田 園，許曉云，韓雪晶，宣伯凱

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

目前為行走功能障礙者設(shè)計(jì)的室內(nèi)移動工具有輪椅、代步車、護(hù)理床等，主要依靠他人推拉的方式運(yùn)動，或采用方向盤、手柄、按鍵等方式控制其運(yùn)動.上述各類操控方式均存在著一些缺陷，如：不易學(xué)習(xí)、操作復(fù)雜、操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、容易誤操作、存在安全隱患等.

首先，室內(nèi)無障礙智能助行器是為下肢殘障者以及老年性疾病等行走功能障礙者設(shè)計(jì)的室內(nèi)智能代步工具.其用戶人群屬于弱勢群體，行動不便、內(nèi)心敏感，非常需要生理和心理上的輔助.所以，他們需要一種易用、高效、安全、舒適的無障礙室內(nèi)智能助行器.其次，室內(nèi)助行器的使用環(huán)境主要為家庭、療養(yǎng)院、醫(yī)院等室內(nèi)環(huán)境，與室外環(huán)境相比，空間窄小、障礙物多、直行距離短、轉(zhuǎn)向多.需要更加靈活、高效、合理的運(yùn)動操控方式.本文主要研究自平衡控制方式在室內(nèi)無障礙智能助行器運(yùn)動操控設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

1 自平衡控制系統(tǒng)在室內(nèi)移動系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 自平衡控制系統(tǒng)在室內(nèi)移動系統(tǒng)中的可應(yīng)用性分析

自平衡控制方式是：以內(nèi)置的陀螺儀來判斷助行器所處的姿勢狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅?qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的效果.其中，陀螺儀是一種利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置，以及利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置.最早用于航海導(dǎo)航，后來在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用.此外，該技術(shù)正在向日常民用產(chǎn)品領(lǐng)域邁進(jìn)，如手機(jī)等移動便攜設(shè)備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術(shù)）通過動作感應(yīng)控制游戲等，又如本田的自平衡U3-X獨(dú)輪車.由此可見，該技術(shù)已非常成熟，具有很高的可實(shí)現(xiàn)性和可靠性（圖1，圖2）.

圖1 本田的自平衡U3-X獨(dú)輪車Fig.1 Self-balancing U3-Xunicycle of Honda's

圖2 手機(jī)的動作感應(yīng)游戲Fig.2 Motion-sensingga mesinphone

圖3 為帶有自平衡系統(tǒng)的助行器在坡度為 的路面上行駛的動力學(xué)分析模型.假設(shè)某時(shí)刻系統(tǒng)相對豎直方向有一傾角，且在輪上施加一順時(shí)針方向的力矩 =0，使其沿坡面向上加速滾動，由于慣性，車身將有可能不繞車軸 發(fā)生轉(zhuǎn)動，而只發(fā)生平動.此時(shí)，路面對車輪的靜摩擦力0為臨界驅(qū)動力.忽略空氣阻力和車輪滾動阻力，可以得到0和0具有以下關(guān)系1：

其中：0為臨界驅(qū)動力矩；0為臨界驅(qū)動力；2為車輪質(zhì)量； 為車輪半徑.對于 =0時(shí)的臨界驅(qū)動力0，文獻(xiàn) [4]給出了其表達(dá)式，即

其中：1為車身 (包括駕駛員)質(zhì)量.當(dāng) ≠0時(shí)0具有更一般的形式，即

式 (2)是式 (3)在 =0時(shí)的特殊情況.將式 (3)代入 (1)，得

若使 gt;0，車身將繞輪軸 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，最終回到豎直位置.

1.2 自平衡控制系統(tǒng)在室內(nèi)移動系統(tǒng)應(yīng)用中的特點(diǎn)

目前國內(nèi)外在無障礙助行器研究領(lǐng)域，已研發(fā)出許多先進(jìn)的操控系統(tǒng)，但效果卻不盡如人意.操縱桿控制方式指示方向明確簡單，是電動輪椅的標(biāo)準(zhǔn)配置，因此在多數(shù)智能代步器上都仍然保留了這一人機(jī)接口.但是在使用者手部存在病理性顫動的情況下，采用普通操縱桿將無法正常地操縱輪椅.而觸摸屏、菜單等方式雖然運(yùn)動方向明確、控制較精確，但其缺點(diǎn)是不夠靈活、操作較為復(fù)雜.語音控制、呼吸控制等方式易受環(huán)境和個體差異干擾，信號識別的準(zhǔn)確性很低.

