智能輪椅的發(fā)展與設計原則

莊璇 楊子倩

關鍵詞：智能輪椅 技術 設計 發(fā)展 未來

引言

目前，我國老齡化人口比重在上升，腿腳不方便的老年人越來越多，因為各種災難或者意外造成身體殘疾的人數(shù)也在增加，普通的輪椅雖然價格便宜，但是使用起來比較費力氣，只能機械式的代步，而且安全指數(shù)不高。所以這類人士迫切需要一種智能輪椅來協(xié)助他們的日常生活，減輕生活負擔，提高幸福指數(shù)。目前，我國對智能輪椅的研究開發(fā)也頗有成效，研究出更加智能，更加高效的智能輪椅必定會減輕社會負擔，促進社會的發(fā)展。

一、智能輪椅的定義

普通輪椅大家在市面上都有見過，但是這種輪椅普遍比較落后，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代人的需求，所以市面上就有了電動輪椅，電動輪椅用起來只是更加省力，解決不了老人和殘障人士的生活中的基本問題。隨著當代人民生活質量的提高，科技的快速發(fā)展，百姓們對輪椅的要求也越來越苛刻，更加注重其功能、外觀、舒適性。所以智能輪椅成了科技屆的研究熱點，其實智能輪椅和移動機器人在本質上是相同的，我們可以將智能輪椅簡單地理解成是在原來電動輪椅的模型上加入了移動機器人采用的技術，或者是在移動機器人身上留出一塊可供人坐的空間，表面加上了軟墊靠背等。智能輪椅涉及了世界上許多智能技術，研究面十分廣闊，包括導航定位、自動駕駛、避障、攝像頭識別、人機交互接口、傳感器等。

二、智能輪椅國內外研究現(xiàn)狀

迄今為止科研人員對智能輪椅的研究已經(jīng)開展了幾十年，世界上第一輛智能輪椅是于1986年在英國發(fā)明的。自那之后，越來越多的國家開始涉足智能輪椅這一領域。由于開展研究的時間不同以及科技發(fā)展的快慢，每個國家在智能輪椅的研究方向上也有所不同，智能輪椅所具有的功能和處理的問題也不一樣。這更加推進了智能輪椅的發(fā)展進程，豐富了智能輪椅領域的學術知識，多元化的智能輪椅更能針對性地解決使用者的問題，減輕使用者的生活壓力，是社會殘障人士的福音。

（一）國內研究現(xiàn)狀我國的智能輪椅相比較于國外來說開始的較晚，在結構的復雜性和技術的靈活性上和其余國家相比來說還是有一段差距的。近年來我國十分重視智能康養(yǎng)模塊的發(fā)展，關懷老人和殘障人士。國家投入了大量的時間和精力，并根據(jù)我國的科學技術的發(fā)展和社會主義特色研制出和國外水平相當?shù)闹悄茌喴?。如中科院自動化所研制的多模態(tài)交互智能輪椅、上海交通大學多功能智能輪椅等[1]。這些智能輪椅是十分具有代表性的，開啟了我國智能輪椅的研發(fā)之路?，F(xiàn)在已經(jīng)有了很多的企業(yè)和科技公司開始開始研發(fā)售賣智能輪椅了，例如愛爾威研發(fā)的HT3智能輪椅、南京康尼智能技術有限公司研發(fā)的康尼KS1智能輪椅等。

2019年5月14日愛爾威在中國國際醫(yī)療器械博覽會上展出了一款能夠智能跟隨的自動折疊輪椅引起了社會的關注，愛爾威H3T智能輪椅注重人機交互的簡化和人文主義關懷。第一步使用者佩戴好手環(huán)，第二步啟動跟隨功能，僅需兩個步驟H3T便可以自動跟隨。此產品同時還配備了四組不同的超聲波傳感器，并且采用了超寬帶（UWB）技術，紅外感應系統(tǒng)同時為其作輔助，多種技術結合能夠精準無誤地識別障礙物，自動避開障礙物。不僅如此，這款輪椅還具有手機遙控和無線遙控方式。

康尼KS1這款智能輪椅，與別的輪椅不同的是其可以隨意調節(jié)座椅靠背的角度，不再只是長時間單一的坐姿，這有利于緩解患者久坐的壓力，促進全身的血液循環(huán)。座椅采用了升降功能，可以與人平視聊天，減輕仰視的心理壓力，充分照顧到使用者的心理感受。同時這個功能還能協(xié)助使用者站立，避免了使用者嘗試站立時引起不必要的麻煩。此智能輪椅更加注重人的使用感受，在外觀上整體采用流線型設計，造型設計比較考究。

