智能輪椅的設(shè)計(jì)及發(fā)展戰(zhàn)略

摘要：本文具體闡述了智能輪椅研究過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)自主式沿墻行走型智能輪椅進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，最后對(duì)未來研究智能輪椅的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，對(duì)后續(xù)智能輪椅的設(shè)計(jì)研究提出了幾點(diǎn)建議，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能輪椅;沿墻行走;模糊控制;關(guān)鍵技術(shù)

一、智能輪椅研究的關(guān)鍵技術(shù)

智能輪椅一般由以下三個(gè)部分組成：控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)接口。

（一）控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)外界環(huán)境狀況做出實(shí)時(shí)感知和決策，根據(jù)規(guī)劃結(jié)果完成平滑、安全的運(yùn)動(dòng)，并適時(shí)提高移動(dòng)速度，有足夠快的反應(yīng)能力，滿足實(shí)時(shí)性要求。采用手動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和自主模式。

（二）導(dǎo)航系統(tǒng)，智能輪椅的導(dǎo)航技術(shù)通過傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，建立環(huán)境空間模型，獲取輪椅的位置和方向，規(guī)劃出安全有效的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑，并自主實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，導(dǎo)航兼具安全性和交互性。

（三）人機(jī)接口，智能輪椅關(guān)鍵技術(shù)之一就是人機(jī)交互技術(shù)。在設(shè)計(jì)人機(jī)接口的過程中應(yīng)將用戶身體情況、認(rèn)知能力和心理反應(yīng)作為不可或缺的中心部分納入考慮，彌補(bǔ)自身不足，充分發(fā)揮主動(dòng)性，以實(shí)現(xiàn)輪椅與用戶之間最佳的合作方式，這就需要設(shè)計(jì)出更人性化和多樣性的人機(jī)接口。

二、自主式沿墻行走控制型智能輪椅的設(shè)計(jì)

自主導(dǎo)航是現(xiàn)代智能輪椅所具有的基本功能之一，將使用者安全送到目的地，并在行進(jìn)過程中躲避障礙物，避免碰撞。復(fù)雜地形狀況，需要用戶高精度的操控，但對(duì)于肢體活動(dòng)不便的輪椅使用者，這是一項(xiàng)極其困難的挑戰(zhàn)。之前的研究中，沿墻行走的設(shè)計(jì)都是跟隨單邊墻面行走，若將兩邊墻壁一起考慮進(jìn)去設(shè)計(jì)控制器，將極大提高安全系數(shù)。自主式沿墻行走型智能輪椅，代替?zhèn)鹘y(tǒng)操控輪椅有著廣闊的發(fā)展前景?？衫们度胧娇刂萍夹g(shù)，提供安全且精密的控制，以傳感器為基礎(chǔ)，并結(jié)合沿墻走的自動(dòng)行駛系統(tǒng)，確保輪椅能處于左右兩邊墻面的中線上行駛，并能因墻距的寬窄變化，進(jìn)行速度上的調(diào)整，兩墻距越寬速度越快，反之亦然。

加入激光測(cè)距儀用來掃描環(huán)境參數(shù)，通過一系列計(jì)算實(shí)現(xiàn)控制輪椅的動(dòng)作，確保輪椅始終行駛在兩墻間的中線上。在控制器設(shè)計(jì)方面，除了利用PID及模糊控制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向速度的控制器外，為了能節(jié)省傳統(tǒng)模糊控制的調(diào)整時(shí)間，采用加入學(xué)習(xí)法則后具有適應(yīng)性機(jī)制的自組模糊控制器（SOFC），針對(duì)每一條模糊規(guī)則的輸出值，提供補(bǔ)償控制量，來修正每條規(guī)則，通過補(bǔ)償機(jī)制操作后，使得控制器能因?yàn)楦鞣N未知環(huán)境，不斷修正模糊規(guī)則庫(kù)，以達(dá)到更為平滑的控制。考慮傳統(tǒng)定義的規(guī)則數(shù)目過多，運(yùn)算時(shí)間加長(zhǎng)，提出單一輸入自組模糊控制器，可大幅度降低模糊控制規(guī)則數(shù)量，并結(jié)合適應(yīng)性機(jī)制以提升因縮減規(guī)則數(shù)量導(dǎo)致所喪失的功能。整體系統(tǒng)具有以下功能：

（一）動(dòng)態(tài)偵測(cè)未知環(huán)境提供沿墻行走的距離信息

（二）因墻距的寬窄變化，提供速度上的調(diào)整

（三）模仿人類思維的模糊邏輯實(shí)現(xiàn)控制，提供穩(wěn)定且平滑的操作

（四）加入適應(yīng)性，使控制器能適應(yīng)當(dāng)下環(huán)境，增加其性能

（五）具有預(yù)防碰撞的緊急停車功能

在走廊及窄巷的環(huán)境下，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的功能性和可靠性，具有良好的智能避障功能，穩(wěn)定且安全的操作，設(shè)計(jì)得更加人性化，提高適用性和交互性，并透過所收集的數(shù)據(jù)信息，協(xié)助分析控制器在不同環(huán)境下的性能，更加靈活智能，整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，為行動(dòng)弱勢(shì)人群，提供一個(gè)安全便利的智能操作平臺(tái)。

三、未來發(fā)展趨勢(shì)與建議

我國(guó)對(duì)智能輪椅的研究有了很大的進(jìn)展，但仍處于初期開發(fā)階段，停留在實(shí)驗(yàn)室、展臺(tái)或是少數(shù)定做，并沒有進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，所以仍有許多發(fā)展空間。

（一）自然化和智能化。目前用戶仍處于對(duì)輪椅進(jìn)行簡(jiǎn)單控制的階段，未達(dá)到完全自然交互和智能化的目標(biāo)。未來需要利用更多人機(jī)交互接口相結(jié)合，綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，人機(jī)之間更充分地進(jìn)行交流和溝通。

（二）人性化和安全性。未來應(yīng)充分考慮行動(dòng)不便者的需求，構(gòu)建完善的安全保障系統(tǒng)，如避障、在狹窄的環(huán)境中停放、自動(dòng)暫停以及跟隨目標(biāo)等，融合多種控制器，提升系統(tǒng)對(duì)未知環(huán)境的適應(yīng)性，快速做出反應(yīng)，盡可能避免危險(xiǎn)的發(fā)生并找出一條最佳的行進(jìn)路線。

（三）產(chǎn)品化和模塊化。目前許多算法不夠成熟，導(dǎo)致必須依賴高精度的硬件設(shè)施，成本相對(duì)就會(huì)提高。若是將智能輪椅批量生產(chǎn)，成為一條產(chǎn)業(yè)鏈，必須提高算法的運(yùn)算速度和準(zhǔn)確度，以及執(zhí)行控制行為的可靠度，才能降低硬件設(shè)備的支出，提高性價(jià)比。同時(shí)，將智能輪椅的各項(xiàng)功能模塊化，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一種功能，以便為不同的用戶配置最合適的輪椅。

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，智能輪椅的安全可靠性將不斷提高，功能將更為豐富多樣，相信在不遠(yuǎn)的將來會(huì)有更多類型且價(jià)格適中的智能輪椅，提升行動(dòng)不便者的生活質(zhì)量，為我國(guó)廣大的殘疾人士和老年人造福。

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作者簡(jiǎn)介：李航（1995-），北京工業(yè)大學(xué)2017屆研究生，碩士學(xué)歷，所學(xué)專業(yè)為工業(yè)設(shè)計(jì)工程，研究方向?yàn)榻换ピO(shè)計(jì)。