圖3 自平衡系統(tǒng)受力分析Fig.3 The force analysis of self-balancing system

而自平衡控制方式可以較好地克服以上缺點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：

1）可以快速、靈敏地感應(yīng)到用戶發(fā)出的信號，并發(fā)出指令；

2）無需手柄、方向盤、按鍵等復(fù)雜操作附件；

3）操控直觀，易于理解.

2 基于自平衡的助行器用戶重心操控方式設(shè)計(jì)

2.1 用戶重心操控方式設(shè)計(jì)

2.1.1 用戶重心操控方式原理

用戶重心操控方式是一種完全解放雙手的操控方式.只依靠用戶身體重心的偏移，對室內(nèi)智能助行器進(jìn)行運(yùn)動操控（如圖4）.

運(yùn)作原理主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”（Dynam ic Stabilization）的基本原理上，也就是助行器本身的自動平衡能力.內(nèi)置的陀螺儀檢測重心的變化產(chǎn)生的傾角，基于傳感器數(shù)據(jù)，智能助行器內(nèi)部計(jì)算機(jī)辨別出用戶的運(yùn)動方向和速度，通過驅(qū)動控制機(jī)體可作出與人體重心傾斜相對應(yīng)的反應(yīng)，達(dá)到平穩(wěn)又不失敏捷的動作，實(shí)現(xiàn)僅憑借身體重心的移動就可自由移動的簡易操作.

圖4 用戶重心操控助行器Fig.4 Center of gravity manipulation walker

假設(shè)我們以助行器上的用戶與車輛的總體重心縱軸作為參考線.當(dāng)這條軸往前傾斜時(shí)，助行器上的內(nèi)置電動馬達(dá)會產(chǎn)生往前的力量，一方面平衡人與車往前傾倒的扭矩，一方面產(chǎn)生讓車輛前進(jìn)的加速度，相反的，當(dāng)陀螺儀發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)说闹匦耐髢A時(shí)，也會產(chǎn)生向后的力量達(dá)到平衡效果.如圖5所示，助行器加速度的方向與用戶身體及車的重心的傾斜方向一致，可以起到加速或減速的作用.因此，駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的傾角，助行器就會根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)或后退，而速度則與駕駛?cè)松眢w傾斜的程度呈正相關(guān).

2.1.2 重心傾角測量與輪椅控制

綜合考慮安全性、傳感器價(jià)格、檢測有效性、傳感器反應(yīng)速度及其推廣等各方面因素,采用單個陀螺儀來檢測車體平臺的運(yùn)行姿態(tài).傳統(tǒng)的陀螺儀主要用于測量角位移，而MEMS陀螺儀可以測量以度每秒為單位的角速度，包含角度、角速度的綜合運(yùn)動信息.本課題采用的是村田NEC-03陀螺儀（如圖6所示）.

陀螺儀傳感器將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號.傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化.而村田NEC-03陀螺儀的工作原理是利用科里奧利力--旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動時(shí)所受到的切向力（如圖7所示）.在徑向沒有運(yùn)動的物體是不會引起科里奧利力的.當(dāng)一個被驅(qū)動的物體不斷反復(fù)做徑向運(yùn)動或者震蕩時(shí)，與它的科里奧利力就會不斷地在它的橫坐標(biāo)反復(fù)變化，并可能引起運(yùn)動物體在橫向產(chǎn)生輕微震蕩，其相位角度與驅(qū)動力的角度相差90°.

村田NEC-03陀螺儀具有2個不同方向的電容板，并且是可移動的.徑向的電容板得到相應(yīng)的震蕩電壓后會驅(qū)使物體向徑向運(yùn)動，橫向的電容板是用來測量當(dāng)物體運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的科里奧利力所引發(fā)的電容變化.利用科里奧利力正比于角速度的原理，通過電容的變化準(zhǔn)確得出角速度的大小.

