王北一 ，歐陽湛鋒，周昕偉，周梓茵，鄭志鵬，劉小玲，古穎康

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528000）

隨著人口老齡化、慢性疾病和意外傷害等因素的增加，我國殘疾人口數(shù)量逐年增加，越來越多的人陷入步行能力減弱甚至喪失的困境。根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會公布的有關(guān)2018年末殘疾人口數(shù)量的推算報告，我國仍面臨著較大的殘疾人口規(guī)模，且致殘原因呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化。

智能輪椅作為國家康復(fù)工程的重點(diǎn)項目之一，受到各界人士的重視與支持。因此，開發(fā)出功能全面、安全可靠、性價比高的智能輪椅來惠及老年人和殘疾人，將對提高他們的生活質(zhì)量，增強(qiáng)其自理能力，促進(jìn)社會主義和諧社會的建設(shè)具有重要意義。但是目前很多傳統(tǒng)的輪椅制造廠商技術(shù)研發(fā)能力有限，沒有專門的技術(shù)部門來研究多種交互方式的技術(shù)以及將交互方式進(jìn)行模塊化設(shè)計和生產(chǎn)。因此將各種交互方式技術(shù)模塊化并整合到智能輪椅的控制之中會有很大需求，同時也會為傳統(tǒng)的輪椅制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)品技術(shù)路線

通過分析和對比各種電動輪椅系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，我們選擇以STM32為處理核心，設(shè)計一款具有多種人機(jī)交互模式和輔助功能的智能輪椅。具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品技術(shù)路線

本產(chǎn)品的核心技術(shù)為多種人機(jī)交互模式的設(shè)計，其中包括頭動控制的人機(jī)交互模式。輔助設(shè)計包括距離檢測和報警功能。

頭動檢測基于傳感器的工作原理，目前比較流行的物體姿態(tài)算法為四元數(shù)法，本產(chǎn)品采用四元數(shù)法將三軸加速度和三軸角速度的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用低通濾波去除原始數(shù)據(jù)的干擾。通過結(jié)合對姿態(tài)數(shù)據(jù)的判斷和角速度的變化，得出是否發(fā)出頭動控制指令。

2 產(chǎn)品的組成

2.1 硬件設(shè)計

多人機(jī)交互方式智能輪椅由人機(jī)接口模塊、電機(jī)控制模塊、測距模塊、聲音報警模塊和主控模塊等組成，系統(tǒng)整體硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案框圖

2.2 軟件設(shè)計

整個軟件設(shè)計是在Keil5平臺上使用C語言來實現(xiàn)的，Keil5軟件目前針對ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器設(shè)備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。Keil5是專為微控制器應(yīng)用而設(shè)計的一款最佳集成開發(fā)工具，不僅易學(xué)易用，而且功能強(qiáng)大，能夠滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用。

本系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計流程如圖3所示。其軟件實現(xiàn)方法為：在系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)開始檢測各個人機(jī)接口模塊的指令，如頭動檢測部分的頭動檢測單元采集到頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)后，使用頭動檢測算法進(jìn)行分析判斷頭部姿態(tài)。判斷出頭部姿態(tài)后，即可得出指令。通過藍(lán)牙發(fā)送指令到主控模塊。主控模塊收到指令后，對其進(jìn)行判斷，然后驅(qū)動輪椅電機(jī)的轉(zhuǎn)動。若在輪椅移動的過程中檢測到側(cè)翻信號或者前方障礙物距離輪椅過近時，系統(tǒng)將發(fā)出報警，并且控制輪椅停止移動。

圖3 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計流程圖

3 功能介紹

本智能輪椅是一款專門為老人和深度殘疾者提供代步工具的產(chǎn)品，用來解決雙手及頸部以下運(yùn)動不方便的老年人和殘疾人的出行問題?？梢酝ㄟ^多種人機(jī)交互方式來控制輪椅的移動，每種人機(jī)交互方式都是模塊化功能，可以由用戶根據(jù)需求自行選擇定制，成本低。其主要功能如下：

