多人機(jī)交互方式智能輪椅的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王北一，王 瑞，張景生，歐陽湛鋒

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528041)

伴隨著我國人口老齡化、慢性病及各類意外傷害等情況的持續(xù)增長，國內(nèi)的殘障人口數(shù)量或生活不便的人口數(shù)量在顯著增多，愈來愈多的居民面臨著行走能力衰退乃至完全喪失的窘境。依照國家殘疾人聯(lián)合會對外公布的2019年末我國殘疾、失能人口總數(shù)的相關(guān)報(bào)告內(nèi)容，國內(nèi)依舊存在著數(shù)量較大的殘障人口的規(guī)模，現(xiàn)階段，可能的致殘?jiān)虮憩F(xiàn)為多樣化及復(fù)雜化的趨勢。智能化輪椅已經(jīng)被國家列為新時代康復(fù)工程的主要項(xiàng)目之一[1]，得到了社會各界人士廣泛關(guān)注和大力支持。為此，研究和開發(fā)出新一代具有全面的功能、運(yùn)行安全穩(wěn)定、性價(jià)比相對較高的智能化輪椅，最大程度地幫助老年人及殘障人士，此舉對于提升相關(guān)居民的生活品質(zhì)，提高其生活自理的能力，加速促進(jìn)社會主義和諧社會的建設(shè)具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。然而現(xiàn)階段許多常規(guī)的輪椅生產(chǎn)廠商的科研水平比較有限，缺乏相應(yīng)的研發(fā)部門將多樣的交互模式技術(shù)用于人機(jī)交互渠道實(shí)現(xiàn)模塊式的規(guī)劃設(shè)計(jì)及批量生產(chǎn)。所以把各類型的交互模式和相關(guān)的模塊化技術(shù)結(jié)合用于智能型輪椅裝備的開發(fā)在以后將會具有非常大的市場需求，也可以給常規(guī)的輪椅生產(chǎn)廠商增加巨大的附加經(jīng)濟(jì)收益。

1 智能輪椅概述

現(xiàn)階段美國、德國、日本、法國、加拿大以及中國等國家對智能型輪椅裝置實(shí)施了系統(tǒng)地研究，智能型輪椅裝置具備了地圖記憶、避障物智能避讓、自動行進(jìn)、樓梯爬升與用戶進(jìn)行人機(jī)交互等諸多先進(jìn)的功能。由此，相關(guān)科研人員開發(fā)了一類基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能化控制芯片等技術(shù)的智能型輪椅裝置，并且針對控制部分實(shí)施模塊化規(guī)劃設(shè)計(jì)，有益于智能型輪椅裝置的各項(xiàng)功能進(jìn)一步擴(kuò)展及改進(jìn)。文章簡述以單片機(jī)模塊為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了陀螺儀，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)模塊，溫度傳感裝置，心律等生命體征傳感器及液晶顯示裝置。方便實(shí)用，操作非常簡單，用戶提示界面清晰易懂，綜合造價(jià)成本相對比較低廉。相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)路線經(jīng)過研究分析及橫向?qū)Ρ雀黝愋偷碾妱虞喴尾僮飨到y(tǒng)，依據(jù)相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用范圍，該產(chǎn)品屬于一種具備多類型人機(jī)交互模式及新增了大量輔助性功能的先進(jìn)的智能型輪椅裝置。具體的技術(shù)路線見圖1所示。

圖1 產(chǎn)品技術(shù)路線

2 智能型輪椅裝置具備的特性及優(yōu)勢

2.1 人文關(guān)懷角度的實(shí)用價(jià)值

智能型輪椅裝置必須考慮到行動不便的老年人，或者是先天/后天原因造成殘肢的居民以及身體健康及活動能力較差等特殊情況的人群，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的人機(jī)交互功能，更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其他操作者的遠(yuǎn)距離遙控控制。裝置本身擁有獨(dú)立自主控制行進(jìn)及自動化識別控制3種控制方案，其中擁有各類控制方案之間的切換比較簡便。在日常使用過程中，除能夠適應(yīng)日常的行動之外，還可以實(shí)現(xiàn)普通輪椅至躺椅模式的自由切換，在操作者需要休息的時候轉(zhuǎn)換成躺椅模式。借助自動控制的思路，在預(yù)先設(shè)置的路線上完成自動行走的動作，最大程度地滿足使用人員如廁、就餐、尋找物體、就寢等固定區(qū)域的自動定位和行進(jìn)任務(wù)的需求。

