和感知功能。從最初的人工助力型輪椅發(fā)展到現(xiàn)在的電動輪椅,智能網(wǎng)聯(lián)化將提供給智能輪椅一個嶄新的平臺,使適用人群有更人性化的移動服務(wù)體驗。智能輪椅通過智能網(wǎng)聯(lián)捕捉并感知數(shù)據(jù)和反饋解決方案,協(xié)同用戶的指令達(dá)到智能化水準(zhǔn)。例如,用戶駕駛智能輪椅經(jīng)過有施工路段時,可以通過網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)獲取路面的障礙信息,同時多方位傳感器捕捉路障信息,最終綜合路障信息并反饋給用戶多種決策方案,然后通過用戶的自主評估進(jìn)行下一步操作。智能網(wǎng)聯(lián)化在服務(wù)用戶互動反饋的過程來看,將推動更多輔助性移動設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型,成為更多科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
2.2 物聯(lián)數(shù)據(jù)共享
物聯(lián)數(shù)據(jù)共享是通過捕捉并采集多種感知信息數(shù)據(jù),再借助人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化分類整合,而整合來的數(shù)據(jù)集合成數(shù)據(jù)共享池,以方便物聯(lián)產(chǎn)品利用這些數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)智能輪椅的物聯(lián)數(shù)據(jù)共享需要智能網(wǎng)聯(lián)化達(dá)到一定的基礎(chǔ),使智能輪椅與不同場景的進(jìn)點產(chǎn)品發(fā)生網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián),以達(dá)到數(shù)據(jù)共享池的有效積攢,然后基于用戶某種需求時智能輪椅能在物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池中識別篩選、采集、反饋準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。智能輪椅形成物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池要基于搭載巡線導(dǎo)航傳感器、超聲波傳感器、氣體傳感器等多方位傳感的系統(tǒng)、鷹眼摹擬測距系統(tǒng),智能語音識別系統(tǒng)等聯(lián)動配合產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)。物聯(lián)數(shù)據(jù)共享保障了用戶使用智能輪椅時的安全和舒適,比如,用戶行駛智能輪椅在家中工作,此時室內(nèi)出現(xiàn)火情,智能輪椅所搭載的煙霧傳感器可迅速識別近點煙霧濃度變化,并立即啟動家中滅火設(shè)備并聯(lián)網(wǎng)合成數(shù)據(jù),將實時的火情數(shù)據(jù)傳達(dá)至消防站系統(tǒng),同時智能輪椅配合用戶決定救火措施和逃離現(xiàn)場路線。將物聯(lián)數(shù)據(jù)共享模式作為科技產(chǎn)品研發(fā)的核心方向,可形成更完善的產(chǎn)業(yè)跨界生態(tài)圈。
2.3 場景路徑記憶細(xì)分
場景路徑記憶細(xì)分基于智能輪椅已多次識別路障信息且建立多次有效環(huán)境模型,并記錄路徑始末點,能重疊篩選出精細(xì)且優(yōu)化的巡航路線[1]。智能輪椅儲存的環(huán)境模型信息與搭載的多種視覺和非視覺傳感器相互聯(lián)動,能減小實時識別路障信息的誤差,進(jìn)而通過巡航傳感器高效完成定點巡航路線指令。場景路徑記憶信息通過細(xì)分之后,可提供給用戶既便捷又人性化的功能,并在路徑末點位置直接提示給用戶智能輪椅特定的功能支持。正如用戶居家活動的定點信息,用戶要去廚房的高位櫥柜拿取碗筷等餐具,起始點在客廳的隨機巡航點上,此時智能輪椅可從已儲存的場景路徑記憶細(xì)分信息中直接提取最優(yōu)路線,配合智能輪椅實時感知路障信息,準(zhǔn)確抵達(dá)廚房定位點后,啟動智能輪椅升降等特定功能預(yù)設(shè)。通過環(huán)境建模和路徑規(guī)劃算法建立場景路徑記憶細(xì)分,真正解決了不同生理機能用戶的特殊需求,同時為各類智能移動機器設(shè)備的自動巡航功能提供了更具潛力的發(fā)展空間。
