聲控輪椅的研究

王力建

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)手段的革新，為了幫助社會(huì)中存在的弱勢群體，經(jīng)過不斷的努力研發(fā)出了聲控輪椅。聲控輪椅適用于殘疾人、偏癱類病人、體弱老人等移動(dòng)難、使用手動(dòng)輪椅困難的人群。當(dāng)他們坐在輪椅上時(shí)，可以通過語音來控制輪椅的移動(dòng)繼而免去了手動(dòng)帶來的不便。發(fā)出前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令，輪椅會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，并前后各有兩個(gè)超聲波測距傳感器，左右各有一個(gè)超聲波測距傳感器，可檢測前、后、左、右是否有障礙物，一旦檢測到障礙物就會(huì)自動(dòng)停止或調(diào)整方向以確保使用者安全。踏板下有一個(gè)超聲波測距傳感器，主要是防跌落，如檢測到前方落差較大，如下樓臺(tái)階、高坎邊緣等，輪椅就會(huì)自動(dòng)停止。

關(guān)鍵詞：聲控；輪椅；語音識(shí)別；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：R496 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0032-02

機(jī)器人的發(fā)展范圍已遍布各個(gè)領(lǐng)域并承擔(dān)著重要角色，在機(jī)器人的幫助下，人們的生產(chǎn)生活有了新的發(fā)展和變化，如何更好地控制機(jī)器人成為一個(gè)重要的研究課題。對(duì)于機(jī)器人的控制，語音控制無非是最自然、最便捷的控制方式，也是人們更加容易接受的科技表達(dá)方式。語音識(shí)別技術(shù)使機(jī)器人能聽懂人的自然語言，由識(shí)別得到的信息可以作為聲控信號(hào)應(yīng)用到機(jī)器人的多種技術(shù)領(lǐng)域。首先向語音系統(tǒng)輸入固定語音詞組，再通過語音指令指揮機(jī)器人移動(dòng)以達(dá)到操作人的目的，將語音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于普通輪椅，用語音來控制輪椅的運(yùn)動(dòng)為使用者帶來了極大的方便。

1 聲控輪椅的研究現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)概述

1.1 研究現(xiàn)狀

隨著世界老齡化進(jìn)程的加快，中國人口老齡化進(jìn)程要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于很多中低收入和高收入國家。在以后的25年里，中國60歲及以上老年人在全人口中的構(gòu)成比預(yù)計(jì)將增加一倍以上，將從2010年的12.4%增長到2040年的28%。照顧老人問題成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問題，越來越多的老人存在，就需要研發(fā)出更加適用于廣大老人的科技產(chǎn)品，從而保證老人們的生產(chǎn)生活，為他們的生活提供便利。同時(shí)，由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加。老年人和殘障人士的動(dòng)作、行動(dòng)存在著諸多的不便，他們的休息、出行、照顧如果采用專門的人力，將嚴(yán)重增加社會(huì)的負(fù)擔(dān)，因?yàn)槔淆g化社會(huì)本身勞動(dòng)力就存在著短缺。作為特殊的群體，他們應(yīng)該被更好的重視，選擇出適合老年人和殘障人士行動(dòng)的工具，讓他們與正常人一樣可以享受生活，這是未來科技社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，也是我們和諧社會(huì)發(fā)展的目的。

1.2 聲控輪椅設(shè)計(jì)概述

針對(duì)殘疾人、偏癱類病人、體弱老人移動(dòng)難、使用手動(dòng)輪椅困難的情況，采用語音識(shí)別技術(shù)，本人設(shè)計(jì)了智能聲控輪椅。

技術(shù)性能指標(biāo)：（1）語音控制范圍達(dá)2米，坐在輪椅上完全能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制。（2）無線遙控范圍達(dá)20米，能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅小范圍轉(zhuǎn)移調(diào)用。（3）輪椅載重量90kg。（4）輪椅移動(dòng)速度30km/h，該速度可調(diào)節(jié)。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：（1）語音識(shí)別技術(shù)、無線遙控技術(shù)應(yīng)用在輪椅上實(shí)現(xiàn)了殘疾人、偏癱類病人、體弱老人非手動(dòng)方式控制輪椅。（2）電動(dòng)車控制技術(shù)的應(yīng)用讓輪椅不再依賴于手動(dòng)。該輪椅主要是采用了語音識(shí)別技術(shù)、無線遙控技術(shù)、電動(dòng)車控制技術(shù)。智能語音識(shí)別模塊是一款只需要在單片機(jī)的程序中設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表，并動(dòng)態(tài)地把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對(duì)用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識(shí)別，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音的非特定人語音識(shí)別模塊，等到使用者發(fā)出關(guān)鍵詞語的聲音，電路系統(tǒng)對(duì)該聲音進(jìn)行識(shí)別，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了聲音對(duì)輪椅的控制。該產(chǎn)品有一定的科學(xué)性和先進(jìn)性，能給生活帶來方便。

