智能轮椅的研究与探索

肖 蕊，张 颖

（1.上海健康医学院 护理与健康管理学院，上海201318；2.上海健康医学院 基础医学院，上海201318）

引言

本文对智能轮椅的核心问题进行了分析，指出了智能轮椅涉及的各项技术及其研究现状，并对其发展趋势进行了简明描述。在智能轮椅的整个系统构建中，有许多细节问题值得关注，也是智能轮椅能否真正面向广大用户的关键。它对传统的轮椅进行了改进，实现了智能轮椅的多种操控模式和自动避障等功能，改进其所存在的成本高、功耗大、续航能力差等问题，适合作为商业产品投放于市场。

1 研究目的

随着中国老龄化进程的加快，每个家庭都有一两个甚至以上的老年人，同时也受到上个世纪独生子女政策的影响，中青年逐渐兼顾不了照顾老年人的重担，因此智能轮椅的需求量会越来越大。将目前常见的普通轮椅改为可调节智能轮椅可以方便老年人的生活，有效解决伤残病人的治疗与康复，满足病人需求。除了年老体弱不方便走动的，还有受伤、残疾人、孕妇等行动不便的人群也可以使用。另外，除了满足家庭需要，医院也可以使用：输液室里面的靠背椅也可以用它来替代，使用时可将其轮子固定，病人输液时间长的话可以打开后躺在上面休息。对于看护的家人来说，也可以作为陪护床来使用，既方便也不占用太大的空间，又能使病人和家属得到更好的休息利于康复。

智能轮椅为残疾人、老年人、行动障碍人士等弱势群体带来了便捷生活与自主生活的可能和希望。不仅仅生理上帮助患者解决基本生活需求，更注重患者心理上的体验感，减少患者因生理障碍而产生的负面情绪，为这些弱势群体带来了福音。

2 智能轮椅的研究现状和发展趋势

自1986 年英国开始研制出第一辆智能轮椅以来，许多国家投入较多资金研究智能轮椅，如德国乌尔姆大学MAID（老年人及残疾人助听器）项目，它是在一个商业轮椅的基础上研制出了轮椅机器人，该轮椅机器人在公共场所拥有大量乘客的环境中，能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路，甚至还能提醒挡路的行人让开道路。[1-2]

我国智能轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。[3]研究单位有中科院自动化所、上海交通大学和第三军医大学等。

中国科学院自动化研究所研制了一种多模态智能轮椅，具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互；[4]上海交通大学成功为四肢全部丧失功能的残疾者设计的配备声纳、红外、摄像头等多种传感器，多种工作模式的智能轮椅。[5]但是目前智能轮椅在实验室还是少量定制，并没有真正产业化，所以在研究上仍有许多空间。

控制系统、导航系统、人机接口是组成智能轮椅的三个主要部分。控制系统主要是根据外界具体环境状况来进行实时感知以及决策，按照规划的结果来实施安全且平滑的运动，同时适当的对移动速度进行调整，具有反应速度快的优势，能够对实时性要求进行充分满足。控制系统可采用自主模式、半自动模式、手动模式来实现。导航系统主要是智能轮椅上的导航技术利用传感器检测环境信息，创建环境空间模型，对轮椅的具体位置及方向进行获取，进而对运动路径进行有效的规划，对运动路径进行适时调整，同时对运动路径进行实时跟踪，导航具有交互性及安全性的特点。人机交互技术是智能轮椅技术中最关键的技术之一，设计者对人机接口进行设计时，需要把用户的身体状况、心理状况、认知能力等进行综合全面考虑，对自身的不足进行改善与弥补，将主动性充分发挥出来，实现用户和智能轮椅之间的完美合作，这就需要设计者在设计人机接口时，要把握好人性化、多样化的原则。

近几年来，我国智能轮椅的研究取得了很大的进步，但是仍需要不断的努力，逐步突破初期开发的状态。目前，智能轮椅的研究基本上仍停留在实验室、展台、少数定做的状态中，并未进入大批量生产的阶段，智能轮椅的研究与发展空间还是非常大的，在研究与发展的过程中，要把握以下原则。首先是自然化与智能化原则，现阶段，轮椅用户主要是简单控制轮椅的状态，没有实现自然交互的目标以及智能化的目标。在接下来的研究中，必须要借助更多的人机交互接口来实现智能技术的综合应用，对控制算法进行不断优化，人机之间的沟通与交流更加充分。其次，人性化和安全性原则，在日后的研究与探索中，要对行动不便的用户的实际需求进行充分全面的考虑，创建有效的安全保障系统，比如说，在空间狭小的环境中进行停放、自动避障、自动停放、目标跟随等，实现多种控制器的融合，提高系统在未知环境中的适应性，做出快速反应，尽量避免发生危险，积极寻找最优行进路线。最后，产品化和模块化原则，现阶段，智能轮椅中包含的很多算法是不成熟的，这就需要对高精度的硬件设施产生依赖，无形之中增加了成本投入。如果想要实现智能轮椅生产的批量化，形成产业链，必须要对运算的速度以及精度进行全面提升，同时提高控制行为的可靠度，减少硬件设备方面的支出，促进性价比的提高。与此同时，实现智能轮椅不同功能的模块化，不同的模块对应不同的功能，为不同的用户配置个性化的智能轮椅。

