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致他們不能行走，使用輪椅變的至關重要，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)。它評估了當前可利用的技術以及討論未來發(fā)展的方向，這正是研究人員的具體任務。 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到了197519人，在海外，疾病控制和預防中心估計，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特修改驅動輪椅控制系統(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器人，只不過附加了一個座位。根據(jù)不同用戶的需求，設計師設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，設計人

3、員也要根據(jù)患者的需求來設計。智能輪椅的一個缺點就是他們的價格遠遠高于手工或者簡單的電氣驅動輪椅。臨床醫(yī)生和用戶對于智能輪椅的價格被認為是根據(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，有許多設計智能輪椅的形式。早期的智能輪椅移動機器人的席位被添加。目前，最發(fā)達的智能輪椅是建立在通過修改商用輪椅的基礎之上。一些智能輪椅的設計為“附加組件”可以被附加到排污單位并且遠離潛在輪椅，所有的這些設計都共享的目標是：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. 移動智能輪椅有導航功能； 3. 移動智能輪椅有前后擋功能。 設計師的目標：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。當病人的病情嚴重時，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或設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，如圖2-a；舌頭有時也需要用輪椅。一個intra-oral設備由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，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，如基于凝視的技術面臨方向跟蹤。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頭或者搖頭就可以了。雖然這個系統(tǒng)設計很好，但是設計人員還是要看看用戶是否關注這個新型的智能輪椅的特點——基于頭部和面部的設計。而這個

6、系統(tǒng)唯一的 缺點就是當用戶環(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,用戶應該持續(xù)關注導航不讓用戶的目光誤入歧途或無重點。腦電圖也是指導方法如圖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。當系統(tǒng)識別聲音,分類是一個預先存儲的命令。相應的編碼數(shù)字信號將被發(fā)送到一個控制單元然后相應地控制輪椅。手勢控制系統(tǒng)是另一個接口人和機器的方法。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解釋信號。加速度計校準和數(shù)據(jù)過濾掉。智能手機和平板電腦越來越受歡迎。他們配備了許

7、多有用的內置傳感器。最近研究人員和開發(fā)人員使用這些設備進行強有力的控制應用程序中列出。應用包括機器人操作除了許多其他應用程序。輪椅控制是其中的一個應用程序(15、16、17、18 19)。智能手機和其內置的傳感器是用來捕獲和記錄運動輪椅使用者和轉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)智能手機和藍牙無線技術,允許病人移動輪椅通過傾斜智能手機。這個概念是由單片機控制的致動器驅動基本定向運動伺服電機和直流電機的一對輪子。作者設計的應用程序可以機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。 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來促進其他選項，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,使嚴重殘疾的人能夠控制自己的電腦,用舌頭運動輪椅、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。包括語音控制命令，停止，和右轉。這些命令是回應相應的命令發(fā)出時機器人輪椅。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一樣?！皳屢巫印陛o助導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界面(HMI)。系統(tǒng)的架構是基于行為的控制體系結構。圖3顯示了“搶椅子”系統(tǒng)的模塊。 導航方法和設備 本文前面提到，智能輪椅可以被定義為移動機器人與座位或獨特的修改驅動輪椅控制系統(tǒng)裝備的傳感器和變體。因此智能導航方法的重要方面智能的椅子。克里斯蒂娜Tsalicoglou,澤維爾佩蘭做了一個調查導航助手殘疾人。根據(jù)這一調查，許多

10、項目研究如何最大智能輪椅協(xié)助其用戶。導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，由于導航是自動的。共享控制為用戶提供更多的獨立性，因為用戶可以控制運動和計劃的路線。聰明的椅子只提供緊急或糾正措施碰撞預防、避障和墻。 一個有趣的想法是自適應控制系統(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。“半自治控制”和“自動控制”，很明顯，機器增加援助。輪椅因此涉及更多的路線規(guī)劃除了碰撞預防、避障和墻。半自治系統(tǒng)等待命令從當?shù)赜脩籼峁┮粋€短期的目標。輪椅然后開始移動，直到一個外部標志的導航系統(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。他們幫助他們獨立移動優(yōu)勢在“幫助明星”系統(tǒng)。當用戶面臨著不可預見的情況下，“幫助星”功能可以被激活。它允許遠程操作符使用虛擬現(xiàn)實技術提供了有用的導航指令或直接發(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航的輪椅控制系統(tǒng)需要完成從當前位置到目的地的目標。自治系統(tǒng)因此需要映射和監(jiān)測技術。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標記安排以點陣形式的專利數(shù)量US5002145 Hiroo Wakaumi和Tsuneo Tsukagoshi。