曲振波 王飛 張宏揚(yáng)

關(guān)鍵詞：智能輪椅;發(fā)展趨勢(shì);設(shè)計(jì)趨勢(shì)

1 智能輪椅的概念

智能輪椅是一種基于普通人工助力型輪椅，將無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制為核心系統(tǒng)，應(yīng)用了傳感信息融合技術(shù)、語(yǔ)言信息合成與識(shí)別系統(tǒng)、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航移?？刂萍夹g(shù)、智能識(shí)別隨機(jī)避障、自然化人機(jī)交互等技術(shù)，能準(zhǔn)確完成用戶在多種生活場(chǎng)景中環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)和采集、語(yǔ)音交互反饋、智能安全導(dǎo)航等功能的移動(dòng)輔助設(shè)備?，F(xiàn)階段，智能輪椅主要包括站立式電動(dòng)輪椅、升降式電動(dòng)輪椅以及多地形巡航電動(dòng)輪椅等。不同類型的智能輪椅分別輔助用戶完成在不同空間場(chǎng)景下的需求。

2 智能輪椅的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能網(wǎng)聯(lián)化

實(shí)現(xiàn)智能輪椅智能網(wǎng)聯(lián)化需要智能化技術(shù)支持和網(wǎng)聯(lián)化信息融合。智能化技術(shù)能為智能輪椅提供環(huán)境模型感知功能，并在人機(jī)交互反饋的基礎(chǔ)上完成智能決策。網(wǎng)聯(lián)化信息融合可以配合智能化技術(shù)在智能輪椅的信息聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知決策上嵌入，優(yōu)化智能輪椅的控制和感知功能。從最初的人工助力型輪椅發(fā)展到現(xiàn)在的電動(dòng)輪椅，智能網(wǎng)聯(lián)化將提供給智能輪椅一個(gè)嶄新的平臺(tái)，使適用人群有更人性化的移動(dòng)服務(wù)體驗(yàn)。智能輪椅通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)捕捉并感知數(shù)據(jù)和反饋解決方案，協(xié)同用戶的指令達(dá)到智能化水準(zhǔn)。例如，用戶駕駛智能輪椅經(jīng)過(guò)有施工路段時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)獲取路面的障礙信息，同時(shí)多方位傳感器捕捉路障信息，最終綜合路障信息并反饋給用戶多種決策方案，然后通過(guò)用戶的自主評(píng)估進(jìn)行下一步操作。智能網(wǎng)聯(lián)化在服務(wù)用戶互動(dòng)反饋的過(guò)程來(lái)看，將推動(dòng)更多輔助性移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型，成為更多科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

2.2 物聯(lián)數(shù)據(jù)共享

物聯(lián)數(shù)據(jù)共享是通過(guò)捕捉并采集多種感知信息數(shù)據(jù)，再借助人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化分類整合，而整合來(lái)的數(shù)據(jù)集合成數(shù)據(jù)共享池，以方便物聯(lián)產(chǎn)品利用這些數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)智能輪椅的物聯(lián)數(shù)據(jù)共享需要智能網(wǎng)聯(lián)化達(dá)到一定的基礎(chǔ)，使智能輪椅與不同場(chǎng)景的進(jìn)點(diǎn)產(chǎn)品發(fā)生網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，以達(dá)到數(shù)據(jù)共享池的有效積攢，然后基于用戶某種需求時(shí)智能輪椅能在物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池中識(shí)別篩選、采集、反饋準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。智能輪椅形成物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池要基于搭載巡線導(dǎo)航傳感器、超聲波傳感器、氣體傳感器等多方位傳感的系統(tǒng)、鷹眼摹擬測(cè)距系統(tǒng)，智能語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)配合產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)。物聯(lián)數(shù)據(jù)共享保障了用戶使用智能輪椅時(shí)的安全和舒適，比如，用戶行駛智能輪椅在家中工作，此時(shí)室內(nèi)出現(xiàn)火情，智能輪椅所搭載的煙霧傳感器可迅速識(shí)別近點(diǎn)煙霧濃度變化，并立即啟動(dòng)家中滅火設(shè)備并聯(lián)網(wǎng)合成數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)的火情數(shù)據(jù)傳達(dá)至消防站系統(tǒng)，同時(shí)智能輪椅配合用戶決定救火措施和逃離現(xiàn)場(chǎng)路線。將物聯(lián)數(shù)據(jù)共享模式作為科技產(chǎn)品研發(fā)的核心方向，可形成更完善的產(chǎn)業(yè)跨界生態(tài)圈。

