無障礙智能輪椅

1、無障礙智能輪椅發(fā)展歷史機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電子技術(shù)創(chuàng)新及其原理未來展望 中國最古老的輪椅記載，考古學(xué)者在一處約公元前1600年石棺的刻畫上，發(fā)現(xiàn)有輪椅的圖案。歐洲最早的記載是在中世紀(jì)時(shí)期的獨(dú)輪推車（需他人推進(jìn)，比較接近當(dāng)代護(hù)理型的輪椅）目前世界公認(rèn)的輪椅歷史中，最早的記錄是中國南北朝（公元525年）石棺上帶輪子椅子的雕刻也是現(xiàn)代輪椅的前身。公元16世紀(jì)，文藝復(fù)興時(shí)期，西班牙國王菲力蒲二世因?yàn)榛贾酗L(fēng)，而乘坐一部木質(zhì)的輪椅。近代 約在18世紀(jì)，出現(xiàn)接近現(xiàn)代造型設(shè)計(jì)的輪椅。由兩個(gè)大大的木質(zhì)前輪與后面單一小輪，中間配上一張有著扶手的椅子所組成?，F(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對臺階、樓梯這樣比

2、較復(fù)雜的地形卻顯得無能為力。很多場合尤其是室外比如銀行門前，購物中心門前等都或多或少有幾級臺階，而對于室內(nèi)仍有很多地方?jīng)]有電梯，對于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們?nèi)匀挥泻芏嗖槐恪．?dāng)然，國家也花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力在某些場所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其它公用設(shè)施以方便殘疾人活動(dòng)。但由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用仍然非常有限。 解決這一問題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說通過改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。輪式機(jī)構(gòu)：輪式機(jī)構(gòu)輪椅廣泛地應(yīng)用于國外的一些爬樓機(jī)器人，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，快速移動(dòng)，能量效率高，采用差動(dòng)傳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向

3、半徑小，轉(zhuǎn)向靈活，在平地行走時(shí)有絕對的優(yōu)勢，但遇到臺階，樓梯等障礙物是就顯得力不從心。步進(jìn)式：通過驅(qū)動(dòng)三個(gè)互成120度的曲柄帶動(dòng)三個(gè)踏板交替與樓梯接觸前行。在平路的時(shí)候和普通的輪椅車是一樣的，靠輪子行走，在爬樓梯的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)輪則切換成上述步進(jìn)機(jī)構(gòu)，較平穩(wěn)的沿著樓梯的棱邊往上爬，如同爬一個(gè)斜坡一樣。 履帶式機(jī)構(gòu)：履帶式機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用相對來說是比較成熟的，其主要特點(diǎn)是：越障能力強(qiáng)，且可以適應(yīng)不同的樓梯；行走比較連續(xù)，在上下樓梯過程中重心波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)相當(dāng)平穩(wěn)；履帶支撐面上有履齒，不易打滑 ，牽引附著性能好。腳足式機(jī)構(gòu)：腳足式機(jī)構(gòu)是最靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，可以解決大多數(shù)環(huán)境的行走問題，但是

4、，其機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制復(fù)雜，效率低，要實(shí)穩(wěn)定的高速行走，還有諸多問題需解決。輔助式機(jī)構(gòu) 輔助式機(jī)構(gòu)主要是指通過給普通輪椅加裝輔助機(jī)輔助式機(jī)構(gòu)主要是指通過給普通輪椅加裝輔助機(jī)構(gòu)使其具有爬樓功能。目前此方面的主要研究成果為構(gòu)使其具有爬樓功能。目前此方面的主要研究成果為在普通輪椅的兩側(cè)各加一套由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的在普通輪椅的兩側(cè)各加一套由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)，四腿與輪椅原有的四個(gè)輪形成兩套爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)，四腿與輪椅原有的四個(gè)輪形成兩套支撐系統(tǒng)，通過四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，兩套支撐系統(tǒng)輪支撐系統(tǒng)，通過四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，兩套支撐系統(tǒng)輪番著地，并將另一套支撐系統(tǒng)支撐托起送到上（或下）番著地，并將另一

