多人机交互方式智能轮椅的设计与应用*

2021-10-18王北一张景生欧阳湛锋

科技创新与应用 2021年29期

王北一，王瑞，张景生，欧阳湛锋

(广东职业技术学院，广东佛山528041)

伴随着我国人口老龄化、慢性病及各类意外伤害等情况的持续增长，国内的残障人口数量或生活不便的人口数量在显著增多，愈来愈多的居民面临着行走能力衰退乃至完全丧失的窘境。依照国家残疾人联合会对外公布的2019年末我国残疾、失能人口总数的相关报告内容，国内依旧存在着数量较大的残障人口的规模，现阶段，可能的致残原因表现为多样化及复杂化的趋势。智能化轮椅已经被国家列为新时代康复工程的主要项目之一[1]，得到了社会各界人士广泛关注和大力支持。为此，研究和开发出新一代具有全面的功能、运行安全稳定、性价比相对较高的智能化轮椅，最大程度地帮助老年人及残障人士，此举对于提升相关居民的生活品质，提高其生活自理的能力，加速促进社会主义和谐社会的建设具有非常重大的现实意义。然而现阶段许多常规的轮椅生产厂商的科研水平比较有限，缺乏相应的研发部门将多样的交互模式技术用于人机交互渠道实现模块式的规划设计及批量生产。所以把各类型的交互模式和相关的模块化技术结合用于智能型轮椅装备的开发在以后将会具有非常大的市场需求，也可以给常规的轮椅生产厂商增加巨大的附加经济收益。

1 智能轮椅概述

现阶段美国、德国、日本、法国、加拿大以及中国等国家对智能型轮椅装置实施了系统地研究，智能型轮椅装置具备了地图记忆、避障物智能避让、自动行进、楼梯爬升与用户进行人机交互等诸多先进的功能。由此，相关科研人员开发了一类基于先进的物联网技术和智能化控制芯片等技术的智能型轮椅装置，并且针对控制部分实施模块化规划设计，有益于智能型轮椅装置的各项功能进一步扩展及改进。文章简述以单片机模块为核心的控制系统，该系统综合了陀螺仪，WiFi无线网络模块，温度传感装置，心律等生命体征传感器及液晶显示装置。方便实用，操作非常简单，用户提示界面清晰易懂，综合造价成本相对比较低廉。相关产品的技术路线经过研究分析及横向对比各类型的电动轮椅操作系统，依据相关产品的实际应用范围，该产品属于一种具备多类型人机交互模式及新增了大量辅助性功能的先进的智能型轮椅装置。具体的技术路线见图1所示。

图1 产品技术路线

2 智能型轮椅装置具备的特性及优势

2.1 人文关怀角度的实用价值

智能型轮椅装置必须考虑到行动不便的老年人，或者是先天/后天原因造成残肢的居民以及身体健康及活动能力较差等特殊情况的人群，实现科学合理的人机交互功能，更进一步实现其他操作者的远距离遥控控制。装置本身拥有独立自主控制行进及自动化识别控制3种控制方案，其中拥有各类控制方案之间的切换比较简便。在日常使用过程中，除能够适应日常的行动之外，还可以实现普通轮椅至躺椅模式的自由切换，在操作者需要休息的时候转换成躺椅模式。借助自动控制的思路，在预先设置的路线上完成自动行走的动作，最大程度地满足使用人员如厕、就餐、寻找物体、就寝等固定区域的自动定位和行进任务的需求。

2.2 科学性和先进性

在现阶段兴起的物联网科技层面的时代大潮之中，机-物之间信息数据的交互作用可以完成各个信息节点反应的控制与管理任务。智能型轮椅装置的核心处理单元是单片机模块，随后可以通过连入外置的各种模块来进行功能拓展，例如心律的监控感应模块、温度的感应模块，拓展之后即可实现针对使用人员心率的实时监控，能够为有可能发生的紧急状况采集相关的数据信息，对于使用人员的身体健康情况随时跟踪把握；WiFi无线网络模块能够完成智能化相关装置的接入和实时控制，假如使用人员对于智能型轮椅装置操控存在不方便的情况时，系统可以由其他人员实时进行远程遥控操作；还可以接入红外线超声波的探测模块，对于障碍物能够实现避障及行进速率切换等控制功能，可以设定为在行进过程中对障碍发出鸣笛以提示使用人员，适当降低行进速度并且针对目前的行进线路实时进行再规划动作[2]。

3 智能型轮椅装置的结构简介

在相关科研人员进行智能型轮椅装置的结构设计过程中，通常需要考虑如下三点要素：第一点，轮椅的相关规格必须满足医疗和护理各类相关标准的要求，满足人体工程学相关原理，确保使用人员体验的最佳效果，保证使用的舒适性；第二点，智能型轮椅装置主体结构的稳定性、可靠性及安全性各项参数必须满足医疗和护理工作的相关标准的要求；第三点，智能型轮椅装置实际使用过程中可能发生的某些状况，根据相关可能性拓展相应的辅助装置及某些人性化功能的装置，比如人工的紧急制动装置、餐桌支架、存放杂物的口袋等。智能轮椅的外观结构见图2所示。

