智能電動(dòng)輪椅

1.2.1 智能輪椅的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能輪椅通常是在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上， 增加一臺(tái)電腦和一些傳感器 或者在一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加一個(gè)座椅進(jìn)行構(gòu)建。 最早的相關(guān)研究開(kāi)始 于 1986 年，輪椅通過(guò)視覺(jué)進(jìn)行導(dǎo)航協(xié)助。 之后 IBMT.J.Watson Research Center 的 Connell 和 Viola 將座椅放在一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上， 利用操縱桿、超聲和 紅外傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的行走和避障等導(dǎo)航功能。 Jaffe 等負(fù)責(zé)的 smart wheelchair 項(xiàng)目利用兩個(gè)超聲波傳感器測(cè)定人的頭部運(yùn)動(dòng)位置，并以此實(shí)現(xiàn)了 利用頭部姿勢(shì)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)過(guò) 20 多年的開(kāi)發(fā)， 世界各國(guó)的研究者相繼 開(kāi)發(fā)了多種智能輪椅平臺(tái)， 包括美國(guó)麻省理工大學(xué)的 Wheelesley, 密西根大學(xué) 的 NavChair ， 匹 茲 堡 大 學(xué) 的 Haphaestus ， SWCS(Smart Wheelchair ComponentSystem),加拿大的TAO項(xiàng)目，西班牙的SIAMO,法國(guó)的VAHM,德國(guó) 烏爾姆大學(xué)的 MAid, 不萊梅大學(xué)的 Rolland, FRIEDNSI,II 系列, 希臘的 SENARIO 等。我國(guó)開(kāi)展智能輪椅的研究較晚，但是也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺(tái)， 包括中科院自動(dòng)化所的多模態(tài)交互智能輪椅、嵌 入式智能輪椅， 上海交通大學(xué)的多功能智能輪椅， 中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 基于頭部動(dòng)作的智能輪椅等等。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面， 目前多數(shù)智能輪椅平臺(tái)上采用的是主從式控制方式。 上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制， 包括各功能子模塊的協(xié)調(diào)， 任務(wù)規(guī)劃， 系統(tǒng)管 理以及人機(jī)交互等， 同時(shí)完成運(yùn)動(dòng)控制量的計(jì)算、 送到下位機(jī)， 以完成對(duì)輪 椅的運(yùn)動(dòng)控制。 該種控制模式對(duì)硬件的要求較為簡(jiǎn)單， 系統(tǒng)較容易構(gòu)建， 是 系統(tǒng)驗(yàn)證期所采用的典型結(jié)構(gòu)。目前上位機(jī)多采用普通PC機(jī)，由于信息的集中處理使得上位機(jī)的信息處理量大， 負(fù)擔(dān)很重， 實(shí)時(shí)性較差， 無(wú)法滿足實(shí)際使用的 需要。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展， 采用嵌入式控制系統(tǒng)構(gòu)建智能輪椅平臺(tái)逐漸 引起研究者們的注意， 中科院自動(dòng)化所研制的嵌入式智能輪椅系統(tǒng)在該方面進(jìn)行 了嘗試，系統(tǒng)采用ARM+DSP+FPGA&式來(lái)分別構(gòu)建智能輪椅的中央控制系統(tǒng)、 傳感器系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)， 整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定， 具有實(shí)時(shí)性高、 功耗低， 續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)， 在控制模式方面， 智能輪椅上普遍采用的是三種模 式：自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式、手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下， 由使用者通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)定目標(biāo)， 智能輪椅通過(guò)自身獲 得的環(huán)境信息自主完成到目標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃和跟蹤， 比如到臥室， 客廳等。 