云漢智能輪椅項目研究分析

王夢芯 尹晶晶 畢瑞楷 張新杰

摘 要：隨著中國人口的增長，行動不便的老年人或殘疾人等特殊人群的數(shù)量也在不斷增加，市場中專門針對特殊人群的商品需求也在相應(yīng)增加。傳統(tǒng)輪椅由于笨重不靈敏且功能不完善，導(dǎo)致使用舒適度降低。針對上述問題，研究人員結(jié)合先進(jìn)科技，將頭戴式重力感應(yīng)裝置與智能電動輪椅相結(jié)合，研發(fā)出舒適度更好、使用更便捷、操作更簡單的智能輪椅。文章圍繞智能輪椅發(fā)展現(xiàn)狀和設(shè)計特點進(jìn)行了闡述和分析，以期推動智能輪椅的研發(fā)，方便特殊人群的日常生活，提高生活幸福感。

關(guān)鍵詞：特殊人群;重力感應(yīng);智能輪椅

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.017

1 智能輪椅發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究背景

傳統(tǒng)輪椅是手推式的，比較消耗操作者的體力，老弱群體使用不便。為了解決這一難題，1986年，英國科學(xué)家將傳感器與傳統(tǒng)輪椅相結(jié)合，研制電動輪椅，智能輪椅應(yīng)運而生。目前，世界上很多國家在智能輪椅技術(shù)研究中加大投入，力求滿足特殊人群的日常生活需求，為其提供更加直觀的幫助。在早期研究中，輪椅功能一般是簡單運動、速度控制和避障等低水平控制，隨著機器人控制技術(shù)的發(fā)展，大量的移動機器人技術(shù)被應(yīng)用于輪椅上。智能輪椅在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上具有更好的交互性、自主性和適應(yīng)性[1]。

國外智能輪椅的發(fā)展是十分迅速的，國外智能輪椅產(chǎn)業(yè)也具有其獨特的發(fā)展特點。在大多數(shù)智能輪椅研究中，麻省理工大學(xué)智能實驗室研發(fā)的半自助式智能輪椅配備有計算機處理器、傳感器，能夠進(jìn)行人機交互操作，硬件模塊采用TINMAN2，利用霍爾傳感器作為開關(guān)使用和光線偵查傳感器進(jìn)行導(dǎo)航[2]。

我國對智能輪椅的研究起步較晚但備受矚目，技術(shù)指標(biāo)接近國外智能輪椅的先進(jìn)水平，并具有自身特點。2011年，孫東元提出使用FREESCALE 8位微處理器控制的智能輪椅，雙電機協(xié)調(diào)控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)電流補償和保護(hù)功能。牛鳳英利用傳感器和控制器實現(xiàn)智能輪椅的各個方向的自主避障，雖然外形結(jié)構(gòu)簡單，但是功能比較強大。中科院對智能輪椅的技術(shù)研發(fā)也有了突破性進(jìn)展，該智能輪椅具有視覺導(dǎo)航功能、語音導(dǎo)航功能，使用者可以通過語音控制輪椅行進(jìn)，并添加了3G無線通信系統(tǒng)，看護(hù)人員可以遠(yuǎn)程查看使用者情況。

1.2 研究目的

隨著我國老齡化進(jìn)程的加快以及特殊群體輪椅需求量的增加，將目前常見的普通輪椅改為可調(diào)節(jié)的智能輪椅，可以方便使用者的生活，有效解決使用者的治療與康復(fù)，滿足他們的需求。

除了滿足家庭需求，醫(yī)院也可以使用。例如，輸液室里面的靠背椅也可以用它替代，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(hù)病人的家屬來說，可以作為陪護(hù)床使用，方便使用還不占用太多空間，又能使病人和家屬得到更好的休息。智能輪椅為殘疾人、老年人、行動障礙人士等群體帶來了便捷生活與自主生活的可能和希望。不僅在生理上幫助患者解決難題，更注重患者心理上的體驗感，減少患者因生理障礙而產(chǎn)生的負(fù)面情緒[3]。

2 云漢智能輪椅設(shè)計及運行模式

2.1 產(chǎn)品簡介

云漢智能輪椅是主要針對殘疾人群定制的個性化輪椅，對傳統(tǒng)輪椅進(jìn)行改良，與重力感應(yīng)裝置相結(jié)合，讓無法自主使用輪椅的殘疾人群靈活使用，幫助弱勢群體在生活和因自身情況產(chǎn)生的消極情感各方面得到慰藉。從產(chǎn)品的制成、運送、使用到售后全程監(jiān)控，對于用戶進(jìn)行一對一輔導(dǎo)，售后人員對接用戶問題，打響品牌形象，在日常生活方面開展公司附屬業(yè)務(wù)，形成線上售賣、線下售后的綠色生態(tài)服務(wù)，方便用戶購買以及解決問題。

2.2 設(shè)計亮點

2.2.1 外形設(shè)計

研究初期，輪椅的功能都是基于普遍的輪椅外形進(jìn)行設(shè)計改良，改善了輪椅的色彩單調(diào)性，在外觀上給人以舒適感和美感。結(jié)構(gòu)簡潔，結(jié)實輕巧，外形符合人體工學(xué)，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[4]。