重慶郵電大學信息無障礙研究所通過國際合作共同研發(fā)出國內首屈一指具備人機交互、自主導航功能的新一代智能輪椅，在智能輪椅的研究道路取得了突破性的成就。雙方針對智能輪椅的導航系統(tǒng)和人機交互技術展開了研究探討，成功研制出基于語音、肌電、面部表情、頭勢、腕勢、手勢、腦波的智能輪椅人機接口，以及通過多傳感器信息融合的導航和路徑規(guī)劃系統(tǒng)，達到智能輪椅的網(wǎng)絡化控制。其中，針對肌電、腦波的人機接口為我國的研究夯實了基礎，這種人機接口有利于殘疾程度較大的使用者，他們無需做出操控動作，只需要一個眼神或者一個表情就可以驅動輪椅。

（二）國外研究現(xiàn)狀智能輪椅的研究是從上個世紀80年代開始的，喬治·克萊因是一名機械師，二戰(zhàn)的時候他為那些受傷癱瘓的人發(fā)明了電動輪椅，世界上第一輛電動輪椅在此誕生。這種電動輪椅制作成本比較低，用起來比手動輪椅省力一些，但是這種電動輪椅并不能滿足一些特殊疾病者的需求。而且也沒有其他輔助技術使得輪椅變得“智能”，所以人們將研究重點放在了“智能”上，把電動輪椅轉變成智能輪椅變成了全世界的研究目標。

初期的智能輪椅只是安裝了一些簡單的測距傳感器，“智能”

這一定義體現(xiàn)的還不明顯，在后期的研究中，開發(fā)處越來越多的智能模塊。語音識別經(jīng)常被運用到智能輪椅，如密歇根大學研發(fā)的NavChair。商業(yè)語音識別軟件和硬件能夠廣泛適用并且成本較低，而且有多國語音可夠用戶選擇。語音識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)檢測用戶的視線路徑進行播報，如您正在經(jīng)過某某地方。NavChair 以商用輪椅系統(tǒng)為基礎，增加了基于 DOS 的計算機系統(tǒng)、超聲波傳感器以及位于輪椅操縱桿和電源模塊之間的接口模塊。NavChair目前采用了一般避障、門道和沿墻跟隨這三種操作方式。研究人員對者三種操作方式進行了測試除了推動智能輪椅技術發(fā)展，NavChair還專注于“共享控制”系統(tǒng)的開發(fā)和測試，實現(xiàn)人與機器控制系統(tǒng)的共享，機器能夠自動識別適應人類行為。

德國烏爾姆大學在電動輪椅的基礎上開發(fā)出一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，該輪椅配備了導航系統(tǒng)和智能控制。由于考慮到老年人和殘疾人對于智能輪椅功能的要求不同，Maid有兩種工作模式：半自主和完全自主模式。在半自主模式下，使用者可以命令Maid在雜亂、狹窄的空間執(zhí)行局部運動。例如，用戶可以命令Maid進入殘疾人衛(wèi)生間。但是在這種雜亂的環(huán)境下運動需要高度注意，同時也需要用戶的細心操作。在完全自主模式下，Maid在快速變化、寬闊、擁擠的環(huán)境中（如機場、火車站、購物中心等）能夠實現(xiàn)完全自主導航，并且有效地避開行人。此智能輪椅還在高峰時段的烏爾姆中央車站進行了測試，并在全球最大的工業(yè)博覽會——1998年漢諾威工業(yè)博覽會的展覽廳進行了測試，Maid在公共、擁擠、客流量大的人流環(huán)境中測試超過了36個小時。

日本W(wǎng)HILL科技公司與松下電子公司合作推出一款能夠自動駕駛的智能輪椅機器人WHILLNEXT，并且于2018年在日本羽田機場進行了首測。WHILLNEXT內部配置了地圖和導航系統(tǒng)，用戶可以使用智能手機輸入地點，智能移動機器人便會自行規(guī)劃好最優(yōu)行駛線路抵達目的地。與此同時，這款智能輪椅還具有遠程遙控功能，用戶同樣能夠使用智能手機將輪椅召回身邊。