該模 式主要針對(duì)控制輪椅能力較弱的老年人和殘疾人 ；在半自動(dòng)模式下， 則是通過(guò)使用者和輪椅之間的協(xié)作控制來(lái)達(dá)到安全導(dǎo)航 的目的。 該模式下以使用者控制為主， 輪椅控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制過(guò)程中的局 部規(guī)劃和安全檢測(cè)。 比如輪椅行進(jìn)過(guò)程中的自主避障 ；在門(mén)、 走廊等狹窄區(qū) 域， 根據(jù)使用者的操縱指令進(jìn)行局部路徑規(guī)劃， 幫助使用者完成操縱意圖， 同 時(shí)避免危險(xiǎn)發(fā)生等等。在手動(dòng)模式下， 則是由使用者通過(guò)操縱桿實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的完全控制， 相當(dāng)于 一臺(tái)普通的電動(dòng)輪椅。 在人機(jī)接口方面， 針對(duì)不同殘疾人群， 研究者們開(kāi)發(fā)了 多種智能輪椅人機(jī)接口。根據(jù)控制方式的不同， 可以分為設(shè)定型人機(jī)接口和自然型人機(jī)接口兩種， 其 中設(shè)定型人機(jī)接口適用于那些殘疾程度較輕肢體能動(dòng)性較高而且意識(shí)較好的人 群， 包括操縱桿控制、 按鍵控制、 方向盤(pán)控制、 觸摸屏控制、 菜單控制等。 而自然型人機(jī)接口的使用人群是那些殘疾程度較高， 肢體能動(dòng)性較低的人群， 包括語(yǔ)音控制、 呼吸控制、 頭部控制、 手勢(shì)控制、 生物信號(hào)控制等方式。 自 然型人機(jī)接口由于交互中存在的無(wú)意識(shí)性使得控制動(dòng)作與非控制動(dòng)作難以區(qū)分， 因此需要采用合理的方式將兩者加以區(qū)分， 以免引起誤操作而導(dǎo)致輪椅失控。 通 常智能輪椅上會(huì)根據(jù)使用者殘障程度的不同， 安裝有多種人機(jī)接口， 從而能夠與 使用者實(shí)現(xiàn)多種途徑的交互， 提供更加安全的運(yùn)動(dòng)控制針對(duì)殘疾程度較重的使用 者，也有部分輪椅采用了輕型機(jī)械臂， 幫助使用者完成撿拾物品、 開(kāi)、 倒水 等活動(dòng)。 比如FRIEND I上采用的MANU手可以通過(guò)示教的方式實(shí)現(xiàn)抓取物體、 倒水等功能。 IEND II 上則配備了一個(gè)更加靈活， 重量更輕的關(guān)節(jié)手臂， 手臂 末端是 5 手指的人工靈巧手， 可以幫使用者完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。此外，部分 研究者對(duì)智能輪椅的攀爬樓梯功能行了研究。目前較為典型的是由 Dean Kaman 發(fā)明 iBot, 該輪椅能夠利用兩對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的交替旋轉(zhuǎn)實(shí)攀爬樓梯的目的。 Prrris Wellman 等人則采用在椅兩側(cè)加裝機(jī)械腿的方式， 通過(guò)機(jī)械腿的支撐作實(shí)現(xiàn)輪 椅攀爬樓梯的目的。 該方式對(duì)機(jī)械腿的機(jī)結(jié)構(gòu)要求較高， 同時(shí)存在在攀爬過(guò)程 中機(jī)械腿協(xié)一致的問(wèn)題。 智能輪椅的關(guān)鍵技術(shù)研究智能輪椅作為服務(wù)機(jī)器人的一 種，涉及到了機(jī)人技術(shù)， 信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)， 其關(guān)鍵技主要包括導(dǎo)航技 術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)兩部分。1 導(dǎo)航 智能輪椅的導(dǎo)航技術(shù)主要來(lái)源于機(jī)器人技術(shù)， 由于智能輪椅是以人為中心的 控制系統(tǒng)， 其導(dǎo)航又有特殊性。 