孟楠，方敏，袁浩森，梁源康，姜揚(yáng)

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

根據(jù)聯(lián)合國(guó)2022 年發(fā)布的公告，全球65歲及以上的人口數(shù)量至2050 年可增至16 億。智能輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅，結(jié)合計(jì)算機(jī)、人體工程學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺、主動(dòng)避障、多傳感器融合，涉及到了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電控、各類傳感器等技術(shù)，目的在于為日益增多的老年人及殘障人士提供更安全合理的出行方式。本文探討智能輪椅技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹爬樓運(yùn)動(dòng)控制、健康監(jiān)測(cè)、主動(dòng)避障等系統(tǒng)組成，提出相關(guān)設(shè)計(jì)方向。

1 研究現(xiàn)狀

1）國(guó)內(nèi)研究。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所于2000 年研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的機(jī)器人輪椅[1]，此項(xiàng)研究高度重視了智能輪椅人機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)，使人能通過(guò)語(yǔ)音控制輪椅自由行走，輪椅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話功能，并成功研制了中國(guó)第一臺(tái)智能輪椅樣機(jī)，從功能上來(lái)說(shuō)，一般通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)手動(dòng)或電動(dòng)實(shí)現(xiàn)，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，智能化內(nèi)容尚欠缺。主要考慮患者休息與“行走”功能的結(jié)合，目前的國(guó)內(nèi)研究多集中在簡(jiǎn)單組合的初級(jí)功能上，主要使用對(duì)象為醫(yī)用或病患。

2）國(guó)外研究。德國(guó)烏爾姆大學(xué)在商用輪椅基礎(chǔ)上研制了輪椅機(jī)器人MAID[2]，在人流擁擠的公共場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別和判斷障礙后自動(dòng)采取繞行動(dòng)作，如圖1 所示。麻省理工智能實(shí)驗(yàn)室的智能輪椅威爾斯利[3]為半自主式機(jī)器人輪椅，配備有計(jì)算機(jī)控制和傳感器，安裝Macintosh 筆記本電腦用于人機(jī)界面交互。系統(tǒng)有兩種級(jí)別的控制：高級(jí)方向指令和低級(jí)計(jì)算機(jī)控制路線，用戶擁有最高控制級(jí)別。輪椅系統(tǒng)提供低級(jí)控制，避障和保證正確的運(yùn)動(dòng)方向；用戶和輪椅之間的人機(jī)界面提供高級(jí)控制，如圖2 所示。

圖1 輪椅機(jī)器人MAID

圖2 輪椅機(jī)器人威爾斯利

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

智能電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)由爬樓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主動(dòng)避障系統(tǒng)組成。

2.1 爬樓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

現(xiàn)有爬梯方式主要為：行星輪式、履帶式和步進(jìn)支撐式。

1）星輪式爬樓輪椅。是一種特殊的輪椅設(shè)計(jì)，可以通過(guò)特定的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓功能。該機(jī)構(gòu)由若干個(gè)小輪構(gòu)成，均勻分布在“Y”型或“十”字形系桿上。在平地行走時(shí)，每個(gè)小輪都可以繞自己的軸線自由旋轉(zhuǎn)，在平坦地面上移動(dòng)。需爬樓時(shí)，小輪的工作方式發(fā)生改變，隨著系桿繞中心軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，小輪可以協(xié)同工作，使得輪椅能夠克服樓梯的高度差，實(shí)現(xiàn)爬樓功能。

2）履帶式爬梯輪椅。2014 年首次發(fā)布于《物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)名詞》第一版的輪椅設(shè)計(jì)。在電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上加裝了電控履帶裝置，以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括爬樓梯、平地行駛和通過(guò)崎嶇路面，其優(yōu)點(diǎn)包括良好的著地性能、防滑性、耐磨損性和平穩(wěn)性等。履帶在各種地面條件下都能提供穩(wěn)定的支撐和牢固的抓地力，不易打滑，具有較高的耐磨損能力。履帶式爬梯輪椅最重要的特點(diǎn)是其能夠爬升陡峭的樓梯。最大爬梯坡度可達(dá)45°。

3）步進(jìn)支撐式爬樓輪椅。具有近百年歷史的爬樓輪椅設(shè)計(jì)，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)不斷的演變和改良，已成為所有形式爬樓輪椅中安全性較高、但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜的一種，其原理是模仿人體爬樓的動(dòng)作方式。采用了兩套支撐裝置，交替提供支撐，以實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能。步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的設(shè)計(jì)考慮到了安全性，并通過(guò)模仿人體爬樓的動(dòng)作方式，使用者能夠相對(duì)穩(wěn)定地上下樓梯。然而，由于其復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要較高的技術(shù)要求和精密的工程設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制，特別是在成本和可用性方面。

通過(guò)制造成本、實(shí)現(xiàn)方式、技術(shù)難度以及安全性多方面對(duì)比，建議在智能電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)中采用履帶式爬梯，如圖3 所示。

圖3 履帶式爬梯

履帶由傳動(dòng)皮帶、固定片、固定桿、大滑輪以及多個(gè)小滑輪組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)大滑輪旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)整個(gè)履帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。為防止在爬梯過(guò)程中發(fā)生打滑，履帶式輪椅需要加裝大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力強(qiáng)勁且可以隨時(shí)剎車；同時(shí)需要使用摩擦力大的材料制作履帶。

