智能轮椅的发展与设计趋势探析

曲振波 王飞 张宏扬

关键词：智能轮椅;发展趋势;设计趋势

1 智能轮椅的概念

智能轮椅是一种基于普通人工助力型轮椅，将无刷直流电机驱动控制为核心系统，应用了传感信息融合技术、语言信息合成与识别系统、实时自适应导航移停控制技术、智能识别随机避障、自然化人机交互等技术，能准确完成用户在多种生活场景中环境数据的检测和采集、语音交互反馈、智能安全导航等功能的移动辅助设备。现阶段，智能轮椅主要包括站立式电动轮椅、升降式电动轮椅以及多地形巡航电动轮椅等。不同类型的智能轮椅分别辅助用户完成在不同空间场景下的需求。

2 智能轮椅的发展趋势

2.1 智能网联化

实现智能轮椅智能网联化需要智能化技术支持和网联化信息融合。智能化技术能为智能轮椅提供环境模型感知功能，并在人机交互反馈的基础上完成智能决策。网联化信息融合可以配合智能化技术在智能轮椅的信息联网、网联协同感知决策上嵌入，优化智能轮椅的控制和感知功能。从最初的人工助力型轮椅发展到现在的电动轮椅，智能网联化将提供给智能轮椅一个崭新的平台，使适用人群有更人性化的移动服务体验。智能轮椅通过智能网联捕捉并感知数据和反馈解决方案，协同用户的指令达到智能化水准。例如，用户驾驶智能轮椅经过有施工路段时，可以通过网联系统获取路面的障碍信息，同时多方位传感器捕捉路障信息，最终综合路障信息并反馈给用户多种决策方案，然后通过用户的自主评估进行下一步操作。智能网联化在服务用户互动反馈的过程来看，将推动更多辅助性移动设备产业的发展和转型，成为更多科技产业的发展方向。

2.2 物联数据共享

物联数据共享是通过捕捉并采集多种感知信息数据，再借助人工智能技术对数据进行合理化分类整合，而整合来的数据集合成数据共享池，以方便物联产品利用这些数据。在实现智能轮椅的物联数据共享需要智能网联化达到一定的基础，使智能轮椅与不同场景的进点产品发生网络关联，以达到数据共享池的有效积攒，然后基于用户某种需求时智能轮椅能在物联数据共享池中识别筛选、采集、反馈准确有效的数据。智能轮椅形成物联数据共享池要基于搭载巡线导航传感器、超声波传感器、气体传感器等多方位传感的系统、鹰眼摹拟测距系统，智能语音识别系统等联动配合产生有效数据。物联数据共享保障了用户使用智能轮椅时的安全和舒适，比如，用户行驶智能轮椅在家中工作，此时室内出现火情，智能轮椅所搭载的烟雾传感器可迅速识别近点烟雾浓度变化，并立即启动家中灭火设备并联网合成数据，将实时的火情数据传达至消防站系统，同时智能轮椅配合用户决定救火措施和逃离现场路线。将物联数据共享模式作为科技产品研发的核心方向，可形成更完善的产业跨界生态圈。

2.3 场景路径记忆细分

场景路径记忆细分基于智能轮椅已多次识别路障信息且建立多次有效环境模型，并记录路径始末点，能重叠筛选出精细且优化的巡航路线[1]。智能輪椅储存的环境模型信息与搭载的多种视觉和非视觉传感器相互联动，能减小实时识别路障信息的误差，进而通过巡航传感器高效完成定点巡航路线指令。场景路径记忆信息通过细分之后，可提供给用户既便捷又人性化的功能，并在路径末点位置直接提示给用户智能轮椅特定的功能支持。正如用户居家活动的定点信息，用户要去厨房的高位橱柜拿取碗筷等餐具，起始点在客厅的随机巡航点上，此时智能轮椅可从已储存的场景路径记忆细分信息中直接提取最优路线，配合智能轮椅实时感知路障信息，准确抵达厨房定位点后，启动智能轮椅升降等特定功能预设。通过环境建模和路径规划算法建立场景路径记忆细分，真正解决了不同生理机能用户的特殊需求，同时为各类智能移动机器设备的自动巡航功能提供了更具潜力的发展空间。

3 智能轮椅的设计趋势

3.1 模块化设计

产品模块化设计趋势可以解决智能轮椅主体设计的功能目标多方位、多结构层次，同时优化主从关联结构的问题。未来智能轮椅的设计会依附于智能网联化系统、物联数据共享池以及场景路径记忆细分机制，并结合模块化设计流程，使智能轮椅达到规模定制化的发展水平。

