一項(xiàng)輪椅系統(tǒng)的智能研究

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1、一項(xiàng)輪椅系統(tǒng)的智能研究 大學(xué)馬來(lái)西亞彭亨 摘要——人們暫時(shí)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(duì)于大多數(shù)的殘疾人，手動(dòng)輪椅或者電動(dòng)輪椅都能滿(mǎn)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(lài)他人。于是研究人員針對(duì)這種情況參與研究智能輪椅來(lái)解決這樣的問(wèn)題，本文講述的就是研究智能輪椅系統(tǒng)。它評(píng)估了當(dāng)前可利用的技術(shù)以及討論未來(lái)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(lái)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(jì)，在美國(guó)

2、大約有5300萬(wàn)人有某種形式的殘疾，其中有倆百萬(wàn)人每天都要依賴(lài)輪椅的日常任務(wù)和流動(dòng)性。這些病例中包括視力有問(wèn)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(lài)輪椅或者依賴(lài)親人、依賴(lài)醫(yī)院的護(hù)理醫(yī)生來(lái)幫助他們。使用輪椅既可以方便病人又可以減少對(duì)他人的依賴(lài)，自己可以照顧自己。一些公司開(kāi)始生產(chǎn)一些不同類(lèi)型的所謂的“智能輪椅”。智能輪椅可以被定義為一個(gè)獨(dú)特修改驅(qū)動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的裝備的傳感器和實(shí)體，與此同時(shí)也可以被定義為一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人，只不過(guò)附加了一個(gè)座位。根據(jù)不同用戶(hù)的需求，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出不同類(lèi)型的智能輪椅來(lái)向他們提供援助，他的目的就是減少或者消除患者對(duì)移動(dòng)輪椅的依賴(lài)，設(shè)計(jì)人

3、員也要根據(jù)患者的需求來(lái)設(shè)計(jì)。智能輪椅的一個(gè)缺點(diǎn)就是他們的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工或者簡(jiǎn)單的電氣驅(qū)動(dòng)輪椅。臨床醫(yī)生和用戶(hù)對(duì)于智能輪椅的價(jià)格被認(rèn)為是根據(jù)商業(yè)化來(lái)評(píng)估。最后，我們對(duì)正在研究的項(xiàng)目以及新的未來(lái)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(jì)智能輪椅的形式。早期的智能輪椅移動(dòng)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(guò)修改商用輪椅的基礎(chǔ)之上。一些智能輪椅的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間。 本文回顧的智能輪椅系統(tǒng)是根據(jù)三個(gè)屬性： 1. 移動(dòng)智

4、能輪椅有外接插口； 2. 移動(dòng)智能輪椅有導(dǎo)航功能； 3. 移動(dòng)智能輪椅有前后擋功能。 設(shè)計(jì)師的目標(biāo)：輪椅的外接插口允許用戶(hù)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(shí)，就像SCI患者一樣的時(shí)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(jí)的接口。流動(dòng)的控制：操縱桿是最常見(jiàn)的為電動(dòng)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(shí)也有一些智能輪椅使用其他形式的操縱方式，頭的移動(dòng)/和下巴是一種引導(dǎo)，如圖2-a；舌頭有時(shí)也需要用輪椅。一個(gè)intra-oral設(shè)備由18個(gè)電感式傳感器線圈嵌入倆個(gè)單位10層的電路印刷版以及連接到第三個(gè)PCB

5、包含一個(gè)微控制器、無(wú)線芯片、和電池，如圖2。當(dāng)用戶(hù)觸摸傳感器或者用舌頭穿刺時(shí)，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(shí)把信號(hào)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(gè)人凝視的方向或者把頭轉(zhuǎn)過(guò)身。圖2-c就是椅子上的一個(gè)例子。在這樣的一個(gè)系統(tǒng)中音樂(lè)和視頻功能是必備的，用戶(hù)想要去哪里可以語(yǔ)音說(shuō)出來(lái)，或者用戶(hù)聽(tīng)系統(tǒng)說(shuō)，如果系統(tǒng)說(shuō)的對(duì)，用戶(hù)只需要對(duì)著鏡頭點(diǎn)頭或者搖頭就可以了。雖然這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)很好，但是設(shè)計(jì)人員還是要看看用戶(hù)是否關(guān)注這個(gè)新型的智能輪椅的特點(diǎn)——基于頭部和面部的設(shè)計(jì)。而這個(gè)

