王北一 ，歐陽(yáng)湛鋒，周昕偉，周梓茵，鄭志鵬，劉小玲，古穎康

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528000）

隨著人口老齡化、慢性疾病和意外傷害等因素的增加，我國(guó)殘疾人口數(shù)量逐年增加，越來(lái)越多的人陷入步行能力減弱甚至喪失的困境。根據(jù)中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)公布的有關(guān)2018年末殘疾人口數(shù)量的推算報(bào)告，我國(guó)仍面臨著較大的殘疾人口規(guī)模，且致殘?jiān)虺尸F(xiàn)多樣化和復(fù)雜化。

智能輪椅作為國(guó)家康復(fù)工程的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，受到各界人士的重視與支持。因此，開(kāi)發(fā)出功能全面、安全可靠、性?xún)r(jià)比高的智能輪椅來(lái)惠及老年人和殘疾人，將對(duì)提高他們的生活質(zhì)量，增強(qiáng)其自理能力，促進(jìn)社會(huì)主義和諧社會(huì)的建設(shè)具有重要意義。但是目前很多傳統(tǒng)的輪椅制造廠(chǎng)商技術(shù)研發(fā)能力有限，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的技術(shù)部門(mén)來(lái)研究多種交互方式的技術(shù)以及將交互方式進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此將各種交互方式技術(shù)模塊化并整合到智能輪椅的控制之中會(huì)有很大需求，同時(shí)也會(huì)為傳統(tǒng)的輪椅制造廠(chǎng)商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)品技術(shù)路線(xiàn)

通過(guò)分析和對(duì)比各種電動(dòng)輪椅系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，我們選擇以STM32為處理核心，設(shè)計(jì)一款具有多種人機(jī)交互模式和輔助功能的智能輪椅。具體的技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品技術(shù)路線(xiàn)

本產(chǎn)品的核心技術(shù)為多種人機(jī)交互模式的設(shè)計(jì)，其中包括頭動(dòng)控制的人機(jī)交互模式。輔助設(shè)計(jì)包括距離檢測(cè)和報(bào)警功能。

頭動(dòng)檢測(cè)基于傳感器的工作原理，目前比較流行的物體姿態(tài)算法為四元數(shù)法，本產(chǎn)品采用四元數(shù)法將三軸加速度和三軸角速度的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用低通濾波去除原始數(shù)據(jù)的干擾。通過(guò)結(jié)合對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)的判斷和角速度的變化，得出是否發(fā)出頭動(dòng)控制指令。

2 產(chǎn)品的組成

2.1 硬件設(shè)計(jì)

多人機(jī)交互方式智能輪椅由人機(jī)接口模塊、電機(jī)控制模塊、測(cè)距模塊、聲音報(bào)警模塊和主控模塊等組成，系統(tǒng)整體硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件設(shè)計(jì)是在Keil5平臺(tái)上使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Keil5軟件目前針對(duì)ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器設(shè)備提供了一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境。Keil5是專(zhuān)為微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款最佳集成開(kāi)發(fā)工具，不僅易學(xué)易用，而且功能強(qiáng)大，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用。

本系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。其軟件實(shí)現(xiàn)方法為：在系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)各個(gè)人機(jī)接口模塊的指令，如頭動(dòng)檢測(cè)部分的頭動(dòng)檢測(cè)單元采集到頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)后，使用頭動(dòng)檢測(cè)算法進(jìn)行分析判斷頭部姿態(tài)。判斷出頭部姿態(tài)后，即可得出指令。通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送指令到主控模塊。主控模塊收到指令后，對(duì)其進(jìn)行判斷，然后驅(qū)動(dòng)輪椅電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。若在輪椅移動(dòng)的過(guò)程中檢測(cè)到側(cè)翻信號(hào)或者前方障礙物距離輪椅過(guò)近時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，并且控制輪椅停止移動(dòng)。

圖3 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程圖

3 功能介紹

本智能輪椅是一款專(zhuān)門(mén)為老人和深度殘疾者提供代步工具的產(chǎn)品，用來(lái)解決雙手及頸部以下運(yùn)動(dòng)不方便的老年人和殘疾人的出行問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)多種人機(jī)交互方式來(lái)控制輪椅的移動(dòng)，每種人機(jī)交互方式都是模塊化功能，可以由用戶(hù)根據(jù)需求自行選擇定制，成本低。其主要功能如下：

