李治國(guó) 韓青松 馮海全 劉長(zhǎng)增 鞏勇智

【摘 要】目前對(duì)于電動(dòng)輪椅的操控行為基本上使用操控手柄來(lái)完成。利用身體動(dòng)作控制電動(dòng)輪椅的操控技術(shù)尚處于起步階段，為了對(duì)其操控性進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)，需要利用試驗(yàn)比較的方法來(lái)予以論證。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該操控系統(tǒng)符合人體使用習(xí)慣，相對(duì)于傳統(tǒng)的操控方式，不存在明顯的操控障礙。該研究成果為電動(dòng)輪椅的操控性能以及使用者的選擇提供了科學(xué)的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)輪椅;傳感器;操控性;實(shí)用性;控制

Study on the Manipulation Performance of Electric Throne

LI Zhi-guo HAN Qing-song FENG Hai-quan LIU Chang-zeng GONG Yong-zhi

（College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot Inner Mongolia 010051， China）

【Abstract】The manipulation of electric throne was mainly done by control handle. Because of the manipulation technology of controlling electric throne was still in its infancy by body movements， the method of comparison trial was used in order to evaluate manipulation performance. The result showed that the manipulation system accorded with the habit of human body and the manipulation disorder was non-existent compared with the traditional control mode. The result can provide scientific basis for manipulation performance and the user choice.

【Key words】Electric throne;Sensor;Manipulation performance;Practicality;Control

0 引言

隨著國(guó)民生活水平的提高，老年人的健康機(jī)械逐步由簡(jiǎn)易初級(jí)向人性化，機(jī)電一體化方向發(fā)展。電動(dòng)輪椅就是這樣一個(gè)產(chǎn)物。它在傳統(tǒng)手動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上，增加動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、操控裝置、電池等部件組成。電動(dòng)輪椅非常適合行動(dòng)不便的老年人和殘疾人，電動(dòng)輪椅因其操作簡(jiǎn)單方便正在逐步被廣泛使用。

由于操控桿式控制方法非常符合使用者的主觀感覺(jué)，大部分電動(dòng)輪椅采用操控桿進(jìn)行控制[1-2]。然而，作為一個(gè)利用手臂進(jìn)行操控的控制方式，對(duì)于手臂不夠靈活的使用者，或者利用手臂實(shí)現(xiàn)其他操作的場(chǎng)合，操控桿就顯得并不實(shí)用。這就需要其他方式來(lái)代替操控桿，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的控制。目前較為常見(jiàn)的方式有聲控、面部方向識(shí)別、腦電波以及身體動(dòng)作方式[3]。聲控方式[4-6]需要用語(yǔ)言來(lái)控制設(shè)備，對(duì)發(fā)音的精準(zhǔn)度有很高要求，操控系統(tǒng)需要熟悉使用者的發(fā)音習(xí)慣，對(duì)語(yǔ)言的精確識(shí)別和及時(shí)控制目前還有一定的困難。面部識(shí)別方式[7-8]是以面部的方位進(jìn)行識(shí)別，為配合傳感器，使用者需要保持某種面部方向，對(duì)使用者形成心理負(fù)擔(dān)。腦電波方式[9-10]是未來(lái)控制領(lǐng)域的先進(jìn)發(fā)展方向。但是，由于技術(shù)尚處于起步階段，很多內(nèi)在規(guī)律的研究尚不完善，達(dá)到常規(guī)應(yīng)用還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

身體動(dòng)作進(jìn)行控制的方式[11-13]是，利用使用者身體的某種動(dòng)作，針對(duì)輪椅進(jìn)行移動(dòng)方向和速度的控制。該方式針對(duì)行動(dòng)不便，手臂的控制能力不足，身體的整體尚可以進(jìn)行重心移動(dòng)的患者，或者身體健康，但是不方便使用手臂的用戶實(shí)現(xiàn)短距離移動(dòng)。

1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

身體動(dòng)作方式具有類似于操控桿操作的直觀感，比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的速度和方向的控制。在本研究中，將身體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的控制與傳統(tǒng)的操控桿方式控制進(jìn)行比較，證實(shí)本操控方式的有效性。

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)5 m×5 m的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)區(qū)域和L型空間如圖1所示。參與者年齡在20至30歲之間，人數(shù)為20人。身體動(dòng)作操控方式實(shí)驗(yàn)時(shí)假想手臂不方便的情況，將手臂放置于身前的姿勢(shì)，以身體的傾斜來(lái)控制輪椅，完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用“高速”，“低速”兩種速度模式。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

參與者使用身體動(dòng)作方式以低速模式在試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行自主自由行走，無(wú)速度，方向限制，時(shí)間為2分鐘;以低速模式，在指定的L型空間完成折返操作;以高速模式在試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行自主自由行走，無(wú)速度，方向限制，時(shí)間為2分鐘;以高速模式，在指定的L型空間完成折返操作。

