一項輪椅系統(tǒng)的智能研究

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1、一項輪椅系統(tǒng)的智能研究 大學(xué)馬來西亞彭亨 摘要——人們暫時的痛苦或永久的殘疾是由于發(fā)生了疾病或事故，這種困難的情況下導(dǎo)致他們不能行走，使用輪椅變的至關(guān)重要，對于大多數(shù)的殘疾人，手動輪椅或者電動輪椅都能滿足他們的需要，但是，在嚴(yán)重的情況下，有些人使用不了輪椅，在這種情況下，輪椅的使用者不能獨(dú)立使用，必須得依賴他人。于是研究人員針對這種情況參與研究智能輪椅來解決這樣的問題，本文講述的就是研究智能輪椅系統(tǒng)。它評估了當(dāng)前可利用的技術(shù)以及討論未來發(fā)展的方向，這正是研究人員的具體任務(wù)。 2007年在亞太地區(qū)發(fā)展殘疾中心馬來西亞的殘疾人口大約達(dá)到了197519人，在海外，疾病控制和預(yù)防中心估計，在美國

2、大約有5300萬人有某種形式的殘疾，其中有倆百萬人每天都要依賴輪椅的日常任務(wù)和流動性。這些病例中包括視力有問題的人、四肢癱瘓的人、脊髓損傷的人、帕金森病和認(rèn)知缺陷的人等等。因此，就需要依賴輪椅或者依賴親人、依賴醫(yī)院的護(hù)理醫(yī)生來幫助他們。使用輪椅既可以方便病人又可以減少對他人的依賴，自己可以照顧自己。一些公司開始生產(chǎn)一些不同類型的所謂的“智能輪椅”。智能輪椅可以被定義為一個獨(dú)特修改驅(qū)動輪椅控制系統(tǒng)的裝備的傳感器和實體，與此同時也可以被定義為一個移動機(jī)器人，只不過附加了一個座位。根據(jù)不同用戶的需求，設(shè)計師設(shè)計出不同類型的智能輪椅來向他們提供援助，他的目的就是減少或者消除患者對移動輪椅的依賴，設(shè)計人

3、員也要根據(jù)患者的需求來設(shè)計。智能輪椅的一個缺點(diǎn)就是他們的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工或者簡單的電氣驅(qū)動輪椅。臨床醫(yī)生和用戶對于智能輪椅的價格被認(rèn)為是根據(jù)商業(yè)化來評估。最后，我們對正在研究的項目以及新的未來方向進(jìn)行了討論。 根據(jù)審查辛普森在2005年發(fā)表的論文，有許多設(shè)計智能輪椅的形式。早期的智能輪椅移動機(jī)器人的席位被添加。目前，最發(fā)達(dá)的智能輪椅是建立在通過修改商用輪椅的基礎(chǔ)之上。一些智能輪椅的設(shè)計為“附加組件”可以被附加到排污單位并且遠(yuǎn)離潛在輪椅，所有的這些設(shè)計都共享的目標(biāo)是：緩解椅子的使用方法。盡可能避免碰撞，增加旅行的距離或者減少旅行的時間。 本文回顧的智能輪椅系統(tǒng)是根據(jù)三個屬性： 1. 移動智

4、能輪椅有外接插口； 2. 移動智能輪椅有導(dǎo)航功能； 3. 移動智能輪椅有前后擋功能。 設(shè)計師的目標(biāo)：輪椅的外接插口允許用戶控制輪椅更少的工作以及控制輪椅的安全。當(dāng)病人的病情嚴(yán)重時，就像SCI患者一樣的時候，就需要特殊的工具。而且，智能輪椅可能有額外的技術(shù)或設(shè)施需要更加高級的接口。流動的控制：操縱桿是最常見的為電動智能輪椅轉(zhuǎn)向控制界面。通常，操縱桿是由一根棍子在碼頭，圖1顯示了輪椅。同時也有一些智能輪椅使用其他形式的操縱方式，頭的移動/和下巴是一種引導(dǎo)，如圖2-a；舌頭有時也需要用輪椅。一個intra-oral設(shè)備由18個電感式傳感器線圈嵌入倆個單位10層的電路印刷版以及連接到第三個PCB

