基于Agent概念的智能輪椅床控制模塊設(shè)計(jì)

張翔義++陳啟軍

摘要：

為使智能輪椅床在自主運(yùn)行時，能隨時響應(yīng)周圍其它對象的指令并實(shí)施協(xié)同動作，提出基于Agent概念規(guī)劃控制模塊的設(shè)計(jì)。通過傳感器組信息、輪椅床當(dāng)前狀態(tài)信息、外來協(xié)同信息的感知融合，給出符合總體需求的動作選擇指令序列。借助于傳感器組信息、外部遙控命令信息與學(xué)習(xí)積累庫的信息進(jìn)行適時綜合，完成比較復(fù)雜的交叉判斷與協(xié)商，實(shí)現(xiàn)外來的指令合并本體的自主控制協(xié)同執(zhí)行。如此，對智能輪椅床乘用人員來說，既能滿足其自主行動的意圖，又能滿足其及時接受其他對象提供的服務(wù)；同時還便于遠(yuǎn)程監(jiān)控人員適時介入解決特殊問題。試用表明，基于Agent概念的控制模塊設(shè)計(jì)，能以清晰的軟件結(jié)構(gòu)和豐富的協(xié)同應(yīng)對資源庫顯著提升智能輪椅床的整體功能。

關(guān)鍵詞：

智能家居； 輪椅床； 協(xié)同控制； Agent

中圖分類號： N 93文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn 10055630，2015.07.014

引言

隨著物質(zhì)生活水平和醫(yī)療技術(shù)的不斷提高，以及晚婚晚育等新觀念的普及，老齡人口數(shù)的占比不斷提升，這是社會進(jìn)步的自然趨勢。但是，老齡人口占比的提升，對每位年輕人照顧老年人所需花費(fèi)的精力份額也顯著增加。與此同時，當(dāng)今信息社會工作與生活節(jié)奏的不斷提高，使得年輕人越來越難以抽出更多的時間照顧老齡人。而作為老齡人，隨著社會進(jìn)步觀念的普及，也越來越希望自己的生活能夠自理，盡量不拖累年輕一代的工作與學(xué)習(xí)。另外，殘疾人士的生活質(zhì)量提升，也是社會進(jìn)步中應(yīng)該加以重視的課題。在這樣一個總體背景下，如何充分利用現(xiàn)代技術(shù)成果，開發(fā)有助于老齡人、殘疾人的生活自理的智能產(chǎn)品，使他們能自主、安全、舒適、有尊嚴(yán)地生活，既是他們自身的熱切期望，也是社會公眾的一致訴求。

用于助老助殘的人機(jī)協(xié)調(diào)和普適環(huán)境，包括安全、智能、無障礙的行走，周圍電燈、空調(diào)、電視機(jī)、窗簾、熱水器的控制等。其中，可自由運(yùn)動、變形的智能輪椅床，是重要的組成部分之一。智能輪椅床的主要功能，是既能作為輪椅載人出行，又能在老、殘人士疲勞時變形為床以供休息。此外，還要能夠接受監(jiān)護(hù)人的遙控，以及與周圍的服務(wù)機(jī)器人協(xié)同等。

為此，本文設(shè)計(jì)了基于Agent（智能體）概念的智能輪椅床控制模塊。

1Agent（智能體）的基本含義

Agent的最早概念是一個具有自兼容性、交互性和并發(fā)處理功能的，具有封閉的內(nèi)在狀態(tài)，并可與同類對象交換信息的行為實(shí)體。

Agent作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有兩種重要能力。首先，每個Agent至少在某種程度上可以自治行動，即可由其自己決定，需要采取什么行動以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)。其次，每個Agent都可以與其他Agent進(jìn)行交互，這種交互不是簡單的交換數(shù)據(jù)，而是參與某種社會或協(xié)同行為，包括合作、協(xié)作和協(xié)商等。