三、智能輪椅的關鍵技術

移動機器人技術是智能輪椅發(fā)展的基礎，智能輪椅最主要同時也最根本的功能就是移動功能，因此導航系統(tǒng)能夠稱為是整個技術板塊中最關鍵的技術。導航技術的開發(fā)應用是輪椅“智能”的第一步。如今，由于患病或者災難事故失去行動力的人越來越多，他們甚至不能自己控制輪椅運行，只能靠眼睛或者語言來傳輸命令。攝像頭監(jiān)測系統(tǒng)可以通過識別頭部、手部以及眼球的動作來確定使用者的意圖并形成相應的指令來驅動智能輪椅。綜合相關文獻來看，目前世界上所研發(fā)出的智能輪椅有如下幾個關鍵技術：導航系統(tǒng)、人機交互接口、控制系統(tǒng)。

（一）導航系統(tǒng)導航技術研究的比較早，已經(jīng)得到廣泛運用了，這一模塊的技術相對比較成熟，導航系統(tǒng)同時也是智能輪椅不同于普通輪椅的原因之一。導航系統(tǒng)這一模塊主要處理的問題有智能輪椅自身狀態(tài)的檢測、信息的獲取并建立四周環(huán)境模型、規(guī)劃安全有效的最佳路徑。

1.定位技術。自定位是指智能輪椅在工作環(huán)境坐標系中通過自身配置的傳感器來實時確定自己所處坐標和姿態(tài)。最常見且應用最多的定位技術就是GPS定位技術了。智能輪椅一般會使用綜合方法定位技術，提升定位功能的精準性和可靠性。

2.多傳感器信息融合。在智能輪椅運行的過程中，需要通過至少兩個或者更多傳感器來獲取外界復雜多元化的環(huán)境信息，并且對這些取得信息進行融合處理，分析檢測四周的環(huán)境是否可以安全通過，做出正確的選擇。正確的選擇傳感器是導航系統(tǒng)成功的關鍵，故研究人員一般會安裝多個傳感器來完成信息的融合，如紅外傳感器、超聲波傳感器、CCD圖像傳感器等。

3.路徑規(guī)劃。智能輪椅路徑規(guī)劃可以分為兩類，一種是以環(huán)境信息為基礎的全局路徑規(guī)劃;另一種是根據(jù)傳感器提供的信息做出局部路徑規(guī)劃。在其運動中，智能輪椅將從多個傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行融合分析，結合用戶指令和已知信息，利用控制算法來對路徑進行規(guī)劃。

（二）機交互接口“人與機器的和諧交互”是智能輪椅必須要實現(xiàn)的目標，人機接口作為人與機器互動交流的重要媒介，所以在設計上應該從技術、心理、社會、經(jīng)濟、外觀、功能等多個方面考慮?？偟膩碚f，人機交互可以從兩個角度來講：從使用者角度來講能夠簡單便捷的傳輸命令，更加自然容易地操控輪椅;從輪椅角度來講，能夠更加快速準確理解用戶的思維和命令。只要能夠很好地識別這兩個方面，就能達到“人機合一”。目前，考慮到使用者的身體狀況不同，為了使用者可以更好地操控輪椅，一般會多個接口結合使用，最常見的接口技術有語音控制、鷹眼系統(tǒng)、呼吸驅動、手勢驅動、頭部運動驅動等。

（三）控制系統(tǒng)智能輪椅的控制系統(tǒng)不應該是封閉的，而是融合于外界環(huán)境的。

在行駛的過程中，要對道路四周的環(huán)境及時的感知并且做出決策，按照初始部分規(guī)劃的結果，結合自身的坐標狀態(tài)和速度向機械裝置控制模塊發(fā)出操作命令、完成行進、轉彎、避障等一系列命令。因為要保證用戶駕駛的舒適性、安全性，這就要求系統(tǒng)的反應要及時，處理問題的速度要快，正確性要高，滿足用戶的實時需求，所以對控制算法的研究尤為重要。

四、針對老年人與殘疾人的設計原則

雖然智能輪椅內部的關鍵技術很值得研究，但是也不能忽略了智能輪椅的外觀設計。智能輪椅也應該向其他家具產品一樣，做到“顏值與智能”并存[2]。智能輪椅的造型直接影響使用者的體驗與感受。通過觀察了解老年人以及不同年齡段的殘疾人的生活方式和心理特點，得出以下結論：