5、套支撐系統(tǒng)支撐托起送到上（或下）一個(gè)臺階。由于這種輪椅是以普通輪椅為基礎(chǔ)改造而一個(gè)臺階。由于這種輪椅是以普通輪椅為基礎(chǔ)改造而成的，所以結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低。成的，所以結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低。5運(yùn)行模式1正常模式直立模式2爬樓梯模式3 像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn)；如果遇到崎嶇的路面，沙土或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠四個(gè)輪子行走。 直立模式，只靠一地后輪接觸地面，就像中國武術(shù)里的“金雞獨(dú)立”。 兩對后輪交替爬到上一級臺階上。配備了一套計(jì)算機(jī)傳感器和陀螺儀，具備較強(qiáng)的自我平衡功能，使用智能手柄操作。電子技術(shù) 太陽能電池主要由硅、砷化鎵、硒銦銅等材料制成，它們地發(fā)電原理基本相同。以晶體硅為例，當(dāng)太陽照射到硅

6、地表面時(shí)，一部分光子地能量會被硅原子吸收，使原子內(nèi)地電子發(fā)生躍遷，從而在材料內(nèi)部形成一定地電位差，這樣光能就轉(zhuǎn)化為電能儲存了起來。當(dāng)太陽能電池接通電路時(shí)，電壓就可以產(chǎn)生電流流過外部電路了。 智能輪椅的導(dǎo)航技術(shù)主要來源于機(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。 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，NavCha

7、ir），紅外傳感器（RobChair，Wheelesley，SIAMO），激光測距儀（MAid），碰撞傳感器（Wheelesley），攝像頭（SIAMO，F(xiàn)RIEND，SENARIO）等等。導(dǎo)航導(dǎo)航模式1全自主導(dǎo)航模式半自主導(dǎo)航模式2 智能輪椅的全自主導(dǎo)航主要是解決“go-to-goal” 的問題。 使用者通過人機(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)合起來構(gòu)成。 導(dǎo)航系統(tǒng)通過各種傳感器檢測環(huán)境信息， 建立環(huán)境模型

8、， 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。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)境探測以及使用者的操縱指令給出合理的行動(dòng)規(guī)劃， 或者通

9、過人機(jī)交互的方式來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)， 輪椅會試圖繞過它。 但是該方法過于靈活， 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接近它。 NavChair上也采用了類似的方法， 但是對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)， 并通過人機(jī)界面提示使用者改變控制命令。 創(chuàng)新及其原理 采用Emoti

10、v 感知的智能輪椅運(yùn)動(dòng)控制 腦機(jī)接口( brain computer interface，BCI) 是一種新的人機(jī)交互方式，它是基于腦電信號實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的通訊和控制。BCI 相比于肌電、語音、腕部運(yùn)動(dòng)、手勢等人機(jī)交互方式，有其先天的優(yōu)勢。BCI 不依賴于人體的外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織，僅根據(jù)大腦思維意念或感官反映所產(chǎn)生的腦電信號進(jìn)行工作。因此BCI 技術(shù)應(yīng)用范圍更廣，并且在助老助殘的智能輪椅中有著廣闊的應(yīng)用前景。采用Emotiv 傳感器設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)動(dòng)想象的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過想象左右手、邁腿動(dòng)作與平靜狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對智能輪椅的實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)可行，并且具有較

11、好的穩(wěn)定性。 系統(tǒng)框架 本系統(tǒng)主要包括腦電信號采集、放大、濾波、去噪、特征提取與特征分類以及控制實(shí)現(xiàn)和仿真訓(xùn)練等部分。其中，腦電信號的采集、放大和濾波通過Emotiv 傳感器完成。Emotiv 傳感器采集得到的腦電信號經(jīng)過去噪、特征提取與特征分類，最終設(shè)計(jì)出控制指令并通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳送給智能輪椅，以達(dá)到控制輪椅運(yùn)動(dòng)的目的。除此之外，本系統(tǒng)還采用虛擬物體運(yùn)動(dòng)形式仿真上述控制指令，用來讓受試者進(jìn)行訓(xùn)練。23141）腦電信號獲?。┠X電信號獲取本系統(tǒng)采用的腦電信號采集設(shè)備是Emotiv System公司開發(fā)的Emotiv 傳感器，其主要部件的外觀如圖所示。Emotiv 傳感器以P3 /P4 為