Agent通常是一個具有自治性、社會性、反應(yīng)性和預(yù)動性的系統(tǒng)。自治性是指，Agent運(yùn)行時可以不直接由人或者其他系統(tǒng)控制，其對自己的行為和內(nèi)部狀態(tài)有一定的控制權(quán)。社會性是指，Agent能夠與其他Agent進(jìn)行信息交換。反映性是指，Agent能夠感知所處的環(huán)境，并能通過其行為改變環(huán)境。預(yù)動性是指，Agent能夠主動地，或自發(fā)地感知所處環(huán)境的變化，并作出基于目標(biāo)的行為。

Agent的典型體系結(jié)構(gòu)，大致有慎思型、反應(yīng)型、混合型三類。從本課題的情況出發(fā)，選擇簡單、高效的反應(yīng)型結(jié)構(gòu)比較合適。圖1為本智能輪椅床所用的Agent功能結(jié)構(gòu)體。

該Agent將各種預(yù)先組織好的條件與反應(yīng)過程，化成動作規(guī)劃庫中的可選擇內(nèi)容。借助于傳感器組感知當(dāng)前環(huán)境狀況，并結(jié)合來自上位機(jī)或其他Agent的協(xié)同信息，給出應(yīng)對判斷。然后通過動作選擇，指示動作機(jī)構(gòu)根據(jù)動作規(guī)劃庫的對應(yīng)過程實(shí)施，達(dá)到改變Agent自身與環(huán)境關(guān)系的目的，亦即實(shí)現(xiàn)智能輪椅床的行走、變位、保持穩(wěn)定等功能。

按照Agent的結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)程序，可避免縱橫交錯的條件判斷語句、減少繁雜的交互函數(shù)套疊，使程序塊功能清晰，應(yīng)對變化快速、可靠。

2智能輪椅床的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能的需求，設(shè)計(jì)的智能輪椅床如圖2所示。基本結(jié)構(gòu)包括座位部、靠背部、踏腳部、靠腿部、扶手部、行走動力輪、行走輔助輪，以及床態(tài)前撐、床態(tài)后撐、多個變位動作電機(jī)、相關(guān)的光電信息、轉(zhuǎn)角、位置、載荷傳感器等。其中，床態(tài)前撐、床態(tài)后撐分別隱在靠背部和腳踏部之中。

設(shè)計(jì)的輪椅床自重70 kg，總承重120 kg，踏腳板承重80 kg，扶手靠推力20 kg。為減少重復(fù)性機(jī)構(gòu)所占空間，在保證使用性能的前提下簡化結(jié)構(gòu)，左右扶手部分、靠腿與踏腳部分實(shí)施聯(lián)動設(shè)計(jì)[911]。

為保證行走、變位、平躺各種狀態(tài)的平衡，在行走動力輪、行走輔助輪、床態(tài)前撐、床態(tài)后撐上裝有重力載荷傳感器，以便檢測乘用人員的重心變化，防止意外翻倒的產(chǎn)生。

在變位過程中，隨時檢測乘用者的重心變化，根據(jù)重心位置的狀況，有選擇地實(shí)施安全的變位動作，以防止變位動作與乘用者配合不當(dāng)可能出現(xiàn)的重心偏移。當(dāng)監(jiān)測到重心接近平穩(wěn)臨界限制時會報(bào)警，提示乘用人員糾正體態(tài)或放棄外抓重物等。如果報(bào)警后未檢測到重心校正指令且偏移進(jìn)一步加大，隱在靠背部、踏腳部之中的輔助支撐立即探出著地，防止輪椅翻倒。爾后，若重心位置恢復(fù)正常，則收回著地的輔助支撐。

3智能輪椅床的電氣配置

從功能需求考慮，智能輪椅床的電氣配置如圖3所示。環(huán)境感知信息主要由光電信息傳感器組、角度傳感器組、載荷傳感器組、限位傳感器組獲取。動作執(zhí)行主要由行走機(jī)構(gòu)控制部分、床體變形控制部分構(gòu)成。