3.1 頭動控制功能

本智能輪椅的頭動控制功能主要是通過檢測使用者的頭部姿態(tài)來控制電動輪椅的移動。利用采集的頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)及算法處理，最終判斷使用者頭部姿態(tài)是否發(fā)出控制輪椅的指令，最終控制輪椅的移動。

只需將設(shè)備佩戴在頭部左側(cè)，在正常坐姿的情況下，通過頭部向下連續(xù)輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅前進(jìn)，頭部向后輕微仰頭兩次控制輪椅后退；通過頭部向左輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅向左轉(zhuǎn)彎，頭部向右輕微點(diǎn)頭兩次控制輪椅向右轉(zhuǎn)彎；向右側(cè)輕微甩頭可以控制輪椅停止。利用頭部連續(xù)點(diǎn)頭兩次的動作來控制輪椅移動，可以避免操作失誤。

3.2 搖桿和按鍵控制功能

本智能輪椅除了具有多種人機(jī)交互模式之外，傳統(tǒng)的搖桿和按鍵控制功能也都保留。

3.3 報警功能

本智能輪椅除了具有多種人機(jī)交互模式外，還具有一些輔助功能，如報警功能、距離檢測功能和翻倒檢測功能。當(dāng)輪椅通過距離檢測功能檢測到前方有障礙物時，輪椅的報警功能則會立即控制蜂鳴器鳴叫來進(jìn)行報警通知。

3.4 距離檢測功能

本智能輪椅具有距離檢測功能。智能輪椅通過超聲波傳感器實時檢測前方是否有障礙物或者低洼處與輪椅的距離，來進(jìn)行下一步操作，確保安全性。如當(dāng)檢測到距離障礙物過近時，則會啟動報警功能來提前通知。

4 使用方法

本產(chǎn)品是一種具有頭動控制人機(jī)交互模式的智能輪椅，用戶在購買輪椅時可以定制自己所需要的人機(jī)接口模塊，然后使用時只需要將頭動遙控模塊穿戴在頭部即可，通過頭部的運(yùn)動來控制輪椅的進(jìn)退和轉(zhuǎn)向。智能輪椅同時還具有輔助功能，包括距離檢測和報警功能，系統(tǒng)啟動后會自動開啟。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

（1）目前已有電動輪椅一般都是基于按鈕和搖桿控制，本產(chǎn)品具有頭動控制人機(jī)交互模式，其中頭動控制選擇佩戴感應(yīng)器的方式，靈活簡單方便。

（2）模塊化：智能輪椅要批量生產(chǎn)，必須實現(xiàn)模塊化，整個系統(tǒng)應(yīng)由基本模塊和各個功能模塊構(gòu)成，每個功能模塊負(fù)責(zé)一種功能，用戶可以根據(jù)需求選擇，配置最合適的輪椅。同時模塊化也能降低成本，提高性價比。

6 結(jié)論

目前可以實現(xiàn)頭動控制的人機(jī)交互技術(shù)有如下兩種：基于視覺識別的人機(jī)交互技術(shù)和基于傳感器的人機(jī)交互技術(shù)等。但是，基于視覺識別的人機(jī)交互技術(shù)不僅需要一臺攝像機(jī)來捕捉人的動作，此外這種人機(jī)交互技術(shù)要求要捕捉的人和攝像機(jī)鏡頭之間不能有障礙物阻擋，受場景的限制，且要求處理器應(yīng)具有足夠快速的視頻處理能力；而基于傳感器的人機(jī)交互技術(shù)由于不依賴搭載其他額外設(shè)備，而且受到外部環(huán)境的影響相對較小，不受空間的限制，便攜性好且需要的信號復(fù)雜度低，還可以實時檢測人體活姿態(tài)。因此該交互方式越來越得到重視，且被稱為“能理解人的交互模式”。綜上所述，我們選擇基于感應(yīng)器的識別模式來實現(xiàn)頭動控制人機(jī)交互模式。