一项轮椅系统的智能研究

一项轮椅系统的智能研究

大学马来西亚亨

摘要——人们暂时的痛苦或永久的残疾是由于发生了疾病或事故，这种困难的情况下导致他们不能行走，使用轮椅变的至关重要，对于大多数的残疾人，手动轮椅或者电动轮椅都能满足他们的需要，但是，在严重的情况下，有些人使用不了轮椅，在这种情况下，轮椅的使用者不能独立使用，必须得依赖他人。于是研究人员针对这种情况参与研究智能轮椅来解决这样的问题，本文讲述的就是研究智能轮椅系统。它评估了当前可利用的技术以及讨论未来发展的方向，这正是研究人员的具体任务。

2007年在亚太地区发展残疾中心马来西亚的残疾人口大约达到了197519人，在海外，疾病控制和预防中心估计，在美国大约有5300万人有某种形式的残疾，其中有俩百万人每天都要依赖轮椅的日常任务和流动性。这些病例中包括视力有问题的人、四肢瘫痪的人、脊髓损伤的人、帕金森病和认知缺陷的人等等。因此，就需要依赖轮椅或者依赖亲人、依赖医院的护理医生来帮助他们。使用轮椅既可以方便病人又可以减少对他人的依赖，自己可以照顾自己。一些公司开始生产一些不同类型的所谓的“智能轮椅”。智能轮椅可以被定义为一个独特修改驱动轮椅控制系统的装备的传感器和实体，与此同时也可以被定义为一个移动机器人，只不过附加了一个座位。根据不同用户的需求，设计师设计出不同类型的智能轮椅来向他们提供援助，他的目的就是减少或者消除患者对移动轮椅的依赖，设计人员也要根据患者的需求来设计。智能轮椅的一个缺点就是他们的价格远远高于手工或者简单的电气驱动轮椅。临床医生和用户对于智能轮椅的价格被认为是根据商业化来评估。最后，我们对正在研究的项目以及新的未来方向进行了讨论。

根据审查辛普森在2005年发表的论文，有许多设计智能轮椅的形式。早期的智能轮椅移动机器人的席位被添加。目前，最发达的智能轮椅是建立在通过修改商用轮椅的基础之上。一些智能轮椅的设计为“附加组件”可以被附加到排污单位并且远离潜在轮椅，所有的这些设计都共享的目标是：缓解椅子的使用方法。尽可能避免碰撞，增加旅行的距离或者减少旅行的时间。

本文回顾的智能轮椅系统是根据三个属性：

1.移动智能轮椅有外接插口；

2.移动智能轮椅有导航功能；

3.移动智能轮椅有前后挡功能。

设计师的目标：轮椅的外接插口允许用户控制轮椅更少的工作以及控制轮椅的安全。当病人的病情严重时，就像SCI患者一样的时候，就需要特殊的工具。而且，智能轮椅可能有额外的技术或设施需要更加高级的接口。流动的控制：操纵杆是最常见的为电动智能轮椅转向控制界面。通常，操纵杆是由一根棍子在码头，图1显示了轮椅。同时也有一些智能轮椅使用其他形式的操纵方式，头的移动/和下巴是一种引导，如图2-a；舌头有时也需要用轮椅。一个intra-oral设备由18个电感式传感器线圈嵌入俩个单位10层的电路印刷版以及连接到第三个PCB包含一个微控制器、无线芯片、和电池，如图2。当用户触摸传感器或者用舌头穿刺时，传感器线圈的电感发生变化，Sip-and-puff是另一种非常有用的技术，他可以使空气压力，呼出或者吸入的同时把信号发送到轮椅，其他智能轮椅使用人工智能技术，如基于凝视的技术面临方向跟踪。这样的系统跟踪一个人凝视的方向或者把头转过身。图2-c就是椅子上的一个例子。在这样的一个系统中音乐和视频功能是必备的，用户想要去哪里可以语音说出来，或者用户听系统说，如果系统说的对，用户只需要对着镜头点头或者摇头就可以了。虽然这个系统设计很好，但是设计人员还是要看看用户是否关注这个新型的智能轮椅的特点——基于头部和面部的设计。而这个系统唯一的缺点就是当用户环顾四周的时候只能盯着一个地方，缺乏大面积的区分。因此,用户应该持续关注导航不让用户的目光误入歧途或无重点。脑电图也是指导方法如图2-d。它措施和解释大脑的电活动通过电极附着在头皮上。然后翻译大脑活动的命令控制设备。声音也被用作一个输入来控制轮椅。在这样一个系统中使用语音识别算法。当系统识别声音,分类是一个预先存储的命令。相应的编码数字信号将被发送到一个控制单元然后相应地控制轮椅。手势控制系统是另一个接口人和机器的方法。一个例子是无线手势控制系统中给出。加速度计是用来翻译手指和手势为计算机解释信号。加速度计校准和数据过滤掉。智能手机和平板电脑越来越受欢迎。他们配备了许多有用的置传感器。最近研究人员和开发人员使用这些设备进行强有力的控制应用程序中列出。应用包括机器人操作除了许多其他应用程序。轮椅控制是其中的一个应用