除了需要解決導(dǎo)航過(guò)程中輪椅運(yùn)行空間環(huán)境模 型建立， 輪椅的定位以及路徑規(guī)劃等問(wèn)題，還更應(yīng)關(guān)注導(dǎo)航中的安全性以及與 使用者的交互性。2.1.1 環(huán)境感知輪椅進(jìn)行環(huán)境感知的主要手段。因此，為了盡可能準(zhǔn)確地獲取 環(huán)境信息， 智能輪椅上都配備了多種傳感器。包括內(nèi)部或外部編碼器，超聲波 傳感器 (SENARIO，Rolland ，NavChair )，紅外傳感器( RobChair，Wheelesley ， SIAMO，激光測(cè)距儀(MAid),碰撞傳感器(Wheelesley )，攝像頭(SIAMQ FRIEND SENARIO 等等。智能輪椅通過(guò)多種傳感器收集數(shù)據(jù)， 利用信息融合算法將能夠較準(zhǔn)確的獲得 環(huán)境特征， 為精確的導(dǎo)航提供可靠的依據(jù)。目前研究者們已經(jīng)提出了多種信息 融合算法， 包括有加權(quán)平均法、 貝葉斯估計(jì)、多貝葉斯方法、 卡爾曼濾波、 D-S 證據(jù)推理、 模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。2.1.2 全自主導(dǎo)航智能輪椅的全自主導(dǎo)航主要是解決 “go-to-goal ” 的問(wèn)題。 使用者通過(guò)人 機(jī)界面給出目標(biāo)點(diǎn)， 由輪椅完成路徑規(guī)劃和路徑跟蹤。 其導(dǎo)航技術(shù)主要采用自 主移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。 導(dǎo)航的方法很多， 包括基于路標(biāo)導(dǎo)航、 基于地圖 導(dǎo)航、 基于傳感器導(dǎo)航和基于視覺(jué)導(dǎo)航等。 導(dǎo)航系統(tǒng)通常是由其中一種或幾種方式結(jié)合起來(lái)構(gòu)成。 導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器檢測(cè)環(huán)境信息， 建立環(huán)境模型， 確定輪椅的位置和方 向， 然后規(guī)劃出安全有效的運(yùn)動(dòng)路徑， 并自主實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 系 統(tǒng)需要與使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)交互， 根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的變更實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑。2.1.3 半自主導(dǎo)航半自主導(dǎo)航，也稱為分享導(dǎo)航 (sharednaviga-tion) ，主要是解決“ where he/she wants to g o”的問(wèn)題，是智能輪椅導(dǎo)航研究中的重點(diǎn)。目前智能輪椅 半自主導(dǎo)航主要關(guān)注于解決意圖理解 (Imp-licit communication) 和安全避障 (safeob stacle- avoidance) 的問(wèn)題。意圖理解是指當(dāng)輪椅處于環(huán)境較為復(fù)雜的情況下， 根據(jù)自身的環(huán)境探測(cè)以及 使用者的操縱指令給出合理的行動(dòng)規(guī)劃， 或者通過(guò)人機(jī)交互的方式來(lái)給出幾種 選擇以供使用者參考。不萊梅大學(xué)的Rolland 系統(tǒng)采用了“暗示”的方法自動(dòng)地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式， 而不需要使用者的干預(yù)。 當(dāng)使用者的指向不是障礙物時(shí)， 輪椅會(huì)試圖繞過(guò)它。 但是該方法過(guò)于靈活， 當(dāng)稍微有些偏差時(shí)， 輪椅都將試圖躲避障礙物， 而不是 按照使用者的想法來(lái)接近它。 NavChair 上也采用了類(lèi)似的方法， 但是對(duì)使用 者的想法和意圖考慮得較少。SENARIO上給出的解決方案是當(dāng)使用者操縱輪椅 趨近于障礙物時(shí)， 系統(tǒng)給出警報(bào)并以最小的速度趨向目標(biāo)； 當(dāng)達(dá)到警戒距離時(shí)， 系統(tǒng)將強(qiáng)行停止輪椅運(yùn)動(dòng)， 并通過(guò)人機(jī)界面提示使用者改變控制命令。