5、包含一個微控制器、無線芯片、和電池，如圖2。當(dāng)用戶觸摸傳感器或者用舌頭穿刺時，傳感器線圈的電感發(fā)生變化，Sip-and-puff是另一種非常有用的技術(shù)，他可以使空氣壓力，呼出或者吸入的同時把信號發(fā)送到輪椅，其他智能輪椅使用人工智能技術(shù)，如基于凝視的技術(shù)面臨方向跟蹤。這樣的系統(tǒng)跟蹤一個人凝視的方向或者把頭轉(zhuǎn)過身。圖2-c就是椅子上的一個例子。在這樣的一個系統(tǒng)中音樂和視頻功能是必備的，用戶想要去哪里可以語音說出來，或者用戶聽系統(tǒng)說，如果系統(tǒng)說的對，用戶只需要對著鏡頭點(diǎn)頭或者搖頭就可以了。雖然這個系統(tǒng)設(shè)計很好，但是設(shè)計人員還是要看看用戶是否關(guān)注這個新型的智能輪椅的特點(diǎn)——基于頭部和面部的設(shè)計。而這個

6、系統(tǒng)唯一的 缺點(diǎn)就是當(dāng)用戶環(huán)顧四周的時候只能盯著一個地方，缺乏大面積的區(qū)分。因此,用戶應(yīng)該持續(xù)關(guān)注導(dǎo)航不讓用戶的目光誤入歧途或無重點(diǎn)。腦電圖也是指導(dǎo)方法如圖2-d。它措施和解釋大腦的電活動通過電極附著在頭皮上。然后翻譯大腦活動的命令控制設(shè)備。聲音也被用作一個輸入來控制輪椅。在這樣一個系統(tǒng)中使用語音識別算法。當(dāng)系統(tǒng)識別聲音,分類是一個預(yù)先存儲的命令。相應(yīng)的編碼數(shù)字信號將被發(fā)送到一個控制單元然后相應(yīng)地控制輪椅。手勢控制系統(tǒng)是另一個接口人和機(jī)器的方法。一個例子是無線手勢控制系統(tǒng)中給出。加速度計是用來翻譯手指和手勢為計算機(jī)解釋信號。加速度計校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)過濾掉。智能手機(jī)和平板電腦越來越受歡迎。他們配備了許

7、多有用的內(nèi)置傳感器。最近研究人員和開發(fā)人員使用這些設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)有力的控制應(yīng)用程序中列出。應(yīng)用包括機(jī)器人操作除了許多其他應(yīng)用程序。輪椅控制是其中的一個應(yīng)用程序(15、16、17、18 19)。智能手機(jī)和其內(nèi)置的傳感器是用來捕獲和記錄運(yùn)動輪椅使用者和轉(zhuǎn)化為訂單的控制單元控制椅子。例如作者在使用3軸加速度計在大多數(shù)智能手機(jī)和藍(lán)牙無線技術(shù),允許病人移動輪椅通過傾斜智能手機(jī)。這個概念是由單片機(jī)控制的致動器驅(qū)動基本定向運(yùn)動伺服電機(jī)和直流電機(jī)的一對輪子。作者設(shè)計的應(yīng)用程序可以機(jī)動輪椅通過接收來自用戶的命令。命令輪椅是通過使用基于觸覺和頭部動作的接口開發(fā)的使用智能手機(jī)。 圖1為操縱桿控制器

8、 （a） （b） （c） （d） 圖2其它形式的操縱桿形式 圖3“搶椅子”的系統(tǒng)模塊 更高級的操縱桿可能會有更多的插件技術(shù)來促進(jìn)其他選項，取決于用戶的能力和情況。例如中給出的系統(tǒng),如圖2-e,是一個無線可穿戴輔助技術(shù),使嚴(yán)重殘疾的人能夠控制自己的電腦,用舌頭運(yùn)動輪椅、和電子產(chǎn)品。系統(tǒng)模擬觸摸屏手指叩擊。另一個系統(tǒng)使用智能手機(jī)作為處理單元。這個系統(tǒng)可以控制的輪椅

