无障碍智能轮椅

1、无障碍智能轮椅发展历史机构设计电子技术创新及其原理未来展望 中国最古老的轮椅记载，考古学者在一处约公元前1600年石棺的刻画上，发现有轮椅的图案。欧洲最早的记载是在中世纪时期的独轮推车（需他人推进，比较接近当代护理型的轮椅）目前世界公认的轮椅历史中，最早的记录是中国南北朝（公元525年）石棺上带轮子椅子的雕刻也是现代轮椅的前身。公元16世纪，文艺复兴时期，西班牙国王菲力蒲二世因为患中风，而乘坐一部木质的轮椅。近代 约在18世纪，出现接近现代造型设计的轮椅。由两个大大的木质前轮与后面单一小轮，中间配上一张有着扶手的椅子所组成。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比

2、较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外比如银行门前，购物中心门前等都或多或少有几级台阶，而对于室内仍有很多地方没有电梯，对于那些乘坐轮椅的残疾人，他们仍然有很多不便。当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受各种因素的影响，这些措施起到的作用仍然非常有限。 解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备，也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。轮式机构：轮式机构轮椅广泛地应用于国外的一些爬楼机器人，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡，快速移动，能量效率高，采用差动传动时转向

3、半径小，转向灵活，在平地行走时有绝对的优势，但遇到台阶，楼梯等障碍物是就显得力不从心。步进式：通过驱动三个互成120度的曲柄带动三个踏板交替与楼梯接触前行。在平路的时候和普通的轮椅车是一样的，靠轮子行走，在爬楼梯的时候，驱动轮则切换成上述步进机构，较平稳的沿着楼梯的棱边往上爬，如同爬一个斜坡一样。 履带式机构：履带式机构的研究和应用相对来说是比较成熟的，其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；行走比较连续，在上下楼梯过程中重心波动小，运动相当平稳；履带支撑面上有履齿，不易打滑 ，牵引附着性能好。脚足式机构：脚足式机构是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解决大多数环境的行走问题，但是

4、，其机械结构，控制复杂，效率低，要实稳定的高速行走，还有诸多问题需解决。辅助式机构 辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机构使其具有爬楼功能。目前此方面的主要研究成果为构使其具有爬楼功能。目前此方面的主要研究成果为在普通轮椅的两侧各加一套由平行四边形机构组成的在普通轮椅的两侧各加一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，四腿与轮椅原有的四个轮形成两套爬楼梯执行机构，四腿与轮椅原有的四个轮形成两套支撑系统，通过四边形机构的运动，两套支撑系统轮支撑系统，通过四边形机构的运动，两套支撑系统轮番着地，并将另一套支撑系统支撑托起送到上（或下）番着地，并将另一

5、套支撑系统支撑托起送到上（或下）一个台阶。由于这种轮椅是以普通轮椅为基础改造而一个台阶。由于这种轮椅是以普通轮椅为基础改造而成的，所以结构简单，价格低。成的，所以结构简单，价格低。5运行模式1正常模式直立模式2爬楼梯模式3 像普通轮椅一样在平地上前进；如果遇到崎岖的路面，沙土或斜坡，它就进入四轮驱动状态，靠四个轮子行走。 直立模式，只靠一地后轮接触地面，就像中国武术里的“金鸡独立”。 两对后轮交替爬到上一级台阶上。配备了一套计算机传感器和陀螺仪，具备较强的自我平衡功能，使用智能手柄操作。电子技术 太阳能电池主要由硅、砷化镓、硒铟铜等材料制成，它们地发电原理基本相同。以晶体硅为例，当太阳照射到硅

6、地表面时，一部分光子地能量会被硅原子吸收，使原子内地电子发生跃迁，从而在材料内部形成一定地电位差，这样光能就转化为电能储存了起来。当太阳能电池接通电路时，电压就可以产生电流流过外部电路了。 智能轮椅的导航技术主要来源于机器人技术，由于智能轮椅是以人为中心的控制系统， 其导航又有特殊性。 除了需要解决导航过程中轮椅运行空间环境模型建立， 轮椅的定位以及路径规划等问题，还更应关注导航中的安全性以及与使用者的交互性。 环境感知轮椅进行环境感知的主要手段。因此，为了尽可能准确地获取环境信息， 智能轮椅上都配备了多种传感器。包括内部或外部编码器，超声波传感器(SENARIO，Rolland，NavCha

7、ir），红外传感器（RobChair，Wheelesley，SIAMO），激光测距仪（MAid），碰撞传感器（Wheelesley），摄像头（SIAMO，FRIEND，SENARIO）等等。导航导航模式1全自主导航模式半自主导航模式2 智能轮椅的全自主导航主要是解决“go-to-goal” 的问题。 使用者通过人机界面给出目标点， 由轮椅完成路径规划和路径跟踪。 其导航技术主要采用自主移动机器人的相关技术。 导航的方法很多， 包括基于路标导航、 基于地图导航、 基于传感器导航和基于视觉导航等。 导航系统通常是由其中一种或几种方式结合起来构成。 导航系统通过各种传感器检测环境信息， 建立环境模型

8、， 确定轮椅的位置和方向， 然后规划出安全有效的运动路径， 并自主实现路径跟踪在运动过程中， 系统需要与使用者进行实时交互， 根据目标点的变更实时调整运动路径。半自主导航，也称为分享导航(sharednaviga-tion)，主要是解决“where he/she wants to g o”的问题，是智能轮椅导航研究中的重点。目前智能轮椅半自主导航主要关注于解决意图理解(Imp-licit communication)和安全避障(safeob stacle- avoidance)的问题。意图理解是指当轮椅处于环境较为复杂的情况下，根据自身的环境探测以及使用者的操纵指令给出合理的行动规划， 或者通