2.3 場(chǎng)景路徑記憶細(xì)分

場(chǎng)景路徑記憶細(xì)分基于智能輪椅已多次識(shí)別路障信息且建立多次有效環(huán)境模型，并記錄路徑始末點(diǎn)，能重疊篩選出精細(xì)且優(yōu)化的巡航路線[1]。智能輪椅儲(chǔ)存的環(huán)境模型信息與搭載的多種視覺和非視覺傳感器相互聯(lián)動(dòng)，能減小實(shí)時(shí)識(shí)別路障信息的誤差，進(jìn)而通過(guò)巡航傳感器高效完成定點(diǎn)巡航路線指令。場(chǎng)景路徑記憶信息通過(guò)細(xì)分之后，可提供給用戶既便捷又人性化的功能，并在路徑末點(diǎn)位置直接提示給用戶智能輪椅特定的功能支持。正如用戶居家活動(dòng)的定點(diǎn)信息，用戶要去廚房的高位櫥柜拿取碗筷等餐具，起始點(diǎn)在客廳的隨機(jī)巡航點(diǎn)上，此時(shí)智能輪椅可從已儲(chǔ)存的場(chǎng)景路徑記憶細(xì)分信息中直接提取最優(yōu)路線，配合智能輪椅實(shí)時(shí)感知路障信息，準(zhǔn)確抵達(dá)廚房定位點(diǎn)后，啟動(dòng)智能輪椅升降等特定功能預(yù)設(shè)。通過(guò)環(huán)境建模和路徑規(guī)劃算法建立場(chǎng)景路徑記憶細(xì)分，真正解決了不同生理機(jī)能用戶的特殊需求，同時(shí)為各類智能移動(dòng)機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)巡航功能提供了更具潛力的發(fā)展空間。

3 智能輪椅的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

3.1 模塊化設(shè)計(jì)

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)趨勢(shì)可以解決智能輪椅主體設(shè)計(jì)的功能目標(biāo)多方位、多結(jié)構(gòu)層次，同時(shí)優(yōu)化主從關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。未來(lái)智能輪椅的設(shè)計(jì)會(huì)依附于智能網(wǎng)聯(lián)化系統(tǒng)、物聯(lián)數(shù)據(jù)共享池以及場(chǎng)景路徑記憶細(xì)分機(jī)制，并結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)流程，使智能輪椅達(dá)到規(guī)模定制化的發(fā)展水平。

模塊化設(shè)計(jì)方式可以解決智能輪椅功能目標(biāo)多方位的問(wèn)題，使各項(xiàng)功能合理運(yùn)行并發(fā)揮即時(shí)有效的作用，同時(shí)也能優(yōu)化智能輪椅整體結(jié)構(gòu)的合理性[2]?，F(xiàn)階段智能輪椅具備智能語(yǔ)音識(shí)別、多方位傳感器信息融合、應(yīng)急緊急制動(dòng)、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航移停控制、智能識(shí)別隨機(jī)避障等多領(lǐng)域開發(fā)的復(fù)合功能，其結(jié)構(gòu)重點(diǎn)體現(xiàn)在座椅結(jié)構(gòu)、后置驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)、前置導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)三大部分。模塊化設(shè)計(jì)正是將智能輪椅的功能與結(jié)構(gòu)合理地關(guān)聯(lián)起來(lái)，促進(jìn)智能輪椅產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、高效化地生產(chǎn)，能讓適用人群使用得更舒適安全，同時(shí)方便在用戶群體中更好地獲取產(chǎn)品迭代創(chuàng)新的反饋信息。例如，智能輪椅將集合化設(shè)計(jì)的電池組與驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)相互配合并優(yōu)化空間占比，進(jìn)而擴(kuò)大座椅結(jié)構(gòu)和后輪結(jié)構(gòu)之間的升降空間，同時(shí)利用座椅結(jié)構(gòu)與前輪結(jié)構(gòu)之間的部分空間可開發(fā)儲(chǔ)物功能的結(jié)構(gòu)等，會(huì)極大方便適用人群在不同場(chǎng)合中的需求，提升用戶生活質(zhì)量。在既追求高效又追求人性化的社會(huì)時(shí)代背景下，模塊設(shè)計(jì)必定驅(qū)動(dòng)智能輪椅產(chǎn)業(yè)規(guī)模定制化發(fā)展，也會(huì)在智能制造科技產(chǎn)業(yè)中催生出更廣闊的發(fā)展空間。

3.2 輕量化設(shè)計(jì)

隨著在眾設(shè)計(jì)領(lǐng)域中綠色設(shè)計(jì)理念被廣泛認(rèn)可，輕量化設(shè)計(jì)研究方向受到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)工作者和科研人員的重點(diǎn)關(guān)注。智能輪椅結(jié)構(gòu)的輕量化可以極大降低內(nèi)部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及其他受力結(jié)構(gòu)的重量，給予用戶更優(yōu)越的操控體驗(yàn)和更穩(wěn)定的續(xù)航能力。

