李哲林，張倩倩，王子涵，朱聰強，李春華

（合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽宣城 242000）

0 引言

隨著老齡化問題的日益嚴重，養(yǎng)老逐漸成為影響國家經(jīng)濟、政治以及社會發(fā)展的重要問題。在這樣的大環(huán)境下，輪椅行業(yè)開始發(fā)揮出越來越重要的作用：當老年人在家康復訓練時，出門時，外出鍛煉活動時，輪椅都是他們重要的移動工具。對于癱瘓、中風以及體弱的老年人，輪椅更是可以幫他們改善生活自理能力，使他們重獲希望從而早日回歸社會，它在塑造積極向上的態(tài)度方面具有非常積極的意義。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出一款集安全、舒適、便捷于一身的新型智能輪椅，其中與麥克納姆輪和云端監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合是它最大的亮點。

1 電動輪椅優(yōu)缺點

電動輪椅問世以來，受到絕大多數(shù)消費者的好評，但其中自然也不乏非。對此進行過長期市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其受眾相對較廣，但電池大都以鉛酸蓄電池為主，雖然可以回收，但是容量太小，因而輪椅體積都較大，移動性、轉(zhuǎn)向性都大打折扣。而最近幾年出現(xiàn)的鋰電池驅(qū)動輪椅，相較而言價格又過高，在短期內(nèi)這個情況還很難改變。同時，現(xiàn)有的電動輪椅既沒有與WiFi 通信相接軌，也沒有GPS 定位，更沒有引進更便于移動的麥克納姆輪。

綜上我們認為，可以站在保障老年人群體與殘障人士切身利益的角度，用創(chuàng)新的眼光和思維，將麥克納姆輪與APP、WiFi通信等專業(yè)技術(shù)相匹配、結(jié)合，在已有輪椅構(gòu)架的基礎(chǔ)上，設(shè)計出更安全、更便捷、更多功能、更適合消費者的智能輪椅。

2 控制系統(tǒng)原理構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)件的選擇

使用NXP 推出基于ARMRCortexR-M4 內(nèi)核、帶有高級外設(shè)的節(jié)能型MCU（LPC546xx MCU Family）設(shè)計輪椅功能。該器件DSP 功能在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中支持復雜算法。能夠靈活地適應(yīng)各種設(shè)計要求變化。智能輪椅需要4 個麥克納姆輪，4 個電機，4個編碼器測速，LPC54606 可以完成此設(shè)計。

2.2 麥克納姆輪移動原理概述

麥克納姆輪的特點是每個輪子都有自己獨立的驅(qū)動電機，在驅(qū)動力和摩擦力共同作用下，車體可以實現(xiàn)向任意方向移動。這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，通過機輪間力的轉(zhuǎn)化，同時依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4 個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。

基于麥克納姆輪新型技術(shù)的全方位運動設(shè)備可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等多種運動方式。在此基礎(chǔ)上通過其研制的設(shè)備非常適合轉(zhuǎn)運空間較有限、作業(yè)通道狹窄的室內(nèi)外環(huán)境。

2.3 系統(tǒng)原理組成

圖1 為項目所研究的實物智能輪椅，該實物僅搭建了主要的機械骨架以及控制電路和相關(guān)的傳感器。項目研究使用其實現(xiàn)了下面所述的相關(guān)功能，該實物僅為驗證思路的載體。

智能輪椅控制系統(tǒng)主要由信息顯示部分、無線通信部分、傳感部分和執(zhí)行機構(gòu)部分四大部分組成。

圖1 智能輪椅實物

圖2 顯示了控制系統(tǒng)的方框圖，其中信息顯示部分的功能主要由觸摸顯示屏發(fā)揮作用，該觸摸顯示屏（以下簡稱操作屏）通過數(shù)據(jù)總線與控制器LPC54606 連接，從而實現(xiàn)指令的輸入和相關(guān)信息的顯示，以達到人機交互的目的。

無線通信部分采用了廣州機智云公司的機智云平臺，使用ESP8266-12F WiFi 芯片作為通信載體，其工作原理是通過串行通信與控制器進行通信，以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息（如環(huán)境感知模塊里的GPS 定位坐標數(shù)據(jù)等），該芯片再將獲取的數(shù)據(jù)通過連接路由器發(fā)送到機智云平臺的服務(wù)器里面，這樣監(jiān)管者移動端就可以調(diào)用相應(yīng)的接口去獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)設(shè)備標識碼的數(shù)據(jù)庫中去。

圖2 控制系統(tǒng)原理方框

傳感部分主要是由一些采集模塊所組成，其中包含GPS 定位模塊、超聲波傳感器和攝像頭模塊等。該部分需要對使用者位置信息進行采集，以及對使用者的視頻監(jiān)控，去確保使用者的安全。另外超聲波模塊和編碼器傳感器地使用以確保系統(tǒng)安全可靠的運行，其中超聲波模塊對障礙進行感知，編碼器對輪椅的車速進行控制。

執(zhí)行機構(gòu)部分是實現(xiàn)輪椅運動的關(guān)鍵部件，其由4 路直流電機和麥克納姆輪構(gòu)成，通過操作屏或者操縱桿使用移動端的控制，發(fā)送控制命令給控制器，繼而控制器再對直流電機進行控制，這樣就可以實現(xiàn)對麥克納姆輪的控制，已實現(xiàn)相應(yīng)的運動，從而避開障礙，靈活移動。

