一種全新的多功能智能電動輪椅系統(tǒng)設計

劉薇

摘要：給出了一種具有基本行走移動、健康監(jiān)護、多媒體、休閑娛樂、安全避障、導航定位等多功能的全新的智能電動輪椅設計方法，可極大拓展老、傷殘人士社會交流的深度和廣度，對我國智慧型養(yǎng)老社會的實現(xiàn)具有重要意義。

關鍵詞：智能；電動輪椅；智慧養(yǎng)老；多功能；系統(tǒng)設計

中圖分類號： TP249 文獻標識碼： A 文章編號：1009-3044（2017）36-0155-02

Abstract： Proposed a new design method of intelligent electric wheelchair with multifunction of basic walking movement， health monitoring， multimedia， entertainment， safe obstacle avoidance， navigation and positioning， etc. it can greatly expand the depth and scope of social communication of the old and disabled people， and it has important significance for the realization of intelligent endowment society in our country.

Key words：Intelligence； Electric wheelchairs； A wise old age； Multifunction system design

智能輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅，融合多種領域技術，包括機器視覺、機器人導航和定位、模式識別、多傳感器融合及用戶接口等，涉及機械、控制、傳感器、人工智能等技術，具有自主導航、避障、人機對話以及提供特種服務等多種功能的一種服務型機器人。

目前國內(nèi)外的智能輪椅除了移動行走基本功能外，大多數(shù)還加入了自動避障功能，實現(xiàn)前方障礙物的自動避讓，國外部分智能輪椅還加入了樓梯攀爬功能、導航定位功能等，但總的來說，國內(nèi)外智能輪椅主要側(cè)重于輪椅移動行走功能或類移動行走功能的實現(xiàn)，很少考慮老殘人士的其他方面的需求，如健康監(jiān)護、多媒體、休閑娛樂功能等，忽略了老殘人士精神生活的需求。基于此，本文給出一種全新的智慧養(yǎng)老型的多功能智能輪椅設計。

1 總體架構(gòu)設計

智能電動輪椅技術是一種集成光、機、電、計算機、通訊、導航等技術于一體的復雜測量控制系統(tǒng)，智能電動輪椅在功能模塊上主要由：機械本體、感知模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊、人機交互模塊、供電模塊、通訊與數(shù)據(jù)互連模塊組成。

機械本體設計側(cè)重于穩(wěn)重、小巧、美觀，感知模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊、人機交互模塊、供電模塊、通訊與數(shù)據(jù)互連模塊六個模塊可歸為電氣部分，電氣部分的功能核心有兩個，一是測量，二是控制，其中各模塊又包括若干子模塊，其總體架構(gòu)設計如圖1所示。

2 功能設計

智能電動輪椅基本功能為移動功能，并輔以諸如安全管理功能、健康監(jiān)護功能、保健功能、多媒體功能、休閑娛樂功能、數(shù)據(jù)互聯(lián)與共享功能、出行管理功能等，使之與智慧養(yǎng)老有機融為一體，為使用者提供專屬、全面、人性化的貼心服務，其功能組成及劃分如圖2所示。

移動功能：輪椅可在室內(nèi)或室外行走，速度可設，并分三檔，在平地、坡度、沙地、草地等環(huán)境下輪椅均可移動自如。當前方有障礙物時，輪椅會根據(jù)障礙物的大小和形狀進行運行模式判斷，當障礙物高度小于80mm時，輪椅進行跨越，當障礙物高度大于80mm時，輪椅會根據(jù)一定的軌跡規(guī)劃自動繞開障礙物。

安全管理功能：輪椅前后均設有機械防撞桿，保證輪椅使用者不受前后機械碰撞損傷；安全避障可使輪椅自主安全避開前方障礙物；在電池管理方面，設計有電池過充保護、短路保護、過流保護等，極大提高了供電安全；當輪椅出現(xiàn)異常情況下，輪椅立即發(fā)出警報，一方面提示使用者具體的異常情況及具體參考解決措施，另一方面，輪椅還會通過無線信號模式把危情信息發(fā)送給輪椅使用者家人或附近社區(qū)醫(yī)院。

健康監(jiān)護功能：輪椅側(cè)面安裝有定制人體生理參數(shù)檢測手環(huán)，可對人體的血壓、血脂、脈率、體溫等人體參數(shù)進行實時檢測，并把檢測結(jié)果在觸摸屏上顯示出來，軟件還可根據(jù)每個使用者的生理和健康狀況給出合理可行的飲食建議。

保健功能：輪椅靠背安裝有微電機帶動的按摩模塊，當需要時，通過App可對按摩功能進行開啟，瞬間消除老殘人士的疲勞狀態(tài)。

多媒體功能：輪椅觸摸屏帶有視頻和語音專用App，輪椅使用者可通過App實現(xiàn)與家人或朋友間的視頻和語音聊天。

休閑娛樂功能：輪椅觸摸屏帶有各式休閑娛樂專用App，如音樂播放、電影播放、戲曲觀看、各式棋牌、文學評書、太極等養(yǎng)身建議和互動等，極大豐富老殘人士的精神生活。