9、过人机交互的方式来给出几种选择以供使用者参考。不莱梅大学的Rolland系统采用了“暗示”的方法自动地从一种模式转换到另一种模式， 而不需要使用者的干预。 当使用者的指向不是障碍物时， 轮椅会试图绕过它。 但是该方法过于灵活， 当稍微有些偏差时， 轮椅都将试图躲避障碍物，而不是按照使用者的想法来接近它。 NavChair上也采用了类似的方法， 但是对使用者的想法和意图考虑得较少。 SENARIO上给出的解决方案是当使用者操纵轮椅趋近于障碍物时， 系统给出警报并以最小的速度趋向目标；当达到警戒距离时， 系统将强行停止轮椅运动， 并通过人机界面提示使用者改变控制命令。 创新及其原理 采用Emoti

10、v 感知的智能轮椅运动控制 脑机接口( brain computer interface，BCI) 是一种新的人机交互方式，它是基于脑电信号实现人脑与计算机或其他电子设备的通讯和控制。BCI 相比于肌电、语音、腕部运动、手势等人机交互方式，有其先天的优势。BCI 不依赖于人体的外周神经系统及肌肉组织，仅根据大脑思维意念或感官反映所产生的脑电信号进行工作。因此BCI 技术应用范围更广，并且在助老助残的智能轮椅中有着广阔的应用前景。采用Emotiv 传感器设计了一种基于运动想象的控制系统。该系统可以通过想象左右手、迈腿动作与平静状态来实现对智能轮椅的实时控制。实验结果表明该控制系统可行，并且具有较

11、好的稳定性。 系统框架 本系统主要包括脑电信号采集、放大、滤波、去噪、特征提取与特征分类以及控制实现和仿真训练等部分。其中，脑电信号的采集、放大和滤波通过Emotiv 传感器完成。Emotiv 传感器采集得到的脑电信号经过去噪、特征提取与特征分类，最终设计出控制指令并通过无线网络将控制指令传送给智能轮椅，以达到控制轮椅运动的目的。除此之外，本系统还采用虚拟物体运动形式仿真上述控制指令，用来让受试者进行训练。23141）脑电信号获取）脑电信号获取本系统采用的脑电信号采集设备是Emotiv System公司开发的Emotiv 传感器，其主要部件的外观如图所示。Emotiv 传感器以P3 /P4 为

12、参考电极，上面安装着14 个电极，可以采集到14 个通道的脑电信号，并进行放大与滤波，然后通过无线技术传回计算机。3）特征提取与分类脑电信号是脑内众多神经元活动产生的突触后电位的同步振荡产生的生理电活动。由头皮上记录到的脑电信号是大脑皮层及皮层下大量神经元或神经网络的同步活动的反映。当大脑受到感官刺激、动作指令和想象运动等电信号刺激时，皮层神经元之间的联系结构发生改变，使它们的同步性被抑制或增强，从而产生事件相关去同步( ERD) 和事件相关同步(ERS) 。2）脑电信号去噪传感器采集的脑电信号虽然经过了放大和滤波等处理，但是还会伴有各种生理干扰，如眼电、心电和肌电等伪迹。为了降低伪迹对脑电信

13、号分析的影响，我们要对脑电信号进行去噪。本文采用独立分量分析( independent component analysis，ICA) 算法对脑电信号进行去噪。4）控制实现经过特征分类后，Emotiv 的应用程序编程接口将分类结果: 想象左右手、迈腿动作与平静状态生成4 个运动事件，即COG_LEFT，COG_RIGHT，COG_LIFT 和COG_NEUTRAL。我们利用Visual Studio 进行编程，用上述的4 个运动事件分别设定4 个运动控制指令: 左转、右转、前进和停止。然后将控制指令传送给智能轮椅，实现运动控制。最后用虚拟物体的运动形式仿真上述4 个运动指令，用来进行训练，从而

14、让受试者更熟练的掌握运动控制。ICA算法ICA 算法是近年来由盲信源分离技术发展起来的一项多导信号处理方法。其基本含义是将多道观察信号按照统计独立的原则通过优化算法分解为若干独立分量，从而实现信号的增强和分析。因为采集到的脑电信号是自发脑电信号与各种伪迹的线性混合，满足信号源独立的条件，所以ICA 算法适用于分离脑电中的伪迹。人在进行运动想象时，大脑两侧相关电极附近会产生ERD 和ERS现象，从而导致不同想象运动诱发的事件相关电位在大脑皮层的空间分布也不相同。因此本文选取大脑两侧的F3，F4，FC5 和FC6 电极进行研究。、未来展望 近年来在这些传统方法的基础上，对这些方法有了进一步的融合与

15、扩展，如：基于遗传算法路径规划-二维路径编码问题简化为一维路径编码问题，模糊神经网络避障方法-基于实际误差函数和隶属函数法，基于激光雷达的路径规划方法-角度势场法，虚拟力场法-动态栅格法与势场法结合。应用智能机器人技术于智能轮椅取得了一定的成效,研制出了很多面向行动不便人群的辅助行走机器人,功能多样化,基本上满足了行动不便人士要求,但也要看到智能轮椅还停留在实验室或是少数定做,并没有真正产业化,所以在研究上仍有许多空间。3.模块化1.智能化2.人性化4.无障碍化发展系统设计者应充分考虑行动不便者需求,从细微处出发,设计安全、舒适、合理的智能轮椅。通过研究设计出能够让轮椅真正做到适应各种地形，给老年人和残障人士提供真正便捷