智能輪椅的輕量化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)和合理應(yīng)用輕量化材料這兩個(gè)層面上。智能輪椅結(jié)構(gòu)精細(xì)化的出發(fā)點(diǎn)可分別放在結(jié)構(gòu)尺寸合理優(yōu)化、整體或局部形狀優(yōu)化、跨學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)。其中結(jié)構(gòu)尺寸合理優(yōu)化需在提升智能輪椅乘載壓力和振動(dòng)頻率的前提下，針對(duì)部分結(jié)構(gòu)合理化減重;而整體或局部形狀優(yōu)化應(yīng)充分利用材料的基本特性，使形狀優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽鐑?yōu)化以達(dá)到受力均勻的目的;跨學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)則需要將多學(xué)科的復(fù)雜問(wèn)題拆分后量化，并針對(duì)量化后的子問(wèn)題得出優(yōu)化方案。而智能輪椅合理應(yīng)用輕量化材料則著重利用特殊肌理處理后的強(qiáng)化鋼材、合金材料、納米級(jí)塑料和復(fù)合材料。強(qiáng)化鋼材因其屈服強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、抗碰撞系數(shù)等物理參數(shù)高，智能輪椅結(jié)構(gòu)附加的支撐件等零部件的橫截面積會(huì)大幅減小，智能輪椅整體骨架結(jié)構(gòu)重量也會(huì)降低[3] ;一定比例合成的鋁、鎂合金材料有著重量輕、強(qiáng)度和剛度高的優(yōu)勢(shì)，也是智能輪椅輕量化設(shè)計(jì)時(shí)參選材料范圍;納米級(jí)塑料和復(fù)合材料有著質(zhì)輕、抗紫外線、不易褪色、強(qiáng)度剛度高等優(yōu)異性能，智能輪椅做輕量化設(shè)計(jì)時(shí)需把握選材成本和性能的平衡點(diǎn)。智能輪椅有關(guān)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)價(jià)值很大層面上體現(xiàn)在輕量化設(shè)計(jì)的相關(guān)節(jié)點(diǎn)上，這不僅能夠提供大量創(chuàng)收，還可以提升智能輪椅產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)智能輪椅輕量化需要結(jié)合參選材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨學(xué)科協(xié)同研發(fā)。

3.3 特定人群定向開發(fā)設(shè)計(jì)

智能輪椅在特定人群定向開發(fā)上的突破點(diǎn)在人機(jī)接口和轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)空間兩個(gè)層面。以人體機(jī)能為核心的人機(jī)接口控制系統(tǒng)是智能輪椅主要的操控系統(tǒng)，人機(jī)接口的設(shè)計(jì)不遵循自主性優(yōu)化，是根據(jù)不同適用人群的身體機(jī)能狀態(tài)而有效且充分發(fā)揮其主動(dòng)性操作[4]。人機(jī)接口設(shè)計(jì)重點(diǎn)要對(duì)適用人群的生理和心理特點(diǎn)完善出一套協(xié)同合作機(jī)制。智能輪椅的人機(jī)接口設(shè)計(jì)主要包括操縱桿控制、語(yǔ)音識(shí)別控制、呼吸傳感控制、觸摸屏操作控制、肢體控制、生物信號(hào)波控制等，可方便使用者自主傳達(dá)指令操作，比如，使用者下肢完全失能狀態(tài)且手臂處于半失能狀態(tài)，操縱桿的設(shè)計(jì)就可以利用模糊邏輯算法來(lái)降低因使用者手臂顫抖而產(chǎn)生錯(cuò)誤指令的概率，并完善操縱桿的自動(dòng)阻尼干擾以防止使用者控制導(dǎo)向障礙物。對(duì)于智能輪椅的結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)是適應(yīng)特定人群在使用時(shí)不同生理機(jī)能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，主要體現(xiàn)在智能輪椅的座椅結(jié)構(gòu)和腿部乘放空間結(jié)構(gòu)上，比如，在戶外使用者一般乘坐的輪椅對(duì)比與正常人的身高來(lái)說(shuō)高度要低很多，這造成了用戶很大的心理壓力，會(huì)產(chǎn)生自卑、緊張、焦慮等負(fù)面心理，而如果在智能輪椅的座椅結(jié)構(gòu)上增加升降功能，會(huì)極大降低用戶產(chǎn)生的負(fù)面心理[5]。

通過(guò)對(duì)智能輪椅的人機(jī)接口設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)空間的方式，可逐漸適應(yīng)特定人群不同生理機(jī)能狀態(tài)的需求層次。特定人群定向開發(fā)的設(shè)計(jì)模式將廣泛適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，尤其是輔助性產(chǎn)品設(shè)計(jì)更需要多角度考慮特定人群的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

智能輪椅經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展研究，現(xiàn)階段已經(jīng)成為人工智能發(fā)展領(lǐng)域重要的一環(huán)。隨著各類設(shè)計(jì)理論的完善以及設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，智能機(jī)器人與智能輪椅不斷地相互融合，自然化人機(jī)交互、智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)以及物聯(lián)數(shù)據(jù)共享等發(fā)展理念的產(chǎn)生，會(huì)使智能輪椅更好地輔助適用人群。模塊化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)以及特殊人群定向開發(fā)的設(shè)計(jì)模式也會(huì)促使智能輪椅產(chǎn)生更優(yōu)化的服務(wù)體驗(yàn)。