程序(15、16、17、18 19)。智能手机和其置的传感器是用来捕获和记录运动轮椅使用者和转化为订单的控制单元控制椅子。例如作者在使用3轴加速度计在大多数智能手机和蓝牙无线技术,允许病人移动轮椅通过倾斜智能手机。这个概念是由单片机控制的致动器驱动基本定向运动伺服电机和直流电机的一对轮子。作者设计的应用程序可以机动轮椅通过接收来自用户的命令。命令轮椅是通过使用基于触觉和头部动作的接口开发的使用智能手机。

图1为操纵杆控制器

（a）（b）

（c）

（d）

图2其它形式的操纵杆形式

图3“抢椅子”的系统模块

更高级的操纵杆可能会有更多的插件技术来促进其他选项，取决于用户的能力和情况。例如中给出的系统,如图2-e,是一个无线可穿戴辅助技术,使严重残疾的人能够控制自己的电脑,用舌头运动轮椅、和电子产品。系统模拟触摸屏手指叩击。另一个系统使用智能手机作为处理单元。这个系统可以控制的轮椅使用用

户的声音通过一个android的手机。包括语音控制命令，停止，和右转。这些命令是回应相应的命令发出时机器人轮椅。这样的系统可以使用他们的声音来控制用户的电脑和手机一样。“抢椅子”辅助导航项目是使用一个友好的图形用户界面(GUI)也作为模拟器；并介绍了一个语音人机界面(HMI)。系统的架构是基于行为的控制体系结构。图3显示了“抢椅子”系统的模块。

导航方法和设备

本文前面提到，智能轮椅可以被定义为移动机器人与座位或独特的修改驱动轮椅控制系统装备的传感器和变体。因此智能导航方法的重要方面智能的椅子。克里斯蒂娜Tsalicoglou,泽维尔佩兰做了一个调查导航助手残疾人。根据这一调查，许多项目研究如何最大智能轮椅协助其用户。导航方法分成三类根据水平的援助。三个主要类别：共享控制、半自治控制和完全自主控制。自主和自治系统的优点是，用户只需要提供一个命令每隔一段时间，可以放松一次命令，由于导航是自动的。共享控制为用户提供更多的独立性，因为用户可以控制运动和计划的路线。聪明的椅子只提供紧急或纠正措施碰撞预防、避障和墙。

一个有趣的想法是自适应控制系统(24、25)共享。在这些系统中，用户自己可以做的更好，更好的帮助用户收到共享控制系统。在收集的数据通过扫描激光测距仪(URG-04LX)和用户界面进行了分析以确定是否执行所需的操作是安全的。然后系统决定提供援助或允许用户输入来控制轮椅。“半自治控制”和“自动控制”，很明显，机器增加援助。轮椅因此涉及更多的路线规划除了碰撞预防、避障和墙。半自治系统等待命令从当地用户提供一个短期的目标。轮椅然后开始移动，直到一个外部标志的导航系统通知，命令被执行死刑。半自治系统等情况下视力受损的用户很有用。他们帮助他们独立移动优势在“帮助明星”系统。当用户面临着不可预见的情况下，“帮助星”功能可以被激活。它允许远程操作符使用虚拟现实技术提供了有用的导航指令或直接发送命令到轮椅上。

在自治系统中，用户表示最终的目的地和导航的轮椅控制系统需要完成从当前位置到目的地的目标。自治系统因此需要映射和监测技术。因此，他们通常喜欢在定义良好的经营环境。保证航行的安全性和鲁棒性，研究人员建议使轮椅沿着引导标记安排以点阵形式的专利数量US5002145 Hiroo Wakaumi和Tsuneo Tsukagoshi。