（一）使用要簡易一些高齡老人在視覺、聽覺和觸覺等感觀方面有明顯的退化，甚至行動遲緩，辨別能力下降[4]。這就要求智能輪椅在人機交互接口方面的設計要盡可能的簡單易懂。從設計的角度來看，很多智能輪椅的功能鍵指示較為模糊，所表達的功能意圖還不夠明確，這就導致老人在使用的過程中錯誤操作，從而影響學習的信心。在一系列操作都沒有反應的情況下，老人則會產生敬而遠之的心理，認為自己學不會，從而抗拒使用智能產品。所以功能按鍵的符號要具有明確的指示性和引導性，強化符號的代表意義，要適當減去不必要的功能，避免一些復雜的操作流程，或者可以用一些具有代表性的顏色來代替符號使用[3]。功能按鍵的位置選擇很重要，應置于老人可以輕松觸碰到的位置，同時也要避免老人抬手或者轉身無意地觸碰。交互接口的設計原則應從人的角度出發(fā)，要保證操作的簡單性，更好地服務于人類。

（二）造型風格要多樣化對于能夠生活自理的正常人來說，車就是我們平常的交通工具。那對于殘疾人和老人來說智能輪椅就是他們的交通工具。平常我們使用的車有不同的顏色、不同的款式、不同的品牌可供用戶選擇，甚至還可以自己去動手改裝，這種似乎已經(jīng)成了愛車一族的趣味和潮流。為什么我們不可以將這種“趣味性”應用到智能輪椅的設計上呢？每個不同年齡段的人他們對“美”都是有追求的，而且對美的定義都不一樣。針對老人而言，很多人認為老人對產品的外觀不會太在意，然而事實上老人更愿意使用那些看起來好看的產品，他們不希望自己使用的東西被年輕人嫌棄。智能輪椅的外觀造型設計首先要符合人機工程學，在外觀顏色搭配上也要考慮到老年人的喜好和心理感受[5]?，F(xiàn)在市面上很多智能輪椅一般都采用黑白灰這樣的配色。這樣的配色會顯得比較莊嚴沉悶，會讓人覺得智能輪椅是機械化的產物。

因為對于使用者來說，他們一天中接觸智能輪椅的時間最長，智能輪椅在某種程度上可以算是他們的家具了。如果使用這樣低沉的配色會拉開使用者和產品的距離。在顏色配置上可以多一些選擇，甚至可以由使用者自行搭配，譬如一些暖色系的搭配會讓人感到溫馨和諧，灰色系的搭配會讓人感到郁悶沉重[6]。在造型上也有很多講究，由于疾病或者事故受傷的人群中也不乏有小朋友的存在，在外觀造型上可以設計的較為卡通一點，適當加入一些卡通動漫元素，或者一些裝飾品。這樣可以拉近小朋友與產品的距離，盡量地彌補小朋友缺失的童年生活，讓他們產生心理安全感。

（三）安全要有保證安全一直是社會最關注的問題，在講究美觀的同時也要保證其安全性[7]。智能輪椅的造型應多采用流線型或者圓弧，避免一些尖銳的形狀，防止用戶在使用的過程中不小心磕碰，造成不必要的傷害。在兩側的扶手或者手柄上應加入防滑墊，輪椅的最外側輪廓應加入防撞泡沫或者防撞海綿，也可以將汽車的安全氣囊保護措施應用到智能輪椅上，在發(fā)生危險時起到緩沖的作用，能夠有效地減輕碰撞帶來的傷害。智能輪椅的機械部分不能裸露在外，可以適當?shù)赜靡恍┭b飾加以遮掩，以防在智能輪椅運行的過程中，用戶不小心與機械系統(tǒng)接觸，造成意外傷害[8]。

五、存在問題

迄今為止，智能輪椅的研究已經(jīng)進行了20多年了，在技術上有很大程度的進步，功能也越來越全面。但是在發(fā)展的過程還是暴露出一些問題，需要我們去解決：

（一）價格高從淘寶、京東以及門店調研得知，功能較全面的智能電動輪椅價格一般在一萬至三萬左右，實現(xiàn)完全意義上的智能輪椅價格預估應在五萬以上。這么高昂的價格對于一般老百姓來說是很難接受的，“價格高”是老百姓不愿意購買的主要因素。“價格高”是因為一些企業(yè)還沒有掌握關鍵技術，部分傳感器和控制器還需要從國外進口，所以生產成本相對較高。就目前我國人口老齡化加劇的情況來看，智能輪椅在老人康養(yǎng)產品市場中有很大的發(fā)展空間，但是企業(yè)還應加強對核心技術的開發(fā)，自己生產制造部分零件，降低制造成本，控制智能輪椅的價格，讓老百姓都能用得起。