安全避障則是指在保證使用者操縱指令正確執(zhí)行的情況下使輪椅避開(kāi)障礙 物， 防止碰撞的發(fā)生。 較為成功的 避障技術(shù)是應(yīng)用 在 NavChair 上的 MVFH(Minimu m Vector Field Histogram) 方法， 它 是 VFH(Vector Field Histogram, 應(yīng)用在機(jī)器人上的快速避障方法 )方法的一種變形。 該方法不是簡(jiǎn)單地選取障礙物密度低于閾 值的最近方向， 而是考慮了控制手柄的當(dāng)前位置， 通過(guò)權(quán)值均衡選擇一條折中 路線。SENARIO上采用了一種 AKH(Active KinematicHistogram)方法，也是對(duì) VFH 方法的一種改進(jìn)。該方法考慮了非點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人的特性， 通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)窗 (AKW來(lái)處理不可預(yù)測(cè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為。在選擇運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，動(dòng)態(tài)窗將給出接近于當(dāng)前輪椅運(yùn)動(dòng)方向上一個(gè)范圍內(nèi)的建議方向， 以使對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)作較小的 修正。此外，AKH方法根據(jù)機(jī)器人的形狀和尺寸，以及障礙物的空間位置來(lái)決定所選方向的可行性。 Rolland 上采用的避障模塊則是將使用者的操縱命令作 為避障方向的一個(gè)偏移值， 操縱桿的方向命令決定了輪椅從哪個(gè)方向繞過(guò)障礙 物。2.2 人機(jī)接口智能輪椅是以人為中心的控制系統(tǒng)， 因此，智能輪椅的控制系統(tǒng)不是設(shè)計(jì)的 自主性越高越好，而是應(yīng)該考慮到使用者的身體特點(diǎn)， 有效地補(bǔ)償他 /她的不足， 充分發(fā)揮他 / 她的主動(dòng)性。這就決定了智能輪椅人機(jī)接口的多樣性。人機(jī)接口的 設(shè)計(jì)需要考慮使用者的生理特點(diǎn)以及在各種情況下的心理反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)輪椅與使 用者之間的和諧合作機(jī)制。下面對(duì)幾種人機(jī)接口方式進(jìn)行一下介紹。(1) 操縱桿控制。 該方式指示方向明確簡(jiǎn)單， 是電動(dòng)輪椅的標(biāo)準(zhǔn)配置， 因此 在多數(shù)智能輪椅上都仍然保留了這一人機(jī)接口。 但是在使用者手部存在病理性 顫動(dòng)的情況下， 采用普通操縱桿將無(wú)法正常地操縱輪椅。針對(duì)這樣的情況，不 少研究者進(jìn)一步開(kāi) 發(fā)了“智能” 操縱桿。 D.Ding 等 人針對(duì)病理性 手部顫動(dòng) (Pathological hand tremor) 的使用者，利用模糊邏輯的方法去除使用者操縱過(guò) 程中的手部顫動(dòng)。 Brienza 和 Angelo28 通過(guò)改變操縱桿的堅(jiān)硬度以阻礙使用 者向障礙物方向控制操縱桿(2) 按鍵、觸摸屏、菜單控制。這些方式一般是將輪椅的方向控制分為 4 個(gè) 或 8 個(gè)方向的按鍵。 其好處是輪椅運(yùn)動(dòng)方向明確、 控制較精確， 而缺點(diǎn)是不 夠靈活。 Wheelesley ， Rolland 上均采用了這些方式。(3) 語(yǔ)音控制。利用口令識(shí)別和語(yǔ)音合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)使用者與輪椅的語(yǔ)音對(duì) 話以及對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)的控制。 西班牙的 SIAMO， 中科院自動(dòng)化所的多模態(tài)交互智 能輪椅，上海交通大學(xué)的智能輪椅均采用了語(yǔ)音交互的人機(jī)接口。 但目前所使用 的語(yǔ)音命令是離散的， 只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的方向命令控制， 還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的 語(yǔ)言對(duì)話，而且在環(huán)境嘈雜的情況下語(yǔ)音命令的識(shí)別率往往會(huì)急劇下降。