坐在輪椅上，發(fā)出前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令，輪椅會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，并前后各有兩個(gè)超聲波測距傳感器，左右各有一個(gè)超聲波測距傳感器，可檢測前、后、左、右是否有障礙物，一旦檢測到障礙物就會(huì)自動(dòng)停止或調(diào)整方向以確保使用者安全。踏板下有一個(gè)超聲波測距傳感器，主要是防跌落，如檢測到前方落差較大，如下樓臺(tái)階、高坎邊緣等，輪椅就會(huì)自動(dòng)停止。輪椅還帶有遙控功能，方便看護(hù)人或使用輪椅者遙控輪椅。如表1所示。

智能語音識(shí)別功能是在Arduino單片機(jī)內(nèi)的程序中設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表，并動(dòng)態(tài)地把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到芯片內(nèi)部，對(duì)用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識(shí)別，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音的非特定人語音進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪椅進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了語音對(duì)輪椅的控制。單片機(jī)使用Arduino Genuino Mega2560，工作電源DC 5V，由外接4節(jié)AA1.5V電池單獨(dú)供電，語音識(shí)別模塊占用單片機(jī)上的數(shù)字端口、超聲波傳感器模塊分別占用單片機(jī)上的數(shù)字端口、遙控模塊占用單片機(jī)上的數(shù)字端口、H橋電機(jī)控制模塊占用單片機(jī)上的數(shù)字端口、電機(jī)調(diào)速端口位置明確，各司其職，兩個(gè)24V、250W電機(jī)由蓄電池供電，來帶動(dòng)兩個(gè)后輪進(jìn)行運(yùn)用，前面兩個(gè)輪子為萬向輪。

該語音識(shí)別系統(tǒng)在控制聲控輪椅的時(shí)候，有著較高的識(shí)別率和靈敏度，任何時(shí)間以內(nèi)，只要進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)都能夠在第一時(shí)間將結(jié)果識(shí)別完成，速度快，效率高，如果在該語言識(shí)別系統(tǒng)中配合超聲傳感器使用，還可以達(dá)到可以自主避障的目的。

2 聲控輪椅發(fā)展研究與案例分析

一部電動(dòng)輪椅可以聽從使用者的簡單口令，包括前進(jìn)和倒退，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)，快和慢之間各有從低到高的三個(gè)檔位，可以對(duì)電動(dòng)輪椅進(jìn)行停止和開始的命令，上海交大精密儀器系康復(fù)工程研究室研究出一款系統(tǒng)，該系統(tǒng)名為“輪椅的聲音識(shí)別微機(jī)控制系統(tǒng)”，如果將這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用在電動(dòng)輪椅中，除了使用者本人發(fā)布口令好使以外，其他的任何人發(fā)布口令，輪椅的聲音識(shí)別微機(jī)控制系統(tǒng)都會(huì)表示識(shí)別錯(cuò)誤，輪椅不會(huì)做出相應(yīng)的操作。對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的研究其實(shí)從早期國外開始就有了一定的進(jìn)展，無論是日本國立殘疾人康復(fù)中心還是美國紐約大學(xué)康復(fù)中心都在研究中取得了一定成功，我國香港地區(qū)也開始對(duì)聲控輪椅進(jìn)行研發(fā)，系統(tǒng)通過系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)聲控輪椅的功能，但是對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)還處于前期開發(fā)階段，上海交大精密儀器系康復(fù)工程研究室所研發(fā)出來的“輪椅的聲音識(shí)別微機(jī)控制系統(tǒng)”和國外其他相關(guān)研究對(duì)比，有著明顯的分級(jí)控制性，命令變少了，且在聲控輪椅中還有緊急停車措施，如果老年人或者殘障人在遇到危險(xiǎn)不方便停車的時(shí)候，聲控輪椅中的應(yīng)急系統(tǒng)可以立即啟動(dòng)應(yīng)急措施，延長輪椅的使用壽命，保護(hù)老人與殘障人士的人身安全。有關(guān)專家認(rèn)為，關(guān)于輪椅的語音識(shí)別技術(shù)和控制技術(shù)都屬于高科技水平技術(shù)研究范疇，上海交大精密儀器系康復(fù)工程研究室對(duì)聲控輪椅及其系統(tǒng)的研發(fā)，有利于發(fā)展我國康復(fù)醫(yī)療工程，為廣大殘疾人的生活提高便利，為機(jī)器人技術(shù)提供理論依據(jù)，更有利于我國大力發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)。