MEMS陀螺儀測得的是電壓值，利用公式 (5)將電信號轉(zhuǎn)換為角速度信號，然后利用公式 (6)對其積分就可得角度.

圖5 用戶重心操控方式示意圖Fig.5 Usage of center of gravity manipulation walker

行進(jìn)過程中，用戶可以將自己的身體重心往左右傾斜，利用自身重量所產(chǎn)生、與車身縱軸垂直的分量，作為轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的.或由中央微處理器發(fā)布指令，使助行器左右車輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，例如當(dāng)用戶向右轉(zhuǎn)時(shí)，左輪的轉(zhuǎn)速會比右輪快，達(dá)到向右轉(zhuǎn)的效果（如圖8）.必要時(shí)，甚至可以做出一側(cè)輪向前一側(cè)輪向后的動作，達(dá)到原地轉(zhuǎn)向的效果，因此大幅提升其在室內(nèi)狹小環(huán)境移動的機(jī)動性.

用戶常常需要為達(dá)到舒適性而調(diào)整身體姿態(tài)，此時(shí)雖然重心發(fā)生了偏移，但并不意味著要立刻發(fā)出操控指令.設(shè)置運(yùn)動感應(yīng)開關(guān)，利用微處理器對用戶行為的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷以發(fā)出準(zhǔn)確的指令，在一定傾角范圍內(nèi)保持平衡.

圖6 村田NEC-03陀螺儀Fig.6 Murata NEC-03 gyro sensor

2.1.3 助行器操控安全性設(shè)計(jì)

操控安全性設(shè)計(jì).安全方面的設(shè)計(jì)包括3個方面：1）國家規(guī)定電動輪椅的行走速度不能超過8 km/h，而正常人平均步行速度在5～7 km/h左右，因此速度設(shè)計(jì)為4～8 km/h，基本處于低速狀態(tài).用戶可以隨時(shí)調(diào)整自己的坐姿重心，以控制運(yùn)動的速度和方向.即使出現(xiàn)操控錯誤，也可以立即發(fā)現(xiàn)并糾正，可以滿足"少犯錯"的要求.由于該產(chǎn)品用戶是殘障者和老年人，自我調(diào)整和救助的能力很低，所以不僅需要"少犯錯"，還需要在"犯錯"時(shí)不會造成不可挽救的后果.2）提高微處理器對用戶的行為反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷的能力，防止對用戶的非指令性行為產(chǎn)生誤判斷，增加準(zhǔn)確性和可靠性.3）增加安全帶等保護(hù)裝置，提高安全性，可以以大量的安全實(shí)驗(yàn)作為依據(jù)，設(shè)計(jì)配套的警告系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng).

2.2 用戶重心操控方式的優(yōu)勢

2.2.1 用戶重心操控方式與人

下肢殘障者以及老年性疾病等行走功能障礙者，均屬于弱勢群體，行動不便、內(nèi)心敏感，非常需要生理和心理上的輔助.障礙室內(nèi)智能助行器是以人為中心的產(chǎn)品，因此，它的操控系統(tǒng)并不是設(shè)計(jì)的自主性越高越好，而是應(yīng)該考慮到使用者的身體特點(diǎn)，有效地補(bǔ)償其不足，充分發(fā)揮其主動性.需要考慮使用者的生理特點(diǎn)以及在各種情況下的心理反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)助行器與使用者之間的和諧合作機(jī)制.

基于自平衡的用戶重心操控方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）易用性：用戶很容易能學(xué)習(xí)掌握如何使用產(chǎn)品，且在隔一段時(shí)間（幾天或幾個月）后，再次使用，不需學(xué)習(xí)就能自如操作.該操控方式簡單直觀，非常適合老年人等學(xué)習(xí)、接收能力不強(qiáng)的用戶.用戶只要稍加觀摩或試驗(yàn)，即可迅速掌握使用要領(lǐng).