3.1 頭動(dòng)控制功能

本智能輪椅的頭動(dòng)控制功能主要是通過(guò)檢測(cè)使用者的頭部姿態(tài)來(lái)控制電動(dòng)輪椅的移動(dòng)。利用采集的頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)及算法處理，最終判斷使用者頭部姿態(tài)是否發(fā)出控制輪椅的指令，最終控制輪椅的移動(dòng)。

只需將設(shè)備佩戴在頭部左側(cè)，在正常坐姿的情況下，通過(guò)頭部向下連續(xù)輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅前進(jìn)，頭部向后輕微仰頭兩次控制輪椅后退；通過(guò)頭部向左輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅向左轉(zhuǎn)彎，頭部向右輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅向右轉(zhuǎn)彎；向右側(cè)輕微甩頭可以控制輪椅停止。利用頭部連續(xù)點(diǎn)頭兩次的動(dòng)作來(lái)控制輪椅移動(dòng)，可以避免操作失誤。

3.2 搖桿和按鍵控制功能

本智能輪椅除了具有多種人機(jī)交互模式之外，傳統(tǒng)的搖桿和按鍵控制功能也都保留。

3.3 報(bào)警功能

本智能輪椅除了具有多種人機(jī)交互模式外，還具有一些輔助功能，如報(bào)警功能、距離檢測(cè)功能和翻倒檢測(cè)功能。當(dāng)輪椅通過(guò)距離檢測(cè)功能檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，輪椅的報(bào)警功能則會(huì)立即控制蜂鳴器鳴叫來(lái)進(jìn)行報(bào)警通知。

3.4 距離檢測(cè)功能

本智能輪椅具有距離檢測(cè)功能。智能輪椅通過(guò)超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)前方是否有障礙物或者低洼處與輪椅的距離，來(lái)進(jìn)行下一步操作，確保安全性。如當(dāng)檢測(cè)到距離障礙物過(guò)近時(shí)，則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能來(lái)提前通知。

4 使用方法

本產(chǎn)品是一種具有頭動(dòng)控制人機(jī)交互模式的智能輪椅，用戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)輪椅時(shí)可以定制自己所需要的人機(jī)接口模塊，然后使用時(shí)只需要將頭動(dòng)遙控模塊穿戴在頭部即可，通過(guò)頭部的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制輪椅的進(jìn)退和轉(zhuǎn)向。智能輪椅同時(shí)還具有輔助功能，包括距離檢測(cè)和報(bào)警功能，系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

（1）目前已有電動(dòng)輪椅一般都是基于按鈕和搖桿控制，本產(chǎn)品具有頭動(dòng)控制人機(jī)交互模式，其中頭動(dòng)控制選擇佩戴感應(yīng)器的方式，靈活簡(jiǎn)單方便。

（2）模塊化：智能輪椅要批量生產(chǎn)，必須實(shí)現(xiàn)模塊化，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)由基本模塊和各個(gè)功能模塊構(gòu)成，每個(gè)功能模塊負(fù)責(zé)一種功能，用戶(hù)可以根據(jù)需求選擇，配置最合適的輪椅。同時(shí)模塊化也能降低成本，提高性?xún)r(jià)比。

6 結(jié)論

目前可以實(shí)現(xiàn)頭動(dòng)控制的人機(jī)交互技術(shù)有如下兩種：基于視覺(jué)識(shí)別的人機(jī)交互技術(shù)和基于傳感器的人機(jī)交互技術(shù)等。但是，基于視覺(jué)識(shí)別的人機(jī)交互技術(shù)不僅需要一臺(tái)攝像機(jī)來(lái)捕捉人的動(dòng)作，此外這種人機(jī)交互技術(shù)要求要捕捉的人和攝像機(jī)鏡頭之間不能有障礙物阻擋，受場(chǎng)景的限制，且要求處理器應(yīng)具有足夠快速的視頻處理能力；而基于傳感器的人機(jī)交互技術(shù)由于不依賴(lài)搭載其他額外設(shè)備，而且受到外部環(huán)境的影響相對(duì)較小，不受空間的限制，便攜性好且需要的信號(hào)復(fù)雜度低，還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)人體活姿態(tài)。因此該交互方式越來(lái)越得到重視，且被稱(chēng)為“能理解人的交互模式”。綜上所述，我們選擇基于感應(yīng)器的識(shí)別模式來(lái)實(shí)現(xiàn)頭動(dòng)控制人機(jī)交互模式。