在经济与科技快速发展的背景下，智能轮椅将实现安全可靠性的逐步提升，从功能来看，也将越来越丰富、全面，在未来的研究与探索中，智能轮椅会实现类型的多样化以及价格的合理化，为行动不便的群体提供便利，提高其生活质量，造福于智能轮椅的使用者。

3 研究内容

我们小组初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动，速度控制及避障等。随着查阅文献和深入思考，将大量机器人技术用于轮椅，智能轮椅在简单低效的基础上，有更好的适应性和自主性，独有的语音识别功能，大大增加了使用者与轮椅之间交互的方式，使轮椅的功能更加全面高效，保证了使用期间的通讯功能。在此基础上，改善了轮椅的色彩单调性，在外观上给人以舒适感和美感。结构简洁，结实轻巧，外形符合人体工学，并且选择硬度较高的材料，保证轮椅在使用过程中的安全性能。智能轮椅是将智能机器人应用于普通轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉，机器听觉及机器人导航和定位控制系统。[6]

随着智能轮椅的出现，路径规划问题也同时产生，在研究智能轮椅的过程中，社会各界都对路径规划问题进行了高度关注。特别是在智能化水平提升以及硬件设备水平提升的基础上，智能轮椅的路径规划问题受到了更高的重视。科学合理的路径规划是保障轮椅安全行进的前提条件。传统轮椅通过人为方式来掌握轮椅行进的方向，而智能轮椅可以实现轮椅的自主性运动，使用者的生活质量得到显著提升。智能轮椅对行进路线的规划并不是按照人的意识来进行的，而是根据其内部的路线规划系统来实现规避障碍物的。在相关路径得到有效规划后，智能轮椅就会根据制定好的路径来实施运动，对智能轮椅的安全性进行保障。在规划智能轮椅路径时，设计人员要结合用户的反馈与建议来对现有的问题进行有效处理。通常情况下，智能轮椅会通过超声传感器来规划路径问题，超声传感器利用超声波来有效的识别障碍物，实现用户对智能轮椅的正确使用。老年人及残障人士的出行及运动需要借助智能轮椅，可以说，智能轮椅对他们具有十分重要的意义。目前，智能化轮椅基本上都是一体化智能设备，如果说在后期来二次优化路径问题，实现难度是非常大的，所以，相关设计人员及技术人员要更加重视路径规划的优化问题。

智能轮椅的创新点主要有以下几点：（1）安装有语音交互及操控系统，既可以增加使用者与网络、外界的通讯功能，又可以随时控制其功能状态；（2）在遇到斜坡、楼梯等障碍时，可以通过声控来启动其避障功能或改变其前进、后退的速度和方向等；（3）久坐僵直难耐时，患者可以通过声控来调节轮椅角度，角度可以随意调节，决定是调换成斜靠背式或者平躺式，不仅仅适合老年患者、瘫痪等残障人士，更加适合上肢功能障碍的患者。

4 创业愿景

随着建设创新型国家进程的不断推进，《国家中长期人才发展规划纲要》的出台，提升大学生创新能力建设、培养创新型人才的要求进一步提高到当前大学生培养的日程。[7]现如今是一个创新的年代，未来社会迫切需要具有创新创业能力的人才，大学生占据高等教育的主导地位，是社会向前发展的动力，需要号召大学生积极响应，与新时代发展要求相适应。一方面大学生创新创业有利于激发学生的潜能，激进他们的好奇心，然后通过观察周围的事物结合新时代的发展要求来开发创新新鲜的东西，并且实现自身的自我价值。另一方面，从心理上讲，大学生创新创业可以使自己建立更大的自信，对未来充满期待与信心，不畏惧困难；从理论技术上讲，可以使大学生学到很多基础的理论知识，并且建立更加丰富的理论基础。然而大学生创新创业还存在很多不足的地方。由于大学生缺乏实践经验，难免无法做到完美的决策，并且大学生资金来源短缺，很难建立起核心的价值体系。

柏丁兮等的研究表明：创新创业教育是顺应国家时代发展的需求，在护理领域中，从实践教学着手，开展护理技能操作的创新创业实践教学模式有着重要意义。[8]护理学本科生的创新创业教育还需要不断改进和完善，让学生成为符合时代发展的复合型人才，而不是将自己的发展固定在专业护理的唯一定位上。而在当今互联网+背景下，进行“理论、实践、实战”三位一体教育，需要老师在创业指导中做到：理论、实践、实战的综合性战略，利用这样的模式切实提高护理专业学生的创业能力。[9]随着市场经济在我国的进一步深入发展，政策的导向会对大学生创业带来更加有利的因素。开展大学生创新创业训练促进学生全面发展成才，促进高校转变教育思想观念、改革人才培养模式，有助于培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。