研究中期進(jìn)行產(chǎn)品實踐時發(fā)現(xiàn)，對于智能輪椅的結(jié)構(gòu)空間沒有對特定人群使用時不同生理機能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而進(jìn)行改良，這主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)輪椅的座椅結(jié)構(gòu)和腿部盛放空間結(jié)構(gòu)上。例如，在戶外使用者一般乘坐的輪椅對比于正常人的身高來說，高度要低很多，這造成了用戶很大的心理壓力，可能會產(chǎn)生自卑緊張、焦慮等負(fù)面心理。云漢智能輪椅的設(shè)計初衷是幫助弱勢群體改變他們的生活，現(xiàn)狀包括環(huán)境因素造成的心理壓力。而輪椅過大、過高也會造成出行不便，在外形設(shè)計上最終根據(jù)人體工學(xué)的研究以及弱勢群體中可能受到環(huán)境因素的各方面影響最終敲定，輪椅設(shè)計為可調(diào)節(jié)高度的類型，幫助使用者減輕環(huán)境因素所造成的心理負(fù)擔(dān)。

研究后期，敲定云漢智能輪椅的外形，在外觀上做到簡潔大方，以明艷色彩相益，在視覺上賦予一種美感，并在使用體驗中也根據(jù)弱勢群體的實際需要進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)節(jié)調(diào)整，使整體外形符合用戶需求。

2.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)其主要功能，主要分為功能設(shè)計、功能研究、模擬改進(jìn)三方面。

功能設(shè)計：通過增添重力感應(yīng)功能設(shè)置，使傳統(tǒng)輪椅從人工推力轉(zhuǎn)化為自主調(diào)整方向和自主推力，使身體存在一定障礙的弱勢群體能夠通過對智能輪椅的控制實現(xiàn)正常出行。

功能研究：考慮到輪椅使用者有不同程度的使用限制，智能輪椅基于此情況，增添了比較實用的重力感應(yīng)器功能，運用新型金屬感應(yīng)器技術(shù)，通過對彈性敏感元件的儲能功能建立電觸點。實現(xiàn)人體想要改變輪椅方向或者實現(xiàn)輪椅升降速度等多種功能時，通過使用者肢體語言傳達(dá)的信息調(diào)整輪椅狀態(tài)[5]。

模擬改進(jìn)：智能輪椅設(shè)計中，由于使用者習(xí)慣不同，重力感應(yīng)器的彈性敏感程度存在誤差，會造成安全隱患。在此基礎(chǔ)上采取保護(hù)措施，消除使用者的安全隱患，并且調(diào)整重力感應(yīng)器彈力敏感程度之間的彈力數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過比較彈力數(shù)據(jù)限度與使用者在輪椅上所用身體語言，調(diào)整改進(jìn)使用者頭部傾斜程度與重力感應(yīng)器之間相關(guān)閾值，做到有效預(yù)測。設(shè)置改進(jìn)系統(tǒng)，讓使用者可以根據(jù)自己的需求改進(jìn)數(shù)據(jù)角度數(shù)值。

2.3 重力感應(yīng)傳感器的應(yīng)用

應(yīng)用目標(biāo)：使頭戴式重力感應(yīng)與傳統(tǒng)電動輪椅完美契合，為無法自主使用輪椅的用戶提供便捷。

應(yīng)用過程：與傳統(tǒng)輪椅相比，增添了重力感應(yīng)器功能，重力感應(yīng)器是一種新型屬傳感器技術(shù)，它采用彈性敏感元件制成位移器，與采用彈性敏感元件制成的儲能彈簧來驅(qū)動電觸點，完成從重力變化到電信號的轉(zhuǎn)換。通過固定在人體頭部的重力感應(yīng)器檢測頭部傾斜角度，將重力感應(yīng)器檢測到的傾斜角度與預(yù)設(shè)的傾斜角閾值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的傾斜角度大于預(yù)設(shè)的傾斜角閾值時，則判斷為用戶想要前進(jìn)的方向，并在用戶大腿根防護(hù)處設(shè)置電力開關(guān)，以免意外啟動對用戶造成傷害。

3 總結(jié)與展望

經(jīng)過多年的研究發(fā)展，智能輪椅的研究取得了很大的進(jìn)展，功能不斷豐富，安全可靠性不斷提高，得到越來越多的關(guān)注，但是仍存在著安全保障系統(tǒng)不夠完善、人機交互不夠自然等問題需要解決。由于重力感應(yīng)器和智能輪椅的品類過多，研究實踐中不能進(jìn)行大量的對比測試，且這部分測驗國內(nèi)外研究成果較少，造成了一些理論和實踐上的不足。產(chǎn)品很具有創(chuàng)新性，且產(chǎn)品定位居于前沿，也是未來發(fā)展的趨勢。云漢智能輪椅尚處在研究發(fā)展階段，但是涉及技術(shù)要求很高，在實際的使用過程中是否有局限性還需要進(jìn)一步研究說明。隨著科技和社會的不斷發(fā)展，相信智能輪椅的各項功能會更加完善，真正服務(wù)于人們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹曉紅，潘虹，白飛飛.智能輪椅的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（5）：120.

[2] 曲振波，王飛，張宏揚.智能輪椅的發(fā)展與設(shè)計趨勢探析[J].工業(yè)設(shè)計，2020（12）：113-114.

[3] 田英，佘陽，黎鑄新，等.一種多功能越障輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[J].機電工程技術(shù)，2020，49（7）：7-10.

[4] 張志浩，張鵬，李丹丹，等.一種智能輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].信息記錄材料，2019，20（10）：54-56.

[5] 林明標(biāo)，莫金海.基于安卓手機的無線重力感應(yīng)控制智能小車[J].計算機測量與控制，2015，23（4）：1175-1178.