3 智能輪椅的設(shè)計趨勢
3.1 模塊化設(shè)計
產(chǎn)品模塊化設(shè)計趨勢可以解決智能輪椅主體設(shè)計的功能目標(biāo)多方位、多結(jié)構(gòu)層次,同時優(yōu)化主從關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的問題。未來智能輪椅的設(shè)計會依附于智能網(wǎng)聯(lián)化系統(tǒng)、物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池以及場景路徑記憶細(xì)分機制,并結(jié)合模塊化設(shè)計流程,使智能輪椅達(dá)到規(guī)模定制化的發(fā)展水平。
模塊化設(shè)計方式可以解決智能輪椅功能目標(biāo)多方位的問題,使各項功能合理運行并發(fā)揮即時有效的作用,同時也能優(yōu)化智能輪椅整體結(jié)構(gòu)的合理性[2]?,F(xiàn)階段智能輪椅具備智能語音識別、多方位傳感器信息融合、應(yīng)急緊急制動、實時自適應(yīng)導(dǎo)航移??刂啤⒅悄茏R別隨機避障等多領(lǐng)域開發(fā)的復(fù)合功能,其結(jié)構(gòu)重點體現(xiàn)在座椅結(jié)構(gòu)、后置驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)、前置導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)三大部分。模塊化設(shè)計正是將智能輪椅的功能與結(jié)構(gòu)合理地關(guān)聯(lián)起來,促進(jìn)智能輪椅產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、高效化地生產(chǎn),能讓適用人群使用得更舒適安全,同時方便在用戶群體中更好地獲取產(chǎn)品迭代創(chuàng)新的反饋信息。例如,智能輪椅將集合化設(shè)計的電池組與驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)相互配合并優(yōu)化空間占比,進(jìn)而擴(kuò)大座椅結(jié)構(gòu)和后輪結(jié)構(gòu)之間的升降空間,同時利用座椅結(jié)構(gòu)與前輪結(jié)構(gòu)之間的部分空間可開發(fā)儲物功能的結(jié)構(gòu)等,會極大方便適用人群在不同場合中的需求,提升用戶生活質(zhì)量。在既追求高效又追求人性化的社會時代背景下,模塊設(shè)計必定驅(qū)動智能輪椅產(chǎn)業(yè)規(guī)模定制化發(fā)展,也會在智能制造科技產(chǎn)業(yè)中催生出更廣闊的發(fā)展空間。
3.2 輕量化設(shè)計
隨著在眾設(shè)計領(lǐng)域中綠色設(shè)計理念被廣泛認(rèn)可,輕量化設(shè)計研究方向受到越來越多的設(shè)計工作者和科研人員的重點關(guān)注。智能輪椅結(jié)構(gòu)的輕量化可以極大降低內(nèi)部驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及其他受力結(jié)構(gòu)的重量,給予用戶更優(yōu)越的操控體驗和更穩(wěn)定的續(xù)航能力。
智能輪椅的輕量化設(shè)計主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計和合理應(yīng)用輕量化材料這兩個層面上。智能輪椅結(jié)構(gòu)精細(xì)化的出發(fā)點可分別放在結(jié)構(gòu)尺寸合理優(yōu)化、整體或局部形狀優(yōu)化、跨學(xué)科協(xié)同設(shè)計。其中結(jié)構(gòu)尺寸合理優(yōu)化需在提升智能輪椅乘載壓力和振動頻率的前提下,針對部分結(jié)構(gòu)合理化減重;而整體或局部形狀優(yōu)化應(yīng)充分利用材料的基本特性,使形狀優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽鐑?yōu)化以達(dá)到受力均勻的目的;跨學(xué)科協(xié)同設(shè)計則需要將多學(xué)科的復(fù)雜問題拆分后量化,并針對量化后的子問題得出優(yōu)化方案。