智能輪椅的本質(zhì)是以人為中心的控制系統(tǒng)，應(yīng)預(yù)設(shè)人為操作的控制系統(tǒng)，根據(jù)使用者的情況，充分發(fā)揮其性能。人機(jī)接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到不同使用場(chǎng)景下使用者的不同反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)使用者和輪椅之間的和諧合作。

1）操縱桿控制。對(duì)方向的指向性明確,操作簡(jiǎn)單，是目前電動(dòng)輪椅的基本配置，因此在多數(shù)智能輪椅上都依然保留了這一類控制接口。

2）按鍵或觸摸屏控制。將輪椅的方向控制分為4 個(gè)或8 個(gè)方向的按鍵，優(yōu)點(diǎn)是控制精確,缺點(diǎn)是操作不靈活，較復(fù)雜。

2.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通信部分組成。硬件設(shè)計(jì)包括：驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和傳感器連接；軟件設(shè)計(jì)主要包括：小程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架如圖4 所示。

圖4 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架圖

1）硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。首先對(duì)硬件的型號(hào)進(jìn)行選擇，主控芯片可采用STM32F103RCT6。傳感器采用MAX30102 心率傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、MQ2 煙霧傳感器。三種傳感器組合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的心率、血氧等生理參數(shù)，同時(shí)也可監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)。通信模塊采用ESP8266 WIFI 模塊。其中，MAX30102 心率傳感器由紅光LED、光器件、光電檢測(cè)器和帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路組成。電路圖如圖5 所示。

圖5 MAX30102電路圖

MAX30102 采用光電容積法（PPG）完成測(cè)量，脈搏波信號(hào)采用LED 光源和探測(cè)器為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)人體血管和組織反射、吸收后的衰減光,標(biāo)記出血管的搏動(dòng)狀態(tài)并測(cè)量脈搏波[4]。PG 信號(hào)獲得簡(jiǎn)單,測(cè)量裝置易于佩戴等特點(diǎn)逐漸成為非醫(yī)學(xué)條件下測(cè)量血氧、脈搏及心率的主要方法。MAX30102 通過(guò)IIC 驅(qū)動(dòng)，將MAX30102心率傳感器引腳連接STM32F103min 單片機(jī)的五伏引腳，GND 連接五伏引腳對(duì)應(yīng)的GND，SCL 連 接PC12，SDA 連 接PC11，INT 連 接PA5。通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，接收MAX30102 心率血氧傳感器返回的數(shù)值，計(jì)算心率血氧數(shù)值。

2）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)?；谖⑿判〕绦蜻M(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)。主界面：小程序首頁(yè)，接入實(shí)時(shí)天氣平臺(tái)API，獲取當(dāng)前位置的天氣信息，顯示控件按鈕選擇不同的功能；健康監(jiān)測(cè)：顯示MAX30102 心率血氧傳感器采集到的人體的心率、血氧值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示；環(huán)境監(jiān)測(cè)：顯示DHT11 溫濕度傳感器、MQ2 傳感器所采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示；實(shí)時(shí)曲線顯示：開發(fā)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線功能，接收服務(wù)端消息，實(shí)時(shí)刷新曲線。

3） 數(shù) 據(jù) 通 信。STM32 開 發(fā) 板 通 過(guò)ESP8266 WIFI 模塊連接局域網(wǎng)（路由器、手機(jī)熱點(diǎn)等WIFI 網(wǎng)絡(luò)），ESP8266 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接至遠(yuǎn)程MQTT 服務(wù)器（MQTT Server），將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在云端，供多個(gè)客戶端進(jìn)行訪問，輪椅使用者及其家人都可隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸采用MQTT 協(xié)議。MQTT 協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級(jí)"通訊協(xié)議，構(gòu)建于TCP/IP 協(xié)議上，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用[5]，其中包括機(jī)器與機(jī)器之間的通信（M2M）以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（IoT）。

2.3 主動(dòng)避障系統(tǒng)

方案一：采用紅外線傳感器，根據(jù)發(fā)射出的紅外線，被障礙物反射，接收部件據(jù)此做出判斷是否存在障礙物。紅外線反射時(shí)，輸出低電平信號(hào)；沒有紅外線反射時(shí)，輸出高電平信號(hào)[6]。探測(cè)到障礙物即輸出脈沖，輸入至主控板中進(jìn)行處理，輸出電信號(hào)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)避障的功能。

方案二：采用超聲波傳感器，傳感器接收到反射的超聲波，通知主控板前方有障礙物，如主控板未接到通知，則可以向前行駛。

兩種方案比較可知。方案一優(yōu)于方案二，電路簡(jiǎn)單，成熟度高，性能穩(wěn)定，避免因電路的復(fù)雜性造成避障功能不穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

智能電動(dòng)輪椅是工具智能化發(fā)展的衍生產(chǎn)品，智能化目的在于為日益增多的老年人及殘障人士提供更安全合理的出行和生活方式。相關(guān)產(chǎn)品的功能應(yīng)該日益完善，進(jìn)一步提高安全可靠性。相信隨著智能化、模塊化、圖形處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，系列產(chǎn)品能夠得到更為完善的發(fā)展與進(jìn)步，廣泛地應(yīng)用并服務(wù)于有所需要的人群當(dāng)中。