以上就是對系統(tǒng)原理組成的詳細闡述，總的來說，該智能輪椅的系統(tǒng)原理構(gòu)成較為簡潔，可能在實際使用過程中還需要不斷修正和校對，但在實驗階段其已基本實現(xiàn)了上面所闡述的功能。

3 移動端APP 開發(fā)

智能輪椅除了操作屏和操作桿可以控制輪椅以外，還配備了藍牙通信，可實現(xiàn)輪椅使用者使用手機通過藍牙連接輪椅進行控制，以實現(xiàn)更多的功能。

圖3 使用者移動端

圖4 監(jiān)管者移動端

圖5 使用者移動端APP 開發(fā)框架

所提到的移動端包含使用者移動端和監(jiān)管者移動端兩部分，該移動端的開發(fā)語言均采用C++計算機語言，調(diào)用Qt5 跨平臺開發(fā)庫接口，完成移動端APP 的開發(fā)。在設(shè)計中，每一個輪椅都將會有獨一無二設(shè)備標識碼，該設(shè)備標識碼分別用于使用者移動端的登錄和監(jiān)管者移動端的登錄，另外該設(shè)備標識碼也被用于在使用者沒用使用移動端的時候，用于驗證輪椅的用戶信息，以便可以通過操作屏，利用ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片將數(shù)據(jù)進行上傳到相應(yīng)設(shè)備標識碼的數(shù)據(jù)庫中，這樣監(jiān)管者移動端也就可以訪問請求的數(shù)據(jù)。

圖3 顯示了所設(shè)計的使用者移動端APP 界面，特別要說明的是，這里的用戶名與設(shè)備標識碼等同，界面首先會進行身份驗證，以確保信息安全以及對數(shù)據(jù)的上傳。進入控制界面之后，采用虛擬方向輪作為控制輪椅的構(gòu)件，方向設(shè)定完畢以后，在運行過程中也可以通過加減速按鈕，從而進行對輪椅運動速度的控制。在設(shè)置界面，提供緊急呼叫、位置定位和與輪椅通信的藍牙連接設(shè)置等服務(wù)，但由于前期開發(fā)比較粗糙，在功能上還比較單一。

圖4 顯示了所設(shè)計的監(jiān)管者移動端APP，和使用者移動端類似，監(jiān)管端也采用設(shè)備標識碼作為用戶名進行登錄，以保證信息的對稱，監(jiān)管端APP 的功能目前主要用兩種功能：一方面是接收使用端所發(fā)出的警報，另一方面是接收使用端的位置信息。

圖5 和圖6 分別顯示了該系統(tǒng)使用端和監(jiān)管端APP 的開發(fā)框架。

在整個系統(tǒng)開發(fā)中，為每一個智能輪椅都建立了唯一設(shè)備標識碼所對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用來存放其用戶信息、位置信息和狀態(tài)信息等，這樣就可以實現(xiàn)對智能輪椅的云監(jiān)管和智能控制?？偠灾瑑梢苿佣嘶旧弦呀?jīng)滿足了初步設(shè)計的需求。

4 創(chuàng)新點和應(yīng)用價值

采用麥克納姆輪，能夠解決傳統(tǒng)輪椅轉(zhuǎn)彎、掉頭極其不便利的問題，使坐在輪椅上的人可以同正常人一樣自由水平移動，當遇到直角轉(zhuǎn)彎的時候，可以直接水平移動，免去繞直角轉(zhuǎn)動。掉頭的時候也免去繞一大圈運動，可以直接原地掉頭，這樣一來便可以讓殘障人士享受身體健全者的待遇。

輪椅APP 中包含GPS 定位和緊急呼救等多方面功能，既方便監(jiān)護人對家屬的位置監(jiān)控，也便利于獨處時遇到危急時刻，使用者能夠自主求救。

使用人機交互操作屏、操作桿以及移動端控制三種方式控制輪椅運動，使得系統(tǒng)操作更加靈活方便。

5 結(jié)束語

作為創(chuàng)新型實用訓練項目，采用新一代麥克納姆輪作為驅(qū)動輪，使得輪椅結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。智能輪椅系統(tǒng)采用LPC54606 控制芯片、ESP8266WiFi 芯片和藍牙技術(shù)，實現(xiàn)了軟硬件的交互，使得智能輪椅具有環(huán)境信息捕獲、對信息的處理、對數(shù)據(jù)的上傳和存儲等基本功能，另外還采用了人機交互操作屏、操作桿以及移動端控制三種方式控制輪椅運動，使得系統(tǒng)操作更加靈活方便；另外輪椅與移動客戶端相連實現(xiàn)了云監(jiān)測，采用監(jiān)管端APP 對輪椅的狀況進行監(jiān)測，從而有力地確保了輪椅使用者的安全。該智能輪椅的實際應(yīng)用將可為廣大殘障人士帶來更好的服務(wù)，系統(tǒng)經(jīng)過初步驗證已達到了設(shè)計基本的目的。

圖6 監(jiān)管者移動端APP 開發(fā)框架