图2 智能轮椅外观结构图

3.1 智能型轮椅装置的主要机械部件

智能型轮椅装置通常由座椅、轮胎、核心控制模块组件、电机和电源等主要的机械部件所构成。上述部件通常均在规划设计过程中以散件购买，随后再实施组装并且调试。实际规划设计的进程中，由于相关的组件在其生产过程中并没有依据统一的规格及相关的标准来指导生产，可能导致各个组件在配合的过程中可能发生相互之间不兼容的状况。因此在实际的量产过程中，完善并且统一的生产标准的实施才能为相关设备的完美契合带来可靠的基础和前提保证。

3.2 智能型轮椅装置的各个相关模块单元简介

3.2.1 主控制器单元模块

主控制器的主要功能就是相对于人类大脑的各项功能，整个智能型轮椅装置的核心模块部分即为主控制器单元模块，智能型轮椅装置所具备的各项控制系统的功能及复杂的信息参数的运算均需依靠其来逐一实现。主控芯片的选型工作是一项重要的工作，是实现轮椅智能化控制的关键环节之一，智能型轮椅装置的主要工作内容均由主控芯片来进行控制。文章使用的单片机模块，将各个传感装置所采集到的参数信息最后汇总到该模块，各类参数信号经过相关处理之后再传送到硬件系统的相关模块，反复循环进行相关处理，完成处理工作。

3.2.2 电机的驱动单元模块

现阶段的电机驱动芯片品类已经发展得非常完善。因此在规划设计过程中可以选取相关的驱动芯片。此类芯片能够驱动多类型的电机(常规的4步控制方法来操控一个4相电机；或能够同时操控2个直流电动机)。其供电电压调节区间最大能够实现36V，因此具备更强的功率数值，更大的电流数值，能够有效降低饱和电压。内部包含两个双H型的桥驱动单元，并且具备高温保护的模块，采用领先的科技能够提升电机的运行效率。对比于常规分压形式的调速模式，该芯片能够促使电机实现充分地转动，最大程度地降低发热量。借助单片机模块操控的高/低电压及脉冲的宽度改变，能够实现对电动机转速及转向参数的精确控制。电机驱动模块电路原理图见图3。

图3 电机驱动模块电路原理图

3.2.3 红外线探测避障模块简介

红外线传感装置借助红外线传输来实现数据信息的处理。具有如下特征：实现非接触状态的测量，防止电磁波的干扰影响；红外线能够24小时不间断测量，能够抵抗可见光干扰[3]。但红外线容易被各类颜色干扰，测量过程中有可能存在偏差。

3.2.4 超声波距离测量模块简介

为了实现防止轮椅与物体碰撞的目的，使用超声波来侦测轮椅与周围物体间的实际距离。传感器左侧探头会向周围发射超声波，如果遇到无法穿透的障碍时该超声波就会依照初始方向散射，这时右侧探头即可感应到反射回来的超声波，借助相关算法能够得到距离数值。该模块的缺陷是可能受到环境温度/湿度的不利影响。

3.2.5 警报模块简介

警报模块在传感器发现车轮和障碍物间的距离超过某个区间时进行报警。单片机会第一时间将信号传送到警报模块，蜂鸣器发出“嘀嘀”声，提醒使用人员轮椅到达危险区域。“嘀嘀”声会随着距离迫近变得更加急促。

3.2.6 人机交互接口模块简介

使用人员按下按键后，输出端将发出1个低电压信号，随即电机开始运作。当停止按键的低电压信号被系统捕捉到时电机停止。遇到转弯的状况，使用人员按下左转或右转按键，电机相应地借助差速转动来实现轮椅的转向动作。

4 智能轮椅关键技术研究

4.1 智能轮椅控制系统

智能轮椅控制系统是借助自动传感装置接收的相关参数信息在控制芯片的计算处理下，把获取的相关参数信息传输至控制单元，电机装置反馈控制单元参照此实现自动控制[4]。

4.2 智能轮椅导航系统

智能轮椅导航系统是把相关轮椅用户平常的行进路线实施相关处理，把参数写至控制单元中，当智能轮椅自动控制芯片识别到该用户所处位置时，就能够自动挑选行进线路进行导航或进行人工操作控制。

4.3 智能轮椅人机交互功能

智能轮椅人机交互功能指的是把感应装置所采集到的相关参数信息进行处理，在第一时间把相关参数信息进行优化，具有针对性地在人机交互界面进行显示，并且对于相关参数信息实行分析，判断出所读取到的参数信息的特点，并且针对该特点实行诊断。

5 智能轮椅的使用技术研究

(1)当智能轮椅在倾斜的路面上行进时，必须在使用人身体健康良好的状况下操作使用，并且路面倾斜角度＜10.5°，当倾斜角度＞10.5°的时候，不论是上坡或者下坡均应该由其他人在使用者的背后进行推动行进。(2)使用者在操作智能轮椅的过程中切不可以站在脚踏板上，避免导致智能轮椅出现侧翻危险的状况。(3)安全隐患，避免或者出门一旦遇到障碍物的时候，切记一定不要使用智能轮椅进行撞门或者撞击障碍物。(4)当使用者在倾斜路面操作智能轮椅的时候，一定不要把智能轮椅倾倒或者瞬间进行行进方向的转换，在下坡的时候切勿进行紧急制动，以防止出现智能轮椅向前翻倒的危险。(5)使用者及其家人必须经常检查智能轮椅的各个主要零部件及功能，做到定期添加润滑油，确保智能轮椅的正常使用状态，绝对不能粗心大意。(6)使用者在自己推动智能轮椅行进的时候，必须保持行驶在匀速状态，并且确保行进速度保持在3.5～5.5km/h。