6、系統(tǒng)唯一的 缺點(diǎn)就是當(dāng)用戶(hù)環(huán)顧四周的時(shí)候只能盯著一個(gè)地方，缺乏大面積的區(qū)分。因此,用戶(hù)應(yīng)該持續(xù)關(guān)注導(dǎo)航不讓用戶(hù)的目光誤入歧途或無(wú)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(dòng)通過(guò)電極附著在頭皮上。然后翻譯大腦活動(dòng)的命令控制設(shè)備。聲音也被用作一個(gè)輸入來(lái)控制輪椅。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中使用語(yǔ)音識(shí)別算法。當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別聲音,分類(lèi)是一個(gè)預(yù)先存儲(chǔ)的命令。相應(yīng)的編碼數(shù)字信號(hào)將被發(fā)送到一個(gè)控制單元然后相應(yīng)地控制輪椅。手勢(shì)控制系統(tǒng)是另一個(gè)接口人和機(jī)器的方法。一個(gè)例子是無(wú)線手勢(shì)控制系統(tǒng)中給出。加速度計(jì)是用來(lái)翻譯手指和手勢(shì)為計(jì)算機(jī)解釋信號(hào)。加速度計(jì)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)過(guò)濾掉。智能手機(jī)和平板電腦越來(lái)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(kāi)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(gè)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(lái)捕獲和記錄運(yùn)動(dòng)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(jì)在大多數(shù)智能手機(jī)和藍(lán)牙無(wú)線技術(shù),允許病人移動(dòng)輪椅通過(guò)傾斜智能手機(jī)。這個(gè)概念是由單片機(jī)控制的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)基本定向運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)和直流電機(jī)的一對(duì)輪子。作者設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序可以機(jī)動(dòng)輪椅通過(guò)接收來(lái)自用戶(hù)的命令。命令輪椅是通過(guò)使用基于觸覺(jué)和頭部動(dòng)作的接口開(kāi)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(jí)的操縱桿可能會(huì)有更多的插件技術(shù)來(lái)促進(jìn)其他選項(xiàng)，取決于用戶(hù)的能力和情況。例如中給出的系統(tǒng),如圖2-e,是一個(gè)無(wú)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(dòng)輪椅、和電子產(chǎn)品。系統(tǒng)模擬觸摸屏手指叩擊。另一個(gè)系統(tǒng)使用智能手機(jī)作為處理單元。這個(gè)系統(tǒng)可以控制的輪椅

9、使用用戶(hù)的聲音通過(guò)一個(gè)android的手機(jī)。包括語(yǔ)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(shí)機(jī)器人輪椅。這樣的系統(tǒng)可以使用他們的聲音來(lái)控制用戶(hù)的電腦和手機(jī)一樣。“搶椅子”輔助導(dǎo)航項(xiàng)目是使用一個(gè)友好的圖形用戶(hù)界面(GUI)也作為模擬器；并介紹了一個(gè)語(yǔ)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(dòng)機(jī)器人與座位或獨(dú)特的修改驅(qū)動(dòng)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(gè)調(diào)查導(dǎo)航助手殘疾人。根據(jù)這一調(diào)查，許多

10、項(xiàng)目研究如何最大智能輪椅協(xié)助其用戶(hù)。導(dǎo)航方法分成三類(lèi)根據(jù)水平的援助。三個(gè)主要類(lèi)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(hù)只需要提供一個(gè)命令每隔一段時(shí)間，可以放松一次命令，由于導(dǎo)航是自動(dòng)的。共享控制為用戶(hù)提供更多的獨(dú)立性，因?yàn)橛脩?hù)可以控制運(yùn)動(dòng)和計(jì)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(gè)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(hù)自己可以做的更好，更好的幫助用戶(hù)收到共享控制系統(tǒng)。在收集的數(shù)據(jù)通過(guò)掃描激光測(cè)距儀(URG-04LX)和用戶(hù)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(hù)輸入來(lái)控制輪

11、椅?！鞍胱灾慰刂啤焙汀白詣?dòng)控制”，很明顯，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?hù)提供一個(gè)短期的目標(biāo)。輪椅然后開(kāi)始移動(dòng)，直到一個(gè)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(hù)很有用。他們幫助他們獨(dú)立移動(dòng)優(yōu)勢(shì)在“幫助明星”系統(tǒng)。當(dāng)用戶(hù)面臨著不可預(yù)見(jiàn)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(shí)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(hù)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(cè)技術(shù)。因此，他們通常喜歡在定義良好的經(jīng)營(yíng)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(zhuān)利數(shù)量US5002145 Hiroo Wakaumi和Tsuneo Tsukagoshi。