9、使用用戶的聲音通過一個android的手機(jī)。包括語音控制命令，停止，和右轉(zhuǎn)。這些命令是回應(yīng)相應(yīng)的命令發(fā)出時機(jī)器人輪椅。這樣的系統(tǒng)可以使用他們的聲音來控制用戶的電腦和手機(jī)一樣?！皳屢巫印陛o助導(dǎo)航項目是使用一個友好的圖形用戶界面(GUI)也作為模擬器；并介紹了一個語音人機(jī)界面(HMI)。系統(tǒng)的架構(gòu)是基于行為的控制體系結(jié)構(gòu)。圖3顯示了“搶椅子”系統(tǒng)的模塊。 導(dǎo)航方法和設(shè)備 本文前面提到，智能輪椅可以被定義為移動機(jī)器人與座位或獨(dú)特的修改驅(qū)動輪椅控制系統(tǒng)裝備的傳感器和變體。因此智能導(dǎo)航方法的重要方面智能的椅子?？死锼沟倌萒salicoglou,澤維爾佩蘭做了一個調(diào)查導(dǎo)航助手殘疾人。根據(jù)這一調(diào)查，許多

10、項目研究如何最大智能輪椅協(xié)助其用戶。導(dǎo)航方法分成三類根據(jù)水平的援助。三個主要類別：共享控制、半自治控制和完全自主控制。自主和自治系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，用戶只需要提供一個命令每隔一段時間，可以放松一次命令，由于導(dǎo)航是自動的。共享控制為用戶提供更多的獨(dú)立性，因為用戶可以控制運(yùn)動和計劃的路線。聰明的椅子只提供緊急或糾正措施碰撞預(yù)防、避障和墻。 一個有趣的想法是自適應(yīng)控制系統(tǒng)(24、25)共享。在這些系統(tǒng)中，用戶自己可以做的更好，更好的幫助用戶收到共享控制系統(tǒng)。在收集的數(shù)據(jù)通過掃描激光測距儀(URG-04LX)和用戶界面進(jìn)行了分析以確定是否執(zhí)行所需的操作是安全的。然后系統(tǒng)決定提供援助或允許用戶輸入來控制輪

11、椅?！鞍胱灾慰刂啤焙汀白詣涌刂啤保苊黠@，機(jī)器增加援助。輪椅因此涉及更多的路線規(guī)劃除了碰撞預(yù)防、避障和墻。半自治系統(tǒng)等待命令從當(dāng)?shù)赜脩籼峁┮粋€短期的目標(biāo)。輪椅然后開始移動，直到一個外部標(biāo)志的導(dǎo)航系統(tǒng)通知，命令被執(zhí)行死刑。半自治系統(tǒng)等情況下視力受損的用戶很有用。他們幫助他們獨(dú)立移動優(yōu)勢在“幫助明星”系統(tǒng)。當(dāng)用戶面臨著不可預(yù)見的情況下，“幫助星”功能可以被激活。它允許遠(yuǎn)程操作符使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了有用的導(dǎo)航指令或直接發(fā)送命令到輪椅上。 在自治系統(tǒng)中，用戶表示最終的目的地和導(dǎo)航的輪椅控制系統(tǒng)需要完成從當(dāng)前位置到目的地的目標(biāo)。自治系統(tǒng)因此需要映射和監(jiān)測技術(shù)。因此，他們通常喜歡在定義良好的經(jīng)營環(huán)境。保證航行的安全性和魯棒性，研究人員建議使輪椅沿著引導(dǎo)標(biāo)記安排以點(diǎn)陣形式的專利數(shù)量US5002145 Hiroo Wakaumi和Tsuneo Tsukagoshi。