模块化设计方式可以解决智能轮椅功能目标多方位的问题，使各项功能合理运行并发挥即时有效的作用，同时也能优化智能轮椅整体结构的合理性[2]。现阶段智能轮椅具备智能语音识别、多方位传感器信息融合、应急紧急制动、实时自适应导航移停控制、智能识别随机避障等多领域开发的复合功能，其结构重点体现在座椅结构、后置驱动控制结构、前置导向轮结构三大部分。模块化设计正是将智能轮椅的功能与结构合理地关联起来，促进智能轮椅产业规模化、高效化地生产，能让适用人群使用得更舒适安全，同时方便在用户群体中更好地获取产品迭代创新的反馈信息。例如，智能轮椅将集合化设计的电池组与驱动控制结构相互配合并优化空间占比，进而扩大座椅结构和后轮结构之间的升降空间，同时利用座椅结构与前轮结构之间的部分空间可开发储物功能的结构等，会极大方便适用人群在不同场合中的需求，提升用户生活质量。在既追求高效又追求人性化的社会时代背景下，模块设计必定驱动智能轮椅产业规模定制化发展，也会在智能制造科技产业中催生出更广阔的发展空间。

3.2 轻量化设计

随着在众设计领域中绿色设计理念被广泛认可，轻量化设计研究方向受到越来越多的设计工作者和科研人员的重点关注。智能轮椅结构的轻量化可以极大降低内部驱动结构以及其他受力结构的重量，给予用户更优越的操控体验和更稳定的续航能力。

智能轮椅的轻量化设计主要体现在结构精细化设计和合理应用轻量化材料这两个层面上。智能轮椅结构精细化的出发点可分别放在结构尺寸合理优化、整体或局部形状优化、跨学科协同设计。其中结构尺寸合理优化需在提升智能轮椅乘载压力和振动频率的前提下，针对部分结构合理化减重;而整体或局部形状优化应充分利用材料的基本特性，使形状优化转变为尺寸优化以达到受力均匀的目的;跨学科协同设计则需要将多学科的复杂问题拆分后量化，并针对量化后的子问题得出优化方案。而智能轮椅合理应用轻量化材料则着重利用特殊肌理处理后的强化钢材、合金材料、纳米级塑料和复合材料。强化钢材因其屈服强度、抗疲劳强度、抗碰撞系数等物理参数高，智能轮椅结构附加的支撑件等零部件的横截面积会大幅减小，智能轮椅整体骨架结构重量也会降低[3] ;一定比例合成的铝、镁合金材料有着重量轻、强度和刚度高的优势，也是智能轮椅轻量化设计时参选材料范围;纳米级塑料和复合材料有着质轻、抗紫外线、不易褪色、强度刚度高等优异性能，智能轮椅做轻量化设计时需把握选材成本和性能的平衡点。智能轮椅有关企业的竞争价值很大层面上体现在轻量化设计的相关节点上，这不仅能够提供大量创收，还可以提升智能轮椅产品的竞争力和设计水准。实现智能轮椅轻量化需要结合参选材料和结构进行跨学科协同研发。

3.3 特定人群定向开发设计

智能轮椅在特定人群定向开发上的突破点在人机接口和转变结构空间两个层面。以人体机能为核心的人机接口控制系统是智能轮椅主要的操控系统，人机接口的设计不遵循自主性优化，是根据不同适用人群的身体机能状态而有效且充分发挥其主动性操作[4]。人机接口设计重点要对适用人群的生理和心理特点完善出一套协同合作机制。智能轮椅的人机接口设计主要包括操纵杆控制、语音识别控制、呼吸传感控制、触摸屏操作控制、肢体控制、生物信号波控制等，可方便使用者自主传达指令操作，比如，使用者下肢完全失能状态且手臂处于半失能状态，操纵杆的设计就可以利用模糊逻辑算法来降低因使用者手臂颤抖而产生错误指令的概率，并完善操纵杆的自动阻尼干扰以防止使用者控制导向障碍物。对于智能轮椅的结构空间设计是适应特定人群在使用时不同生理机能状态的转变，主要体现在智能轮椅的座椅结构和腿部乘放空间结构上，比如，在户外使用者一般乘坐的轮椅对比与正常人的身高来说高度要低很多，这造成了用户很大的心理压力，会产生自卑、紧张、焦虑等负面心理，而如果在智能轮椅的座椅结构上增加升降功能，会极大降低用户产生的负面心理[5]。

通过对智能轮椅的人机接口设计和转变结构空间的方式，可逐渐适应特定人群不同生理机能状态的需求层次。特定人群定向开发的设计模式将广泛适用于产品设计开发中，尤其是辅助性产品设计更需要多角度考虑特定人群的需求。

4 结语

智能轮椅经过几十年的发展研究，现阶段已经成为人工智能发展领域重要的一环。随着各类设计理论的完善以及设计方法的改进，智能机器人与智能轮椅不断地相互融合，自然化人机交互、智能网联系统以及物联数据共享等发展理念的产生，会使智能轮椅更好地辅助适用人群。模块化设计、轻量化设计以及特殊人群定向开发的设计模式也会促使智能轮椅产生更优化的服务体验。