2.2 科學(xué)性和先進(jìn)性

在現(xiàn)階段興起的物聯(lián)網(wǎng)科技層面的時代大潮之中，機(jī)-物之間信息數(shù)據(jù)的交互作用可以完成各個信息節(jié)點(diǎn)反應(yīng)的控制與管理任務(wù)。智能型輪椅裝置的核心處理單元是單片機(jī)模塊，隨后可以通過連入外置的各種模塊來進(jìn)行功能拓展，例如心律的監(jiān)控感應(yīng)模塊、溫度的感應(yīng)模塊，拓展之后即可實(shí)現(xiàn)針對使用人員心率的實(shí)時監(jiān)控，能夠?yàn)橛锌赡馨l(fā)生的緊急狀況采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，對于使用人員的身體健康情況隨時跟蹤把握；WiFi無線網(wǎng)絡(luò)模塊能夠完成智能化相關(guān)裝置的接入和實(shí)時控制，假如使用人員對于智能型輪椅裝置操控存在不方便的情況時，系統(tǒng)可以由其他人員實(shí)時進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作；還可以接入紅外線超聲波的探測模塊，對于障礙物能夠?qū)崿F(xiàn)避障及行進(jìn)速率切換等控制功能，可以設(shè)定為在行進(jìn)過程中對障礙發(fā)出鳴笛以提示使用人員，適當(dāng)降低行進(jìn)速度并且針對目前的行進(jìn)線路實(shí)時進(jìn)行再規(guī)劃動作[2]。

3 智能型輪椅裝置的結(jié)構(gòu)簡介

在相關(guān)科研人員進(jìn)行智能型輪椅裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通常需要考慮如下三點(diǎn)要素：第一點(diǎn)，輪椅的相關(guān)規(guī)格必須滿足醫(yī)療和護(hù)理各類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足人體工程學(xué)相關(guān)原理，確保使用人員體驗(yàn)的最佳效果，保證使用的舒適性；第二點(diǎn)，智能型輪椅裝置主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性及安全性各項(xiàng)參數(shù)必須滿足醫(yī)療和護(hù)理工作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；第三點(diǎn)，智能型輪椅裝置實(shí)際使用過程中可能發(fā)生的某些狀況，根據(jù)相關(guān)可能性拓展相應(yīng)的輔助裝置及某些人性化功能的裝置，比如人工的緊急制動裝置、餐桌支架、存放雜物的口袋等。智能輪椅的外觀結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 智能輪椅外觀結(jié)構(gòu)圖

3.1 智能型輪椅裝置的主要機(jī)械部件

智能型輪椅裝置通常由座椅、輪胎、核心控制模塊組件、電機(jī)和電源等主要的機(jī)械部件所構(gòu)成。上述部件通常均在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中以散件購買，隨后再實(shí)施組裝并且調(diào)試。實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，由于相關(guān)的組件在其生產(chǎn)過程中并沒有依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)格及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)生產(chǎn)，可能導(dǎo)致各個組件在配合的過程中可能發(fā)生相互之間不兼容的狀況。因此在實(shí)際的量產(chǎn)過程中，完善并且統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施才能為相關(guān)設(shè)備的完美契合帶來可靠的基礎(chǔ)和前提保證。

3.2 智能型輪椅裝置的各個相關(guān)模塊單元簡介

3.2.1 主控制器單元模塊

主控制器的主要功能就是相對于人類大腦的各項(xiàng)功能，整個智能型輪椅裝置的核心模塊部分即為主控制器單元模塊，智能型輪椅裝置所具備的各項(xiàng)控制系統(tǒng)的功能及復(fù)雜的信息參數(shù)的運(yùn)算均需依靠其來逐一實(shí)現(xiàn)。主控芯片的選型工作是一項(xiàng)重要的工作，是實(shí)現(xiàn)輪椅智能化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，智能型輪椅裝置的主要工作內(nèi)容均由主控芯片來進(jìn)行控制。文章使用的單片機(jī)模塊，將各個傳感裝置所采集到的參數(shù)信息最后匯總到該模塊，各類參數(shù)信號經(jīng)過相關(guān)處理之后再傳送到硬件系統(tǒng)的相關(guān)模塊，反復(fù)循環(huán)進(jìn)行相關(guān)處理，完成處理工作。

3.2.2 電機(jī)的驅(qū)動單元模塊

現(xiàn)階段的電機(jī)驅(qū)動芯片品類已經(jīng)發(fā)展得非常完善。因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中可以選取相關(guān)的驅(qū)動芯片。此類芯片能夠驅(qū)動多類型的電機(jī)(常規(guī)的4步控制方法來操控一個4相電機(jī)；或能夠同時操控2個直流電動機(jī))。其供電電壓調(diào)節(jié)區(qū)間最大能夠?qū)崿F(xiàn)36V，因此具備更強(qiáng)的功率數(shù)值，更大的電流數(shù)值，能夠有效降低飽和電壓。內(nèi)部包含兩個雙H型的橋驅(qū)動單元，并且具備高溫保護(hù)的模塊，采用領(lǐng)先的科技能夠提升電機(jī)的運(yùn)行效率。對比于常規(guī)分壓形式的調(diào)速模式，該芯片能夠促使電機(jī)實(shí)現(xiàn)充分地轉(zhuǎn)動，最大程度地降低發(fā)熱量。借助單片機(jī)模塊操控的高/低電壓及脈沖的寬度改變，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向參數(shù)的精確控制。電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖見圖3。