來自美國麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室的Matt Walter和Sachi Hemachandra兩位研究人員研制出了一種非常具有革命性意義的機(jī)器人輪椅，這項(xiàng)發(fā)明是將機(jī)器人技術(shù)和電動(dòng)輪椅技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)于老年人和殘疾人等行走不便的人來說，可以在有導(dǎo)航的前提下使用該款產(chǎn)品在語音控制范圍內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)。如果是在個(gè)人的家中，只要家中有wifi，無論是臥室還是衛(wèi)生間，機(jī)器人輪椅不管在哪里，只要聽到了使用者的命令，都會(huì)第一時(shí)間完成操作。如果使用者不在室內(nèi)，需要去室外的話，可以連接各處的wifi或者直接使用手機(jī)的流量，進(jìn)行地圖導(dǎo)航，只要地圖中有明確的位置顯示，機(jī)器人輪椅就可以帶著使用者前往目的地。同時(shí)，這款機(jī)器人輪椅還可以將所有走過的地方記憶下來，并且永久保存在系統(tǒng)中，根據(jù)已經(jīng)存在于系統(tǒng)中的路線記憶，使用者不需要在對(duì)路線的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，只要將目的地輸入系統(tǒng)，輪椅就可以帶著使用者前往目的地，使用者可以做自己想做的事情，不需要花費(fèi)心神去尋找每一個(gè)地方的節(jié)點(diǎn)情況。目前，該項(xiàng)目的開發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與波士頓的醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了緊密的聯(lián)系，將在下一步展開合作，讓所有老年人和殘疾人士都能夠在空間中移動(dòng)，不用為自己的身體擔(dān)憂沮喪。

澳大利亞榮譽(yù)青年領(lǐng)袖獎(jiǎng)提名名單中有一個(gè)華裔少女，她自主發(fā)明了一款通過傳感器用眼睛進(jìn)行控制的聲控輪椅，可以幫助大量老年人和癱瘓的殘疾人士，這個(gè)華裔少女從十歲的時(shí)候開始就走上了發(fā)明之路，她喜歡玩樂高積木，并用樂高積木去制作各種形狀的機(jī)器人，隨后還拿著自己做的樂高機(jī)器人去參加了機(jī)器人比賽。2014年這名華裔少女來到第五屆生物醫(yī)學(xué)工程會(huì)議中，發(fā)表了自己這款智能輪椅的研究報(bào)告，并且明確提出自己設(shè)計(jì)的這款智能輪椅中主要包含兩個(gè)控制系統(tǒng)，第一個(gè)控制系統(tǒng)是聲控系統(tǒng)，從不同的長短單聲中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作和控制，這時(shí)機(jī)器人可以處理八個(gè)指令，可以帶著使用者向前進(jìn)，向后退，可以沿著順時(shí)針或者逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)圈，如果使用者想要坐著高一些或者舒服一些，這款機(jī)器人聲控輪椅還能夠?qū)崿F(xiàn)升高和降低的操作。除了聲控系統(tǒng)以外，還有一個(gè)控制系統(tǒng)是在感應(yīng)器的使用下完成的，這款感應(yīng)器的功能集中在一副眼鏡上，使用者在使用之前帶上眼鏡，戴上后只要轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，或者皺眉等表情變化就可以實(shí)現(xiàn)操控機(jī)器人輪椅的目的。對(duì)于聲控系統(tǒng)和感應(yīng)器控制系統(tǒng)的區(qū)別，聲控系統(tǒng)主要是為了老年人和癱瘓等殘疾人設(shè)置的，而基于感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人輪椅，主要是為了幫助那些面部肌肉無法做出活動(dòng)的人，帶上眼鏡后只要簡單的轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，動(dòng)一動(dòng)鼻子即可，十分靈活，便于操作，該系統(tǒng)也不會(huì)傷害人的身體健康。

3 結(jié)語

總而言之，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長和社會(huì)制度的變化，我國將要越來越關(guān)注老年人的生活，關(guān)愛殘障人士的心理健康，盡最大努力為他們的生活提供幫助，拉近這些特殊社會(huì)群體與正常人之間的距離。雖然關(guān)于聲控輪椅的研究還處于初步研發(fā)階段，任重而道遠(yuǎn)，我國應(yīng)該加大對(duì)項(xiàng)目的資金投入，組建專業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)，立足于創(chuàng)新理念，培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識(shí)，造福于廣大人類，幫助所有人享受社會(huì)服務(wù)。

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