（二）市場沒有完全打開根據(jù)線上銷售統(tǒng)計分析得出，手推輪椅的銷售數(shù)量占據(jù)了主導地位。由于手推輪椅的價格相對較低成為了百姓的第一選擇。目前我國已經(jīng)有一百多家小有規(guī)模的輪椅制造企業(yè)，但是只有少量的企業(yè)擁有生產電動輪椅的能力，生產智能輪椅的企業(yè)更是少之又少。大部分的企業(yè)還在集中生產普通低端的輪椅，這就導致了普通輪椅壓縮了智能輪椅的市場比重。要想完全地打開智能輪椅的市場，企業(yè)必須提高自己的生產技術，將生產的重點放在智能輪椅上，國家也應該出一些鼓勵政策，推動智能輪椅市場的發(fā)展。

（三）未形成批量化生產在智能輪椅這一方面，我國研究的較晚，技術發(fā)展還不成熟。智能輪椅目前還處于實驗展示階段，很多智能輪椅只是在博覽會上展出，例如中科院研發(fā)的智能輪椅，并沒有真正地投入市場銷售，只有極少數(shù)的企業(yè)會投入生產。現(xiàn)在市面上也不乏有一些“智能”輪椅，但這只是在電動輪椅的基礎上加了一些簡單的控制器而已，根本達不到智能的標準，而且百姓對智能輪椅的接受程度不高，智能輪椅的市場收益也會被影響，甚至有可能會出現(xiàn)供大于求的情況。這就導致企業(yè)不敢貿然地進行批量生產。

六、發(fā)展趨勢與展望

（一）智能化。隨著各種科學技術的發(fā)展，智能化是智能輪椅發(fā)展的必然趨勢[9]。在今后的發(fā)展中，智能輪椅將會綜合運用更多的智能技術，開發(fā)出更多的人機接口，如語音控制、眼神控制、意識控制、自動控制與駕駛，甚至可以和智能手機聯(lián)合使用，實現(xiàn)用戶的獨立操作，不需要他人的輔助。

（二）人性化。要從用戶的角度考慮，智能輪椅是為老人及殘疾人設計的，應該依據(jù)他們殘疾程度和心理來設計。在控制界面上要去掉一些復雜的操作，簡化操作步驟，避免華而不實。同時，在外觀造型的設計上要考慮情感化元素，例如顏色的搭配、座墊表面材質的選擇、座墊的軟硬程度、座椅靠背角度調節(jié)，這些細節(jié)化的設計都有利于激發(fā)用戶的使用欲望。

（三）模塊化。智能輪椅要想真正的進入市場必須以模塊化的方式制造，在整個模塊化系統(tǒng)中包含基本模塊和單個功能模塊，每個功能模塊組合成具有不同功能的智能輪椅，用戶根據(jù)自己的需要選擇相對應的功能模塊。實現(xiàn)模塊化生產，這有利于不同類型消費者的多樣化的功能需求，也在一定程度方便了企業(yè)生產，控制企業(yè)的生產成本，同時也保證了產品質量和售后服務[10]。

（四）產品化。智能輪椅不再只是作為科技成果在實驗室或者博覽會上展出，而是存在于琳瑯滿目的康養(yǎng)家具市場中作為普通的產品售賣[11]。就像我們現(xiàn)在使用的智能手機一樣，智能輪椅也能像智能手機一樣普遍地出現(xiàn)在人們的生活中，并且有不同的價格、品牌、款式、功能可供人們挑選購買。

總結

未來的智能輪椅不單是移動輔助工具，而是能真正解決殘疾人和老人的生活問題，成為他們生活的一部分[11]。在研發(fā)新的智能技術的同時，也要從設計學的角度為老人和殘疾人設計出更加方便使用的智能輪椅。設計可以平衡使用者和機器之間的情感關系，不會讓他們成為獨立對面的個體，可以很好地將他們和諧美好地統(tǒng)一起來。在如今這個醫(yī)護人員資源緊張，智能生活發(fā)展迅猛的大環(huán)境下，智能輪椅可以更好地融入智能家居系統(tǒng)，實時監(jiān)測老人的生命狀態(tài)以及各項指標，甚至可以為老人進行醫(yī)學護理，輔助醫(yī)生進行更好的治療。此外，智能輪椅也將開發(fā)出更多方式的人機接口，方便不同情況的用戶操作使用。我相信在不久的未來，我國大部分家庭都能買得起、用得起智能輪椅，同時也將更好地服務于人的身體健康、安全和感受。