圖3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖

3.2.3 紅外線探測避障模塊簡介

紅外線傳感裝置借助紅外線傳輸來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的處理。具有如下特征：實(shí)現(xiàn)非接觸狀態(tài)的測量，防止電磁波的干擾影響；紅外線能夠24小時不間斷測量，能夠抵抗可見光干擾[3]。但紅外線容易被各類顏色干擾，測量過程中有可能存在偏差。

3.2.4 超聲波距離測量模塊簡介

為了實(shí)現(xiàn)防止輪椅與物體碰撞的目的，使用超聲波來偵測輪椅與周圍物體間的實(shí)際距離。傳感器左側(cè)探頭會向周圍發(fā)射超聲波，如果遇到無法穿透的障礙時該超聲波就會依照初始方向散射，這時右側(cè)探頭即可感應(yīng)到反射回來的超聲波，借助相關(guān)算法能夠得到距離數(shù)值。該模塊的缺陷是可能受到環(huán)境溫度/濕度的不利影響。

3.2.5 警報(bào)模塊簡介

警報(bào)模塊在傳感器發(fā)現(xiàn)車輪和障礙物間的距離超過某個區(qū)間時進(jìn)行報(bào)警。單片機(jī)會第一時間將信號傳送到警報(bào)模塊，蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”聲，提醒使用人員輪椅到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域?！班粥帧甭晻S著距離迫近變得更加急促。

3.2.6 人機(jī)交互接口模塊簡介

使用人員按下按鍵后，輸出端將發(fā)出1個低電壓信號，隨即電機(jī)開始運(yùn)作。當(dāng)停止按鍵的低電壓信號被系統(tǒng)捕捉到時電機(jī)停止。遇到轉(zhuǎn)彎的狀況，使用人員按下左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)相應(yīng)地借助差速轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向動作。

4 智能輪椅關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 智能輪椅控制系統(tǒng)

智能輪椅控制系統(tǒng)是借助自動傳感裝置接收的相關(guān)參數(shù)信息在控制芯片的計(jì)算處理下，把獲取的相關(guān)參數(shù)信息傳輸至控制單元，電機(jī)裝置反饋控制單元參照此實(shí)現(xiàn)自動控制[4]。

4.2 智能輪椅導(dǎo)航系統(tǒng)

智能輪椅導(dǎo)航系統(tǒng)是把相關(guān)輪椅用戶平常的行進(jìn)路線實(shí)施相關(guān)處理，把參數(shù)寫至控制單元中，當(dāng)智能輪椅自動控制芯片識別到該用戶所處位置時，就能夠自動挑選行進(jìn)線路進(jìn)行導(dǎo)航或進(jìn)行人工操作控制。

4.3 智能輪椅人機(jī)交互功能

智能輪椅人機(jī)交互功能指的是把感應(yīng)裝置所采集到的相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行處理，在第一時間把相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行優(yōu)化，具有針對性地在人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，并且對于相關(guān)參數(shù)信息實(shí)行分析，判斷出所讀取到的參數(shù)信息的特點(diǎn)，并且針對該特點(diǎn)實(shí)行診斷。

5 智能輪椅的使用技術(shù)研究

(1)當(dāng)智能輪椅在傾斜的路面上行進(jìn)時，必須在使用人身體健康良好的狀況下操作使用，并且路面傾斜角度＜10.5°，當(dāng)傾斜角度＞10.5°的時候，不論是上坡或者下坡均應(yīng)該由其他人在使用者的背后進(jìn)行推動行進(jìn)。(2)使用者在操作智能輪椅的過程中切不可以站在腳踏板上，避免導(dǎo)致智能輪椅出現(xiàn)側(cè)翻危險(xiǎn)的狀況。(3)安全隱患，避免或者出門一旦遇到障礙物的時候，切記一定不要使用智能輪椅進(jìn)行撞門或者撞擊障礙物。(4)當(dāng)使用者在傾斜路面操作智能輪椅的時候，一定不要把智能輪椅傾倒或者瞬間進(jìn)行行進(jìn)方向的轉(zhuǎn)換，在下坡的時候切勿進(jìn)行緊急制動，以防止出現(xiàn)智能輪椅向前翻倒的危險(xiǎn)。(5)使用者及其家人必須經(jīng)常檢查智能輪椅的各個主要零部件及功能，做到定期添加潤滑油，確保智能輪椅的正常使用狀態(tài)，絕對不能粗心大意。(6)使用者在自己推動智能輪椅行進(jìn)的時候，必須保持行駛在勻速狀態(tài)，并且確保行進(jìn)速度保持在3.5～5.5km/h。

6 結(jié)束語

綜上所述，在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展進(jìn)步及創(chuàng)新的大趨勢下，愈來愈高效的數(shù)據(jù)信息解決方案使很多日常生活有困難的群體的憂患能夠得到順利解決。因此，智能輪椅的出現(xiàn)能夠更加行之有效地為所需要的人群提供服務(wù)。