12、參考電極，上面安裝著14 個(gè)電極，可以采集到14 個(gè)通道的腦電信號，并進(jìn)行放大與濾波，然后通過無線技術(shù)傳回計(jì)算機(jī)。3）特征提取與分類腦電信號是腦內(nèi)眾多神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的突觸后電位的同步振蕩產(chǎn)生的生理電活動(dòng)。由頭皮上記錄到的腦電信號是大腦皮層及皮層下大量神經(jīng)元或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步活動(dòng)的反映。當(dāng)大腦受到感官刺激、動(dòng)作指令和想象運(yùn)動(dòng)等電信號刺激時(shí)，皮層神經(jīng)元之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使它們的同步性被抑制或增強(qiáng)，從而產(chǎn)生事件相關(guān)去同步( ERD) 和事件相關(guān)同步(ERS) 。2）腦電信號去噪傳感器采集的腦電信號雖然經(jīng)過了放大和濾波等處理，但是還會伴有各種生理干擾，如眼電、心電和肌電等偽跡。為了降低偽跡對腦電信

13、號分析的影響，我們要對腦電信號進(jìn)行去噪。本文采用獨(dú)立分量分析( independent component analysis，ICA) 算法對腦電信號進(jìn)行去噪。4）控制實(shí)現(xiàn)經(jīng)過特征分類后，Emotiv 的應(yīng)用程序編程接口將分類結(jié)果: 想象左右手、邁腿動(dòng)作與平靜狀態(tài)生成4 個(gè)運(yùn)動(dòng)事件，即COG_LEFT，COG_RIGHT，COG_LIFT 和COG_NEUTRAL。我們利用Visual Studio 進(jìn)行編程，用上述的4 個(gè)運(yùn)動(dòng)事件分別設(shè)定4 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制指令: 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和停止。然后將控制指令傳送給智能輪椅，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。最后用虛擬物體的運(yùn)動(dòng)形式仿真上述4 個(gè)運(yùn)動(dòng)指令，用來進(jìn)行訓(xùn)練，從而

14、讓受試者更熟練的掌握運(yùn)動(dòng)控制。ICA算法ICA 算法是近年來由盲信源分離技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)多導(dǎo)信號處理方法。其基本含義是將多道觀察信號按照統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的原則通過優(yōu)化算法分解為若干獨(dú)立分量，從而實(shí)現(xiàn)信號的增強(qiáng)和分析。因?yàn)椴杉降哪X電信號是自發(fā)腦電信號與各種偽跡的線性混合，滿足信號源獨(dú)立的條件，所以ICA 算法適用于分離腦電中的偽跡。人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，大腦兩側(cè)相關(guān)電極附近會產(chǎn)生ERD 和ERS現(xiàn)象，從而導(dǎo)致不同想象運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的事件相關(guān)電位在大腦皮層的空間分布也不相同。因此本文選取大腦兩側(cè)的F3，F(xiàn)4，F(xiàn)C5 和FC6 電極進(jìn)行研究。、未來展望 近年來在這些傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，對這些方法有了進(jìn)一步的融合與

15、擴(kuò)展，如：基于遺傳算法路徑規(guī)劃-二維路徑編碼問題簡化為一維路徑編碼問題，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障方法-基于實(shí)際誤差函數(shù)和隸屬函數(shù)法，基于激光雷達(dá)的路徑規(guī)劃方法-角度勢場法，虛擬力場法-動(dòng)態(tài)柵格法與勢場法結(jié)合。應(yīng)用智能機(jī)器人技術(shù)于智能輪椅取得了一定的成效,研制出了很多面向行動(dòng)不便人群的輔助行走機(jī)器人,功能多樣化,基本上滿足了行動(dòng)不便人士要求,但也要看到智能輪椅還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做,并沒有真正產(chǎn)業(yè)化,所以在研究上仍有許多空間。3.模塊化1.智能化2.人性化4.無障礙化發(fā)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮行動(dòng)不便者需求,從細(xì)微處出發(fā),設(shè)計(jì)安全、舒適、合理的智能輪椅。通過研究設(shè)計(jì)出能夠讓輪椅真正做到適應(yīng)各種地形，給老年人和殘障人士提供真正便捷