光電信息傳感器組由多個紅外探頭與專用攝像頭構(gòu)成。紅外探頭用于對周圍實(shí)體的感知，防止智能輪椅床變形與行走時與四周發(fā)生碰撞。專用攝像頭用于接收監(jiān)控人員的手勢信息，以便作出協(xié)同動作響應(yīng)。

角度傳感器組用于對各輪椅變位部件轉(zhuǎn)角的感知，以便判定輪椅當(dāng)前的狀態(tài)以及變位的速度等。載荷傳感器組主要監(jiān)測四輪支撐件上的重力載荷，以便判定輪椅床中心變動，防止翻倒。限位傳感器組用于各部件變位極限狀態(tài)的感知，防止某個角度傳感器失效時因過度驅(qū)動產(chǎn)生損壞。

變形部件選用博世0130002529電動機(jī)，只需12 V直流供電，可輸出較高功率。另外，借助高速比減速器，可以足夠大地輸出轉(zhuǎn)矩完成變位動作。行走部件選用BH32系列伺服電動機(jī)，該電機(jī)具有功率大、力矩大、體積小的特點(diǎn)，在滿足輪椅床行走需要的同時，減少所占空間。選用賽特公司的BT系列蓄電池，直接給出所需的12 V、48 V直流供電。

作為處于助老助殘普適環(huán)境中的智能輪椅床，其變位姿態(tài)與行進(jìn)狀況信息的獲取，還可以由所處環(huán)境中布置的若干臺攝象機(jī)完成。這些信息經(jīng)上位機(jī)判別后，發(fā)出調(diào)整、變位等遙控指令，智能輪椅床接收后可作出協(xié)同響應(yīng)。

4智能輪椅床的微控部件（中控模塊）選擇

綜合考慮所需功能、性價比等因素，微控部件由Freescale單片機(jī)以及EMW3X80嵌入式WiFi模塊等外圍件構(gòu)成。主芯片采用MC9S08QE128，80引腳，圖4為MC9S08QE128功能結(jié)構(gòu)圖。因MC9S08QE128具有豐富的輸入/輸出資源，比較容易覆蓋輪椅床的多傳感器信號輸入、多種輸出控制的需要。

MC9S08QE128是低功耗、低電源、高效運(yùn)作的8位微控制（MCUs）單元HCS08系列的成員。支持高達(dá)50.33 MHz的CPU時鐘頻率，32個中斷/復(fù)位源，128 KB存儲空間。圖中，VDD和VSS是MCU的主要電源供給引腳；VDDA和VSSA是MCU中ADC模塊的電源供給引腳。

MC9S08QE128擁有兩個獨(dú)立的模擬比較器ACMP1和ACMP2。擁有逐次逼近式的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），2.5 μs轉(zhuǎn)換時間，支持28個獨(dú)立模擬輸入，可選擇4個輸入時鐘源。擁有SCI1和SCI2兩個通信接口，擁有SPI1和SPI2兩個串行外圍設(shè)備接口。擁有2個3道（TPM1與TPM2）和1個6道（TPM3）的S08TPMV3定時器脈沖寬度調(diào)節(jié)器。70個GPIO以及1個僅輸入和1個僅輸出引腳。

HCS08系列的開發(fā)支持系統(tǒng)背景調(diào)試控制器（BDC）和片上調(diào)試模塊（DBG）。BDC提供單線調(diào)試接口與目標(biāo)連接，通過BDC可方便地進(jìn)行片上閃存和其他非易失性存儲器的編程。BDC允許以非侵入方式存取存儲器數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)調(diào)試功能，諸如CPU積存器修改、斷點(diǎn)和單指令跟蹤命令等。

5智能輪椅床變位與行走軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)行軟件的設(shè)計(jì)，充分考慮Agent的構(gòu)件需要，立足于具體的硬件配置，主要流程圖如圖5所示。