(4) 呼吸控制。 使用者可以通過(guò)在一個(gè)壓力開(kāi)關(guān)上吹氣以激活期望的輸出從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制。西班牙的 SIAMC采用了這種驅(qū)動(dòng)方式。通過(guò)差動(dòng)氣流傳感器檢測(cè)輸入的呼吸氣流的強(qiáng)度和方向，輸出經(jīng)過(guò)處理和編碼后的控制命令傳送到導(dǎo)航模塊。 根據(jù)傳感器信號(hào)的強(qiáng)度控制 輪椅的線速度，根據(jù)氣流的方向控制輪椅的角速度。(5) 頭部控制。 頭部運(yùn)動(dòng)是能夠指示方向的一個(gè)很自然的方式， 可以直接用 來(lái)替代操縱桿保持相似的控制， 且這種方式給那些高度脊椎損傷和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)疾病 的病人帶來(lái)獨(dú)立控制的可能性。 Nguyen 等人在頭部安裝傾斜傳感器并利用無(wú)線 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于頭部動(dòng)作的遠(yuǎn)程輪椅運(yùn)動(dòng)控制。牛津大學(xué)Tew則研制開(kāi)發(fā)了一種 頭部運(yùn)動(dòng)感知設(shè)備， 該設(shè)備使用了一個(gè)四象限光感器 (Photo Quadrant Sensor)， 根據(jù)每一象限光電流的相對(duì)比例確定頭部的位置。 此外， 也有研究通過(guò)攝像頭 檢測(cè)眼睛尾部與臉的邊緣距離的變化來(lái)判定頭部運(yùn)動(dòng)。(6) 手勢(shì)控制。通過(guò)手勢(shì)的指向來(lái)獲取控制信息。使用者帶上特定顏色的手套，控制系統(tǒng)通過(guò)CCD攝像頭獲得圖像信息并將手部區(qū)域分隔出來(lái)，以判斷使用者的手勢(shì)，進(jìn)而將手勢(shì)指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)指令，達(dá)到控制輪椅運(yùn)動(dòng)的目的。(7) 生物信號(hào)控制。包括通過(guò)檢測(cè)肌動(dòng)電流(EMG，腦動(dòng)電流(EEG，眼 動(dòng)電流(EOG來(lái)判斷使用者的行使意圖， 并進(jìn)而控制輪椅相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。 InhukMoon 等人利用探測(cè)位于頸部?jī)蓚?cè)的肩胛提肌的肌動(dòng)電流捕捉使用者肩膀 的動(dòng)作， 以控制輪椅的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 Kazuo Tanaka 等人則通過(guò)使 用者在思維時(shí)的腦電波變化判斷其行使意圖， 以達(dá)到用思維控制輪椅運(yùn)動(dòng)的目 的。 MIT 的 Wheelesley 上使用的鷹眼系統(tǒng)則是通過(guò)在眼部周?chē)胖秒姌O來(lái)感知 眼球的運(yùn)動(dòng)，確定人的視線，以實(shí)時(shí)地控制 中科院自動(dòng)化所嵌入式輪椅輪椅的 角速度和線速度。3 智能輪椅研究的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過(guò)近 20 年的研究發(fā)展， 智能輪椅的研究有大 的進(jìn)展，功能不斷豐富，安全可靠性不斷提高，也存在一定的問(wèn)題 ：(1) 人機(jī)交互不夠自然。雖然已開(kāi)發(fā)了多種智能輪椅人機(jī)交互接口， 但是 仍處于通人機(jī)接口對(duì)輪椅進(jìn)行簡(jiǎn)單控制的階段， 對(duì)自然中使用者的無(wú)意識(shí)行為 與有意識(shí)行為的區(qū)分還缺，無(wú)法達(dá)到自然交互的目的。(2) 輪椅的安全保統(tǒng)不夠完善。 目前多數(shù)智能輪椅平臺(tái)較重視功能現(xiàn)， 對(duì) 于各種環(huán)境下危險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及相應(yīng)障措施研究不夠。離真正的實(shí)用(3) 智能輪椅控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較功耗較大， 續(xù)航能力不高， 還有一定離。 鑒于此， 我們認(rèn)為智能輪椅未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)有