參與者使用操控桿按照相同步驟完成操控桿控制方式實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)景圖

1.3 問(wèn)卷調(diào)查

選擇了11對(duì)感性評(píng)價(jià)詞匯，用7段法進(jìn)行了分析。由于關(guān)注對(duì)象是操控性能和乘坐性能，將其作為分析項(xiàng)。操控性能中增加了直行性能、轉(zhuǎn)彎性能、敏感度、疲勞感。乘坐性能中增加了速度、安全感、平穩(wěn)度、舒適度以及和諧度。7段法評(píng)價(jià)，最優(yōu)評(píng)價(jià)時(shí)為7，最差評(píng)價(jià)時(shí)為1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果及討論

圖2所示為低速情況下，使用本系統(tǒng)的身體動(dòng)作控制方式原設(shè)備中使用操控桿的方式所獲得的平均評(píng)價(jià)值。黑色區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在低速的情況下，身體動(dòng)作控制方式與操控桿控制方式相比，操控桿的方式略好于身體動(dòng)作方式?！爸毙行阅堋?，“敏感度”，“速度”三項(xiàng)出現(xiàn)了5%的有意差。

這表明，低速時(shí)在“直行性能”上，操控桿方式優(yōu)于身體動(dòng)作方式。同時(shí)，操控桿方式由于更容易控制速度的增減，所以對(duì)“敏感度”，“速度”的評(píng)價(jià)值也高于身體動(dòng)作方式。當(dāng)然，由于問(wèn)卷調(diào)查的設(shè)置中，將“速度”一項(xiàng)中評(píng)價(jià)為7分的選項(xiàng)設(shè)置為“非?？臁保?為“非常慢”，而“敏感度”一項(xiàng)中評(píng)價(jià)為7分的選項(xiàng)設(shè)置為“非常敏感感”，1為“非常遲鈍”，所以嚴(yán)格意義來(lái)講，并不能認(rèn)為“敏感度”，“速度”評(píng)價(jià)值高的操作方法就是評(píng)價(jià)高的一方。而其它選項(xiàng)的評(píng)價(jià)均為相同等級(jí)的評(píng)價(jià)。

圖3所示為高速情況下，使用本系統(tǒng)的身體動(dòng)作控制方式原設(shè)備中使用操控桿的方式所獲得的平均評(píng)價(jià)值。

在高速狀態(tài)下，身體動(dòng)作操控方式與操控桿方式?jīng)]有明顯區(qū)別，各個(gè)評(píng)價(jià)值之間均未出現(xiàn)5%的有意差。這一結(jié)果表明，在高速狀態(tài)下，兩種操控方式在操控感和乘坐舒適度方面沒(méi)有明顯差別。

綜上所述，本操控方法在諸多與操控感和乘坐舒適度方面與操控桿方式?jīng)]有差別，從而證明本操作方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.2 L形空間行走比較試驗(yàn)結(jié)果及討論

L型空間的折返實(shí)驗(yàn)

身體動(dòng)作方式與操控桿方式的低速和高速完成折返實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。折返實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)參與者在很短的時(shí)間內(nèi)，基本掌握了操作方法，在合理的時(shí)間內(nèi)完成了要求的操作。

L形空間的行走時(shí)間如表2所示。

表1 低速折返實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單位 （s）

L形空間的行走結(jié)果表明，無(wú)論是低速還是高速，身體動(dòng)作控制的操控方式均慢于操控桿的方式。這表明，由于實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)者對(duì)操控桿的方式更為熟悉，從而能夠更加從容地對(duì)設(shè)備進(jìn)行速度與方向的控制。而身體動(dòng)作的方式，由于需要全身的傾斜來(lái)完成，相對(duì)于操控桿的方式，其操作難度必然要高一些。同時(shí)也必須考慮，操控桿方式十分普遍，大部分體驗(yàn)者之前就已經(jīng)比較熟悉此類方式。而身體動(dòng)作控制的方式僅僅經(jīng)過(guò)幾分鐘的練習(xí)，就能夠比較熟練地控制設(shè)備，完成行走的時(shí)間不到操控桿形式的2倍。可以預(yù)見(jiàn)，如果進(jìn)行進(jìn)一步的練習(xí)，提高熟練程度，其操控性能的評(píng)價(jià)將進(jìn)一步提高。

3 總結(jié)

（1）通過(guò)身體動(dòng)作操控電動(dòng)輪椅技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了利用傾斜傳感器操控電動(dòng)輪椅的可行性，該操控系統(tǒng)非常符合使用者對(duì)電動(dòng)輪椅移動(dòng)需求的直觀感受，并且在很短的時(shí)間內(nèi)能夠較熟練地掌握其操作要領(lǐng)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然身體動(dòng)作操控的方式相對(duì)于操控桿方式用時(shí)較多，但是操控感及乘坐性能沒(méi)有明顯差距。

綜上所示，本研究中使用的身體動(dòng)作操作方式是可行的，具有實(shí)用意義。

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