數(shù)據(jù)互聯(lián)與共享功能：輪椅數(shù)據(jù)互聯(lián)與共享功能一方面當輪椅本身或使用者出現(xiàn)異常或危情時，輪椅可向使用者家人或醫(yī)院發(fā)送危情數(shù)據(jù)和警報，另一方面，輪椅使用者可能過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與家人或朋友間的語音和視頻通信，極大保障了輪椅使用者的身心健康。

出行管理功能：出行管理主要指導航與定位功能，當輪椅使用者在外迷失時或需去往某地時，可通過觸摸屏專用App進行自動導航，同時，觸摸屏自帶GPS定位器，輪椅使用者家人可通過手機直接實時查看當前輪椅的具體位置。

3 電氣系統(tǒng)設計

電氣系統(tǒng)為智能輪椅的核心和關鍵，輪椅核心和主要功能均由電氣系統(tǒng)實現(xiàn)，電氣系統(tǒng)核心為由FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）+DSP（數(shù)字信號處理器）+存儲器構(gòu)成的數(shù)字核，負責輪椅全部數(shù)據(jù)的采集、算法、運算與控制功能，而觸摸屏為人機交互接口的具體形式。電氣系統(tǒng)中各模塊、各子模塊間電氣邏輯關系如圖3所示。

如上圖3所示，在系統(tǒng)上電和初始化后，用戶可在觸摸屏上選擇輪椅工作模式，若選擇手動操作模式，則輪椅控制輸入信號由手柄操作盒提供，手柄操作盒可等效為可變電阻器，移動手柄，可為數(shù)字控制核心提供輪椅運行速度、方向、啟動、停止等常用信號，此信號先經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓蠼?jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)字處理核心中的FPGA，最后經(jīng)由FPGA通過EMIF總線傳輸給DSP；若選擇語音輸入模式，用戶可對麥克風說出固定語音，如走、停、加速、減速、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等，此語音信號先經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后?jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)字處理核心中的FPGA，最后經(jīng)由FPGA通過EMIF總線傳輸給DSP；這兩種不同的操作控制模式最終均轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的指令輸入至DSP中，DSP根據(jù)輸入的指令，輸出PWM脈寬調(diào)制數(shù)字信號至由對稱MOS功率管構(gòu)成的H橋電路，并最終驅(qū)動直流無刷電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)輪椅移動、加速、減速、啟動、停止、轉(zhuǎn)彎等動作。

在輪椅工作過程中，數(shù)字處理核心中的FPGA發(fā)出7路精準的40KHz的方波信號輸出至超聲波諧振調(diào)理電路，并最終發(fā)出7路同頻率的超聲波，若前遇到障礙物，則超聲波被障礙物按鏡面反射回來，經(jīng)超聲波回波處理電路把反射回來的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后進行AD轉(zhuǎn)換輸入至數(shù)字處理核心中的FPGA，F(xiàn)PGA后通過EMIF總線傳輸給DSP，DSP根據(jù)7路超聲波信號進行距離解算，并最終算出障礙物的距離，然后進行模糊PID決策算法進行合適的避障路徑規(guī)劃或啟動電機進行合適的安全保護，光電開關和CCD相機是為了能獲取清晰的障礙物輪廓。

脈率、血壓、體溫等傳感器用來測量用戶健康相關的參量，脈率、血壓、體溫等傳感器輸出的模擬信號先通過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后輸入至FPGA，然后通過EMIF總線傳輸給DSP，也可直接由串行接口傳送給觸摸屏進行顯示或通過無線模塊發(fā)射給指定位置。

編碼器信號用來實時測量輪椅行駛的位移量或?qū)崟r速度值，并在部分控制模式下給輪椅控制提供閉環(huán)。

觸摸屏主要用來提供人機交互接口，包括控制操作輸入（手柄或語音）、多媒體功能（視頻、收音機、音樂等）、導航功能、定位功能、輪椅自身狀態(tài)參數(shù)及健康參數(shù)顯示等功能。觸摸屏運行安卓系統(tǒng)，內(nèi)置專用App，各類功能可通過App實現(xiàn)。其中的數(shù)據(jù)（如健康參數(shù)信息）可通過無線模塊發(fā)送給輪椅使用者家人或醫(yī)院，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)與遠程共享，在輪椅傾倒或使用者健康狀況不佳時，專用App會向家人發(fā)送警報，極大保障了使用者的出行安全和身體安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文給出的智能電動輪椅設計方法基于全新的設計理念，把老殘人士的智能出行與智慧養(yǎng)老充分結(jié)合，在滿足基本出行功能后，植入多種其他與老殘人士息息相關的貼心服務功能，此時輪椅不再是單一功能的輪椅，而是作為老殘人士的忠實伴侶存在，這種智能輪椅一方面在極大滿足使用者基礎出行功能外，還能最大限度地滿足使用者精神文化層面的需求，并設計有輪椅多重安全管理和報警機制，極大地保證了老殘人士的人身安全，實現(xiàn)智能出行與智慧養(yǎng)老的相得益彰。