而智能輪椅合理應(yīng)用輕量化材料則著重利用特殊肌理處理后的強化鋼材、合金材料、納米級塑料和復(fù)合材料。強化鋼材因其屈服強度、抗疲勞強度、抗碰撞系數(shù)等物理參數(shù)高,智能輪椅結(jié)構(gòu)附加的支撐件等零部件的橫截面積會大幅減小,智能輪椅整體骨架結(jié)構(gòu)重量也會降低[3] ;一定比例合成的鋁、鎂合金材料有著重量輕、強度和剛度高的優(yōu)勢,也是智能輪椅輕量化設(shè)計時參選材料范圍;納米級塑料和復(fù)合材料有著質(zhì)輕、抗紫外線、不易褪色、強度剛度高等優(yōu)異性能,智能輪椅做輕量化設(shè)計時需把握選材成本和性能的平衡點。智能輪椅有關(guān)企業(yè)的競爭價值很大層面上體現(xiàn)在輕量化設(shè)計的相關(guān)節(jié)點上,這不僅能夠提供大量創(chuàng)收,還可以提升智能輪椅產(chǎn)品的競爭力和設(shè)計水準(zhǔn)。實現(xiàn)智能輪椅輕量化需要結(jié)合參選材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨學(xué)科協(xié)同研發(fā)。
3.3 特定人群定向開發(fā)設(shè)計
智能輪椅在特定人群定向開發(fā)上的突破點在人機接口和轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)空間兩個層面。以人體機能為核心的人機接口控制系統(tǒng)是智能輪椅主要的操控系統(tǒng),人機接口的設(shè)計不遵循自主性優(yōu)化,是根據(jù)不同適用人群的身體機能狀態(tài)而有效且充分發(fā)揮其主動性操作[4]。人機接口設(shè)計重點要對適用人群的生理和心理特點完善出一套協(xié)同合作機制。智能輪椅的人機接口設(shè)計主要包括操縱桿控制、語音識別控制、呼吸傳感控制、觸摸屏操作控制、肢體控制、生物信號波控制等,可方便使用者自主傳達(dá)指令操作,比如,使用者下肢完全失能狀態(tài)且手臂處于半失能狀態(tài),操縱桿的設(shè)計就可以利用模糊邏輯算法來降低因使用者手臂顫抖而產(chǎn)生錯誤指令的概率,并完善操縱桿的自動阻尼干擾以防止使用者控制導(dǎo)向障礙物。對于智能輪椅的結(jié)構(gòu)空間設(shè)計是適應(yīng)特定人群在使用時不同生理機能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,主要體現(xiàn)在智能輪椅的座椅結(jié)構(gòu)和腿部乘放空間結(jié)構(gòu)上,比如,在戶外使用者一般乘坐的輪椅對比與正常人的身高來說高度要低很多,這造成了用戶很大的心理壓力,會產(chǎn)生自卑、緊張、焦慮等負(fù)面心理,而如果在智能輪椅的座椅結(jié)構(gòu)上增加升降功能,會極大降低用戶產(chǎn)生的負(fù)面心理[5]。
通過對智能輪椅的人機接口設(shè)計和轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)空間的方式,可逐漸適應(yīng)特定人群不同生理機能狀態(tài)的需求層次。特定人群定向開發(fā)的設(shè)計模式將廣泛適用于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中,尤其是輔助性產(chǎn)品設(shè)計更需要多角度考慮特定人群的需求。
4 結(jié)語
智能輪椅經(jīng)過幾十年的發(fā)展研究,現(xiàn)階段已經(jīng)成為人工智能發(fā)展領(lǐng)域重要的一環(huán)。隨著各類設(shè)計理論的完善以及設(shè)計方法的改進(jìn),智能機器人與智能輪椅不斷地相互融合,自然化人機交互、智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)以及物聯(lián)數(shù)據(jù)共享等發(fā)展理念的產(chǎn)生,會使智能輪椅更好地輔助適用人群。模塊化設(shè)計、輕量化設(shè)計以及特殊人群定向開發(fā)的設(shè)計模式也會促使智能輪椅產(chǎn)生更優(yōu)化的服務(wù)體驗。