且其操作時(shí)的行為模式和人的本能是很接近的：當(dāng)人在希望快速前進(jìn)時(shí)，上身會主動前傾；希望減速時(shí)，會上身重心后移；后退行走時(shí)，頭部會后仰；左右轉(zhuǎn)彎時(shí)，身體會側(cè)傾.

日本著名產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，家用電器和日用雜物設(shè)計(jì)品牌"±0"的創(chuàng)始人深澤直人首次提出的一種設(shè)計(jì)理念，"無意識設(shè)計(jì)"（WithoutThought）又稱為"直覺設(shè)計(jì)"，即："將無意識的行動轉(zhuǎn)化為可見之物".基于自平衡的用戶重心操控方式設(shè)計(jì)，很好地詮釋了該設(shè)計(jì)理念，將行走功能障礙者的直覺轉(zhuǎn)化為行動.

2）高效性：使用有效且高效，不僅能很快實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，還能解放雙手.該操控方式靈活簡便，只需身體重心稍加偏移，就能夠很快實(shí)現(xiàn)對方向、速度的控制，使用戶順利完成室內(nèi)移動.傳統(tǒng)的操控方式，無論是方向盤、手柄、按鍵或觸摸屏，都需要用戶用手進(jìn)行操作.而此操控方式不占用雙手，用戶可以同時(shí)完成持物等其他動作，提高行為效率.

2.2.2 用戶重心操控方式與環(huán)境

無障礙室內(nèi)智能助行器的使用環(huán)境主要為家庭、療養(yǎng)院、醫(yī)院等室內(nèi)環(huán)境，與室外環(huán)境相比，具有空間窄小、障礙物多、直行距離短、轉(zhuǎn)彎多等特點(diǎn).該操控系統(tǒng)靈活便利，在運(yùn)動的開始及終止、方向控制、速度控制三個方面快捷靈活，都十分適合室內(nèi)環(huán)境，可以保障其對室內(nèi)環(huán)境的安全性，避免用戶及助行器與環(huán)境發(fā)生沖突.

3 用戶重心操控方式設(shè)計(jì)研究的意義

用戶重心操控方式設(shè)計(jì)研究，具有如下意義：

1）用戶可以借助此操控方式，在室內(nèi)自如移動，進(jìn)行普通人可以完成的室內(nèi)移動形式，達(dá)到“行走”的目的；

2）幫助用戶改善生活方式、提高生活質(zhì)量、樹立自信心.用戶可以簡單輕松地使用這種基于用戶重心操控方式的無障礙室內(nèi)智能助行器，無需特殊的技能訓(xùn)練，即可自由移動同時(shí)，手部還可以持物、工作，如抱著寵物、端著杯子等；

3）無需依靠手部進(jìn)行操作，擴(kuò)大受益人群.該操控方式無需依靠手部進(jìn)行操作，所以部分失去手部功能的殘疾者或手部功能嚴(yán)重退化的老年人也可使用，擴(kuò)大受益人群；

4）減輕護(hù)理者負(fù)擔(dān)，促進(jìn)家庭與社會的和諧發(fā)展.通過這種操控方式，用戶可以自主移動助行器，并獨(dú)立完成更多的動作，為護(hù)理者減輕負(fù)擔(dān).有利于減輕家庭以及醫(yī)院、療養(yǎng)院等社會性單位的負(fù)擔(dān)，促進(jìn)其和諧發(fā)展.

4 結(jié)語

本文基于自平衡控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到無障礙室內(nèi)智能助行器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了用戶重心操控方式，并分析其特征，論證其符合用戶及使用環(huán)境要求.

在以后的研究工作中,還要考慮到用戶的無意識行為及環(huán)境因素的影響來完善控制策略.平衡控制系統(tǒng)將逐步應(yīng)用到各種無障礙室內(nèi)智能助行器運(yùn)動操控方式設(shè)計(jì)中，并隨著陀螺儀技術(shù)及機(jī)電一體化的發(fā)展得到進(jìn)一步發(fā)展；用戶指令行為判別更準(zhǔn)確，安全性更高，成本更低.

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