智能輪椅床可隨時接收乘用人的鍵盤控制指令，以及監(jiān)護(hù)人通過無線模塊發(fā)來的遙控指令。當(dāng)同時收到的鍵盤指令與遙控指令不一致時，需要做綜合判別，亦即判斷應(yīng)按照乘用人還是監(jiān)護(hù)人的指令實(shí)施動作。對此：一是乘用人可事先通過鍵盤給出有限級選擇；二是根據(jù)鍵盤給出的狀態(tài)指示信息，臨時決定是否授權(quán)監(jiān)護(hù)人為優(yōu)先級；三是根據(jù)乘用者過去在相應(yīng)狀態(tài)下的自主歷程記錄，判定監(jiān)護(hù)人的遙控指令符合乘用者過去自主歷程記錄，即按監(jiān)護(hù)人的遙控指令執(zhí)行（對乘用人的自主歷程記錄是在學(xué)習(xí)積累環(huán)節(jié)完成的，若過去的同狀態(tài)自主過程有多個，但不一樣，則按照統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度決定）。

智能規(guī)劃環(huán)節(jié)主要是根據(jù)指令要求，參考傳感器組提供的信息，依據(jù)當(dāng)前智能輪椅床所處的狀態(tài)，按序調(diào)用動作規(guī)劃庫的子程序。

過程運(yùn)行環(huán)節(jié)則具體實(shí)施對各個電動機(jī)的實(shí)際控制，其中包括輪椅床變位、輪椅床行走兩類內(nèi)容。（1）輪椅床變位可以根據(jù)靠背、扶手、靠腿部分的傾角傳感器，實(shí)施位置漸進(jìn)閉環(huán)控制?？煞謩e實(shí)施靠背起，靠背降，靠腿腳踏聯(lián)動起，靠腿腳踏聯(lián)動降，扶手起，扶手降等，也可以做幾個變位動作的并行處理。（2） 輪椅床行走，一個功能是根據(jù)乘用人的鍵盤指令，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，任意線路行進(jìn)等，另一個功能是按照監(jiān)護(hù)人的各種遙控指令[12]，實(shí)現(xiàn)各種移動。監(jiān)護(hù)人對智能輪椅床在居所中的位置，是通過居所安裝的攝像頭陣列和體感攝像機(jī)Kinect組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取的，這屬于智能輪椅床所在大系統(tǒng)的構(gòu)建內(nèi)容。

狀態(tài)機(jī)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)前狀態(tài)描述，以及各種狀態(tài)間的遞進(jìn)、轉(zhuǎn)化邏輯關(guān)系。狀態(tài)機(jī)環(huán)節(jié)的設(shè)置，降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，并提高了可靠性。

學(xué)習(xí)積累環(huán)節(jié)主要是記錄乘用人的多輪鍵盤操作與控制實(shí)施，采用統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度歸納乘用人的正常行為過程，以便收到遙控指令時，做綜合判斷。學(xué)習(xí)積累環(huán)節(jié)可以用鍵盤指令嵌入二次開發(fā)內(nèi)容。

自主判別環(huán)節(jié)在沒有鍵盤指令和遙控指令期間，能根據(jù)已設(shè)目標(biāo)、當(dāng)前狀態(tài)、傳感器組信息等，完成應(yīng)實(shí)施的相關(guān)過程。

6結(jié)論

基于Agent概念所實(shí)現(xiàn)的智能輪椅床機(jī)電總體設(shè)計(jì)、控制模塊的組成以及運(yùn)行軟件的配置等經(jīng)整體集成運(yùn)行，能較好地滿足本體的自主控制，并能比較穩(wěn)定地按照遙控指令運(yùn)行，對現(xiàn)場中的專用服務(wù)機(jī)器人，也能做特定的協(xié)同運(yùn)行。當(dāng)然，如果再增加雙傳感器冗余設(shè)計(jì)、智能輪椅床重心判別與矯正、防變位意外的輔助支撐等，整體性能還會進(jìn)一步改善。

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（編輯：劉鐵英）